CN115876760A - 一种背景可控的气体泄漏光谱成像系统测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种背景可控的气体泄漏光谱成像系统测试装置及方法，属于气体泄漏监测技术领域，该测试装置包括气体系统、背景控制系统以及光谱成像系统；气体系统被配置用于输出目标泄漏气体；背景控制系统包括背景温度控制模块、泄漏气体温度控制模块和背景反射率控制模块，被配置用于形成不同的背景条件；光谱成像系统被配置用于监测识别目标泄漏气体；测试方法采用该测试装置进行测试时，可控制改变背景温度、泄漏气体温度、背景与泄漏气体间的温差、背景反射率，模拟不同背景条件，进而探索背景因子对气体泄漏光谱成像技术的影响规律，构建样本特征数据库，为企业气体泄漏监测提供有效的数据支撑。

Description

一种背景可控的气体泄漏光谱成像系统测试装置及方法

技术领域

本发明属于气体泄漏监测技术领域，具体涉及一种背景可控的气体泄漏光谱成像系统测试装置及方法。

背景技术

目前，传统的气体泄漏监测方法属于定点监测，操作安全性低，要实现大范围的动态监测耗时耗力，结果准确性差，且需要进行定期的调试和校准。气体泄漏光谱成像技术由于其大范围、远距离等优势成为气体泄漏监测的有效手段。近年来，国内外相关研究单位加大对气体泄漏光谱成像技术的投入与研究力度，基于光谱成像的气体泄漏检测系统不断推出，系统性能逐步优化提升。但是，在实际应用时，气体泄漏光谱成像技术的检测效果与背景息息相关。背景温度、泄漏气体温度、背景与泄漏气体间的温差、背景反射率因素直接影响气体泄漏光谱成像技术能否对泄漏气体检出识别。目前，仍缺乏基于可控背景的气体泄漏光谱成像系统测试装置及方法。如何结合实际应用场景，模拟不同背景条件，探索背景与泄漏气体的绝对温度，相对温差、背景反射率对气体泄漏光谱成像技术的影响规律，构建样本特征数据库，为企业气体泄漏监测提供有效的数据支撑，这对气体泄漏光谱成像技术发展、企业智能化监测预警，具有重要意义。

专利“CN103884718A”公开了一种用于检测光学气体成像设备的试验装置，包括恒温机构、气体机构和空气机构。恒温机构由恒温水箱与背景板管路连接。该发明通过循环热源产生均匀稳定的热背景，运用阀门精确控制气体流量的气路系统，并设计不同气体喷射方式和方向，准确模拟不同种类的气体在不同温度条件下不同类型的泄漏。该装置用于检验光学气体成像设备在不同参数条件下的性能，不涉及研究背景与泄漏气体的绝对温度，相对温差、背景反射率对光谱成像系统的测试。

专利“CN205562124U”公开了一种改变检测背景辐射率的室内GIS设备气体泄漏检测系统，包括检测背景和红外成像检漏仪器，被检测空间位于检测背景和红外成像检漏仪器之间。在检测背景及红外成像检漏仪器之间安装一个低辐射率装置，该低辐射率装置靠近检测背景安装。该装置侧重于有效开展室内SF6电气设备气体检漏，提升工作效率，不涉及研究背景与泄漏气体的绝对温度、相对温差、背景反射率对光谱成像系统的测试。

专利“CN205562123U”公开了一种改变检测背景温度的室内GIS设备气体泄漏检测系统，包括检测背景和红外成像检漏仪器，被检测空间位于检测背景和红外成像检漏仪器之间。在检测背景及红外成像检漏仪器之间安装一个低温装置，该低温装置靠近检测背景安装。该装置侧重于有效开展室内SF6电气设备气体检漏，提升工作效率，不涉及研究背景与泄漏气体的绝对温度，相对温差、背景反射率对光谱成像系统的测试。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种背景可控的气体泄漏光谱成像系统测试装置及方法，该背景装置可控制改变背景温度、泄漏气体温度、背景与泄漏气体间的温差、背景反射率，填补基于可控背景的气体泄漏光谱成像系统测试装置与方法的空白。

本发明的技术方案如下：

一种背景可控的气体泄漏光谱成像系统测试装置，包括气体系统、背景控制系统以及光谱成像系统；

所述气体系统被配置用于输出目标泄漏气体；所述背景控制系统包括背景温度控制模块、泄漏气体温度控制模块和背景反射率控制模块，被配置用于形成不同的背景条件；所述光谱成像系统被配置用于监测识别目标泄漏气体；

气体系统通过气体管路在背景控制系统中的背景温控板正前方释放输出目标泄漏气体，光谱成像系统至目标泄漏气体有一定距离对目标泄漏气体进行监测识别。

优选地，背景温度控制模块包括背景温控板和加热制冷循环器，加热制冷循环器控制背景温控板的温度，模拟不同温度场景，形成均匀、稳定、可控的温度背景。

优选地，背景温控板由导热性能良好的材料实体铸造，内部以“回”字形或者“U”字形掏空，掏空处通入循环液控制背景温控板温度。

优选地，加热制冷循环器含有液位计，用于低液位报警；内部循环液根据温度调控范围选择水、乙醇或者浴油。

优选地，泄漏气体温度控制模块包括气体管路与恒温水浴箱，其中气体管路包括输入气体管路与输出气体管路，恒温水浴箱内有换热器；输入气体管路由气体系统输出气体后输入至恒温水浴箱，恒温水浴箱中储存一定温度的液体，输入气体管路进入恒温水浴箱内的换热器，与恒温水浴箱中的液体进行热量交换，使输出气体具有一定的温度。

优选地，恒温水浴箱中的换热器由导热性能良好的管路组成，实现气体与循环液间的快速热量交换；通过控制恒温水浴箱中液体的温度间接控制输出气体的温度。

优选地，背景反射率控制模块由不同材料的背景反射平板组成，背景反射平板与背景温控板紧密贴合；或背景温控板为可拆卸结构，通过拆卸背景温控板的前面板替换成不同材料的背景反射平板形成不同的背景反射率条件。

优选地，采用热电偶式测温计或红外热像仪监测背景温度、气体温度、背景温控板温度均匀性、背景温控板与泄漏气体间的相对温差，以及由于气体泄漏造成的周边温度场的变化。

优选地，所述背景温度控制模块、泄漏气体温度控制模块、背景反射率控制模块单独使用或者任意组合使用。

一种背景可控的气体泄漏光谱成像系统测试方法，采用如上任意一项所述背景可控的气体泄漏光谱成像系统测试装置模拟不同背景条件进行测试，探索背景因子对气体泄漏光谱成像技术的影响规律并构建样本特征数据库，具体包括如下步骤：

S1.利用三脚架固定光谱成像仪构成光谱成像系统，距离目标泄漏气体一定距离，对准气体泄漏区域；

S2.设置加热制冷循环器温度，控制背景温控板使其持续升温或降温，形成均匀、稳定的温度背景；

S3.在背景温控板前固定放置具有反射率的背景反射平板，与背景温控板紧密接触或将背景温控板的前面板进行拆卸替换不同反射率的背景反射平板；

S4.利用热电偶式测温计或红外热像仪监测温度，待背景温控板温度均匀、稳定后，利用气体系统释放待测气体；

S5.利用光谱成像仪对背景温控板前的目标泄漏气体进行成像监测；

S6.根据实际测试需求，改变控制背景温控板温度、泄漏气体温度、背景温控板与泄漏气体间相对温差、背景反射率，进行气体泄漏光谱成像系统数据采集及系统性能测试评价。

本发明所带来的有益技术效果：

1.背景温控板采用铝或者铜等导热性能良好的材料实体铸造，内部以“回”字形或者“U”字形掏空，通入循环液进行温度控制，可以维持均匀、稳定、可控的温度背景，减小热量交换造成的热损失；加热制冷循环器内部泵压及循环液流量设计使得内部循环液流动维持在背景温控板内的热量值大于与外界热交换造成热损失的热量值，保证背景温控板温度的稳定性；另，内部循环液选择水、酒精或者浴油，调温范围低至零下，高至百摄氏度。

2.背景温度控制模块与泄漏气体温度控制模块，单独使用或者组合使用，使泄漏气体与背景同时处于高温、低温、室温状态，研究不同温度条件下的气体泄漏光谱成像系统性能特点及规律；也可固定泄漏气体或者背景温度，调控另一个模块，控制泄漏气体与背景间的相对温差，研究温差对气体泄漏光谱成像系统性能的影响。

3.利用不同材料的背景反射平板，如不锈钢板、塑料白板、喷漆板、抛光金属板等，与背景温控板紧密接触或拆卸替换背景温控板前面板，构成不同背景反射率条件。也可在背景温控板前喷洒一层水雾，构成不均匀表面反射条件，同时模拟雨天对气体泄漏光谱成像系统检测效果的影响。

4.本发明可控制改变背景温度、泄漏气体温度、背景与泄漏气体间的温差、背景反射率，填补基于可控背景的气体泄漏光谱成像系统测试装置与方法的空白；可以结合实际应用场景，模拟不同背景条件，探索背景因子对气体泄漏光谱成像技术的影响规律，构建样本特征数据库，为企业气体泄漏监测提供有效的数据支撑；这对气体泄漏光谱成像技术发展、企业智能化监测预警，具有重要意义。

附图说明

图1为本发明一种背景可控的气体泄漏光谱成像系统测试装置结构图；

图2为本发明一种背景可控的气体泄漏光谱成像系统测试装置示意图；

图3为本发明背景温度控制模块的示意图；

图4为本发明泄漏气体温度控制模块的示意图；

图5为本发明一种可拆卸式背景温控板的示意图；

其中，1-背景温控板；2-气团；3-光谱成像仪；4-三脚架；5-出水管路；6-加热制冷循环器；7-进水管路；8-输入气体管路；9-恒温水浴箱；10-换热器；11-输出气体管路；12-固定螺丝。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

如图1所示，一种背景可控的气体泄漏光谱成像系统测试装置由气体系统、背景控制系统和光谱成像系统组成。其中，气体系统被配置用于输出目标泄漏气体；背景控制系统包括背景温度控制模块、泄漏气体温度控制模块和背景反射率控制模块，被配置用于形成不同的背景条件；光谱成像系统被配置用于监测识别目标泄漏气体。气体系统通过气体管路在背景控制系统中的背景温控板正前方释放输出目标泄漏气体，光谱成像系统至目标泄漏气体有一定距离对目标泄漏气体进行监测识别。

对应如图2所示的装置示意图，气体系统包括目标泄漏气体和气体输出管路；背景控制系统中，当背景温控板1不进行温度控制时，就可以当作普通的背景板使用；光谱成像系统由光谱成像仪3及三脚架4组成，光谱成像仪3至泄漏气体有一定距离，由三脚架4固定，对泄漏气体进行成像检测。气体系统用来输出目标泄漏气体，目标泄漏气体以背景温控板1为输出背景，通过气体管路在背景温控板1正前方释放输出目标泄漏气体，形成气团2，光谱成像仪对气团2进行监测识别。该测试装置还连接一个存储监测数据的数据库，测试装置会将每次测试并监测到的数据自动保存进数据库。气体系统可根据监测需求，输出特定种类、浓度和流量的气体。

下面对背景控制系统所包含的背景温度控制模块、泄漏气体温度控制模块、背景反射率控制模块这三个模块分别进行详细说明。

一、背景温度控制模块

背景温度控制模块包括背景温控板1和加热制冷循环器6，如图3所示。利用加热制冷循环器6控制背景温控板1的温度，模拟不同温度场景，形成均匀、稳定、可控的温度背景。

背景温控板1可以由铝或者铜等导热性能良好的材料实体铸造，内部以“回”字形或者“U”字形掏空，掏空处通入循环液控制背景温控板温度。背景温控板1内部实体铸造减小与外界热量交换造成的热损失，便于维持稳定、均匀的温度背景。

背景温控板1内部“回”字形或“U”字形镂空结构尺寸大小及占空比不做具体要求，能满足背景温控板1温度均匀性与稳定性要求即可。例如，温控板大小可以设置成30cm×20cm，“回”字形长度26cm，上下各留出2cm空隙，“回”字形宽度2cm，镂空处与温控板整体占空比1:4。

加热制冷循环器6内充有循环液体，利用内置循环泵进行液体循环，充入背景温控板1中。加热制冷循环器6内的循环液体通过进水管路7流入背景温控板1，待循环液体充满背景温控板1后通过出水管路5流回加热制冷循环器，利用循环液体在背景温控板内循环流动使背景温控板具有温度。背景温控板1与加热制冷循环器6构成闭合回路，加热制冷循环器6控制循环液温度，进而控制背景温控板1温度。

加热制冷循环器6中含有液位计，能实现低液位报警。内部循环液可根据温度调控范围选择水、乙醇或者浴油，调温范围低至零下，高至百摄氏度。优选地，水溶液选择蒸馏水或者去离子水，防止长时间循环使用形成水垢阻塞加热制冷循环器内部盘管，影响设备寿命。

加热制冷循环器6内部泵压及液体流量数值范围不做具体限定，满足背景温控板1温度稳定性要求即可。优选地，泵压大于2bar，结合背景温控板1尺寸大小，使内部循环液流动维持在背景温控板1内的热量值大于与外界热交换造成热损失的热量值，保证背景温控板1温度的稳定性。例如，背景温控板1大小可以设置为60cm×40cm，加热制冷循环器6内部泵压3.5bar，充液流量28L/min。

二、泄漏气体温度控制模块

泄漏气体温度控制模块包括气体管路与恒温水浴箱9。其中气体管路包括输入气体管路8与输出气体管路11，恒温水浴箱9内有换热器10，如图4所示。

输入气体管路8由气体系统输出气体后输入至恒温水浴箱9，恒温水浴箱9中储存一定温度的液体。输入气体管路8进入恒温水浴箱9内的换热器10，与恒温水浴箱9中的液体进行热量交换，使输出气体具有一定的温度。

恒温水浴箱9中的换热器10为铝或者铜等导热性能良好的管路组成，便于实现气体与循环液间的快速热量交换。

通过控制恒温水浴箱9中液体的温度间接控制输出气体的温度。

上述背景温度控制模块、泄漏气体温度控制模块可单独使用或者组合使用，使泄漏气体与背景同时处于高温、低温、室温状态，也可固定泄漏气体或者背景温度，调控另一个模块，控制泄漏气体与背景间的相对温差。

背景温度、气体温度、背景温控板温度均匀性、背景板与泄漏气体间的相对温差可采用热电偶式测温计或红外热像仪监测。

除了通过控制背景温度对气体泄漏光谱成像系统进行检测外，也可通过红外热像仪监测由于气体泄漏造成的周边温度场的变化。

三、背景反射率控制模块

背景反射率控制模块由不同材料的背景反射平板组成，如不锈钢板、塑料白板、喷漆板、抛光金属板等，构成不同背景反射率条件。

可以通过将不同材料的背景反射平板与背景温控板1紧密接触，构成不同背景反射率条件。

也可以将背景温控板1的前面板做成可拆卸形式，通过四个或多个固定螺丝12固定及拆卸，如图5所示。内部仍实体铸造，采用“回”字形或“U”字形掏空，通过密封垫确保背景温控板密封性。根据所需背景条件更换前面板材质，构成不同背景反射率条件。

上述背景温度控制模块、泄漏气体温度控制模块、背景反射率控制模块这三个模块可单独使用或者任意组合使用，构成不同的背景条件。为了展现组合效果，本发明不一一列举，只展示部分实施例。

实施例1

通过背景温度控制模块控制背景温控板温度为0℃，加热制冷循环器内部循环液为乙醇；通过泄漏气体温度控制模块控制泄漏气体温度为5℃；不在背景反射率控制模块添加背景反射平板；观测背景和泄漏气体同时处于低温状态下，气体泄漏光谱成像系统的检测性能。

实施例2

通过背景温度控制模块控制背景温控板温度为15℃；通过泄漏气体温度控制模块控制泄漏气体温度为20℃；不在背景反射率控制模块添加背景反射平板；观测背景和泄漏气体同时处于室温状态下，气体泄漏光谱成像系统的检测性能。

实施例3

通过背景温度控制模块控制背景温控板温度为60℃；通过泄漏气体温度控制模块控制泄漏气体温度为55℃；不在背景反射率控制模块添加背景反射平板；观测背景和泄漏气体同时处于高温状态下，气体泄漏光谱成像系统的检测性能。

实施例4

泄漏气体通过气体管路输出，在室温状态下释放，不用恒温水箱，测试室温温度并记录；通过背景温度控制模块控制背景温控板温度，与泄漏气体温差分别为-40℃、-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、40℃；不在背景反射率控制模块添加背景反射平板；观测在不同温差下，气体泄漏光谱成像系统的检测性能。

实施例5

通过背景温度控制模块控制背景板温度为40℃，利用红外热像仪测量成像平面内多个固定点温度并记录；室温释放气体后，利用红外热像仪测量成像平面内同样位置的固定点温度并记录；不在背景反射率控制模块添加背景反射平板；更换背景温度，重复上述操作，研究不同温度背景下，泄漏气体对周围温度场的影响。

实施例6

通过背景温度控制模块控制背景温控板温度为0℃，加热制冷循环器内部循环液为乙醇；通过泄漏气体温度控制模块控制泄漏气体温度为5℃；在背景温控板前喷洒一层水雾，构成不均匀表面反射条件；模拟背景和泄漏气体同时处于低温状态下，以及雨天对气体泄漏光谱成像系统检测效果的影响。

实施例7

通过背景温度控制模块控制背景温控板温度为15℃；通过泄漏气体温度控制模块控制泄漏气体温度为20℃；背景反射率控制模块添加不锈钢板；观测背景和泄漏气体同时处于室温状态下，以及在有不锈钢板的情况下气体泄漏光谱成像系统的检测性能。

一种背景可控的气体泄漏光谱成像系统测试方法，其步骤为：

(1)利用三脚架固定光谱成像仪，距离泄漏气体一定距离，对准气体泄漏区域。光谱成像仪可以是制冷型、非制冷型成像仪。

(2)设置加热制冷循环器温度，控制背景温控板使其持续升温或降温，形成均匀、稳定的温度背景。

(3)在背景温控板前固定放置具有反射率的背景反射平板，与背景温控板紧密接触或将温控板前面板进行拆卸替换不同反射率的背景反射平板。

(4)利用热电偶式测温计或红外热像仪监测温度，待背景板温度均匀、稳定后，利用气体系统释放待测气体。

(5)利用光谱成像仪对背景板前的泄漏气体进行成像监测。

(6)根据实际测试需求，改变控制背景温控板温度、泄漏气体温度、背景温控板与泄漏气体间相对温差、背景反射率，进行气体泄漏光谱成像系统数据采集及系统性能测试评价。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种背景可控的气体泄漏光谱成像系统测试装置，其特征在于，包括气体系统、背景控制系统以及光谱成像系统；

所述气体系统被配置用于输出目标泄漏气体；所述背景控制系统包括背景温度控制模块、泄漏气体温度控制模块和背景反射率控制模块，被配置用于形成不同的背景条件；所述光谱成像系统被配置用于监测识别目标泄漏气体；

气体系统通过气体管路在背景控制系统中的背景温控板正前方释放输出目标泄漏气体，光谱成像系统至目标泄漏气体有一定距离对目标泄漏气体进行监测识别。

2.根据权利要求书1所述背景可控的气体泄漏光谱成像系统测试装置，其特征在于，所述背景温度控制模块包括背景温控板和加热制冷循环器，加热制冷循环器控制背景温控板的温度，模拟不同温度场景，形成均匀、稳定、可控的温度背景。

3.根据权利要求书2所述背景可控的气体泄漏光谱成像系统测试装置，其特征在于，所述背景温控板由导热性能良好的材料实体铸造，内部以“回”字形或者“U”字形掏空，掏空处通入循环液控制背景温控板温度。

4.根据权利要求书2所述背景可控的气体泄漏光谱成像系统测试装置，其特征在于，所述加热制冷循环器含有液位计，用于低液位报警；内部循环液根据温度调控范围选择水、乙醇或者浴油。

5.根据权利要求书1所述背景可控的气体泄漏光谱成像系统测试装置，其特征在于，所述泄漏气体温度控制模块包括气体管路与恒温水浴箱，其中气体管路包括输入气体管路与输出气体管路，恒温水浴箱内有换热器；输入气体管路由气体系统输出气体后输入至恒温水浴箱，恒温水浴箱中储存一定温度的液体，输入气体管路进入恒温水浴箱内的换热器，与恒温水浴箱中的液体进行热量交换，使输出气体具有一定的温度。

6.根据权利要求书5所述背景可控的气体泄漏光谱成像系统测试装置，其特征在于，所述恒温水浴箱中的换热器由导热性能良好的管路组成，实现气体与循环液间的快速热量交换；通过控制恒温水浴箱中液体的温度间接控制输出气体的温度。

7.根据权利要求书1所述背景可控的气体泄漏光谱成像系统测试装置，其特征在于，所述背景反射率控制模块由不同材料的背景反射平板组成，背景反射平板与背景温控板紧密贴合；或背景温控板为可拆卸结构，通过拆卸背景温控板的前面板替换成不同材料的背景反射平板形成不同的背景反射率条件。

8.根据权利要求书1所述背景可控的气体泄漏光谱成像系统测试装置，其特征在于，采用热电偶式测温计或红外热像仪监测背景温度、气体温度、背景温控板温度均匀性、背景温控板与泄漏气体间的相对温差，以及由于气体泄漏造成的周边温度场的变化。

9.根据权利要求书1所述背景可控的气体泄漏光谱成像系统测试装置，其特征在于，所述背景温度控制模块、泄漏气体温度控制模块、背景反射率控制模块单独使用或者任意组合使用。

10.一种背景可控的气体泄漏光谱成像系统测试方法，其特征在于，采用如权利要求1-9任意一项所述背景可控的气体泄漏光谱成像系统测试装置模拟不同背景条件进行测试，探索背景因子对气体泄漏光谱成像技术的影响规律并构建样本特征数据库，具体包括如下步骤：

S1.利用三脚架固定光谱成像仪构成光谱成像系统，距离目标泄漏气体一定距离，对准气体泄漏区域；

S2.设置加热制冷循环器温度，控制背景温控板使其持续升温或降温，形成均匀、稳定的温度背景；

S3.在背景温控板前固定放置具有反射率的背景反射平板，与背景温控板紧密接触或将背景温控板的前面板进行拆卸替换不同反射率的背景反射平板；

S4.利用热电偶式测温计或红外热像仪监测温度，待背景温控板温度均匀、稳定后，利用气体系统释放待测气体；

S5.利用光谱成像仪对背景温控板前的目标泄漏气体进行成像监测；

S6.根据实际测试需求，改变控制背景温控板温度、泄漏气体温度、背景温控板与泄漏气体间相对温差、背景反射率，进行气体泄漏光谱成像系统数据采集及系统性能测试评价。

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