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可用于检测天然气泄漏的低成本红外成像系统

2017-02-10 00:32
默菲
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研究人员已经开发出一种新型红外成像系统,有望可以提供低成本、实时性的管道或者石油和天然气设施中的甲烷气体泄漏情况。甲烷是天然气的主要组成部分,其泄露可能是昂贵和危险的,同时也会导致温室气体的气候变化。

“尽管甲烷气是肉眼看不到的,但我们已经开发了一种利用彩色编码这种气体信息的方法,并放置到一个传统相机图像中,” 苏格兰格拉斯哥大学的Graham M. Gibson博士说,他领导了这项技术工作。“这允许用户操作相机可环顾四周,从而识别到目标,看到一个重叠气体的存在。”

Gibson和其他的研究小组的研究人员合作开发了这种实时红外成像系统。已经发表在光学学会的《光学快报》杂志上,研究人员表明,该系统可以获取甲烷泄漏时的视频信息,起诉率每分钟约0.2升。该技术也可以扩展到其他波长或波长范围,从而检测多种气体和化学品。

Graeme Malcolm博士,他是M2公司的首席执行官和联合创始人,他说:“从商业角度来看,其挑战之一是将红外技术应用到更大的市场中,其价格点是非常敏感的。这种新技术可以使红外成像和传感变得更容易获得,并有助于改善环境,减少石油和天然气行业的气体损失。

技术联合

虽然商业系统使用成像检测甲烷气体是可用的,但它们是非常昂贵的,并不能很好地应用在所有的环境条件下。新的成像系统可以提供一个便宜且更加敏感的方式在各种条件下来检测甲烷气体。它采用的积极的高光谱成像技术由M2公司开发出来,而格拉斯哥研究小组开发了单像素相机。

该系统执行高光谱成像,通过使用一个激光波长处被吸收的甲烷投射到场景中,形成一系列的红外光模式。这些图案是用激光与成千上万的移动反射镜的微型设备创建的,称为数字微镜装置。图像显示了甲烷吸收光线情况,通过检测光散射现场计算比较原始的投影模式进行重构。

这一新的甲烷气体成像系统采用主动照明,意味着它可以自己提供光源,与目前可用的气体探测器被动照明系统相比,具有几个优点,包括利用温差进行系统的气体检测。

Nils Hempler博士,作为M2公司的创新领导,他说:“使用被动照明系统,夜晚或阴雨情况会造成信号到达成像系统发生变化或不存在。有源照明的光源是独立于环境变化的,包括温度或光的变化,并提供增强的对比度和更高的灵敏度。

研究人员使用一个单像素相机测量场景中的光线,而具有千万像素的传统相机由于散射且昂贵不可用于红外波长。单像素相机是建立一个商业的甲烷气体成像系统的关键,其成本可能只有几千元,明显低于今天的商用气体检测成像仪。由于该系统不使用任何扫描仪或其他移动部件,它可以很容易地变成一个便携式仪器。

在该论文中,研究人员表明,他们的系统可以实现距离管道约一米处约25帧每秒的甲烷气体泄露监测速率。他们还表明,这种方法对于甲烷是十分敏感的,即使在相机和甲烷之间有其他气体之间存在。

“我们发现其中的一件事是,我们并不一定需要高清晰度图像时,检测气体泄漏,” Gibson说。一个相对快速的帧速率在相机中提供了更多的信息,这对于气体泄漏的地方比具有非常高清晰度的图像更有用。

研究人员的下一个步骤是在受控的实验室环境下演示其成像设置,以了解它在现实世界中的情况。他们还想尝试更强大的激光,这可能会实现更大距离上的检测成像和并能提高气体检测的灵敏度。

“本文中,用可调谐的激光源而不是固定波长光源可以将此方法推广到其他烃类气体、危险的化学试剂和炸药等材料的监测上,还可用于医疗诊断和其他重要的生物物质的监测应用上,” Hempler说。

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