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CN111133292B - 气体泄漏中气体化合物的分类方法 - Google Patents

气体泄漏中气体化合物的分类方法 Download PDF

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CN111133292B CN201980003948.3A CN201980003948A CN111133292B CN 111133292 B CN111133292 B CN 111133292B CN 201980003948 A CN201980003948 A CN 201980003948A CN 111133292 B CN111133292 B CN 111133292B
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Abstract

本文提供了用于对特定视场中的多种泄漏气体中的至少一种单独的气体化合物进行分类的方法和系统。该方法可以包括以下步骤：通过低温冷却检测器并且使用在至少n个滤光片中的第一滤光片，生成特定视图在与其中所述泄漏气体发射并且吸收电磁辐射的所述泄漏气体光谱带一致的光谱带中的多个光谱带图像；根据该图像，计算所述气体分别在所述滤光片中的每个滤光片中的相对吸收响应；计算一组预定系数；将所述相对吸收响应归一化为所述滤光片的相对响应的总和；以及计算所述泄漏气体的所述气体化合物的加权平均分子量。

Description

气体泄漏中气体化合物的分类方法
发明领域
本发明涉及气体泄漏检测领域，更具体地说，涉及对气体泄漏中的单独的气体化合物和/或一组气体化合物进行分类的方法。
发明背景
石油、天然气、化学和发电厂工业不断寻求对逃逸气体泄漏的高效现场检测。在这些行业中，使用的大多数气体(例如，甲烷、丙烷、苯等)毒性很高，并且在与空气混合时会爆炸。此外，大多数泄漏气体属于温室气体类别，因此有助于气候不稳定和温度上升。另外，气体泄漏问题正在给其工业造成利润损失。
通常，大多数发达国家的法规都要求对装备进行持续监控，以便控制和将气体泄漏降至最低。目前，有许多不同的产品有助于挥发性有机化合物(VOC)和其他气体的检测。这些产品大多属于名为“嗅探器”的类别。嗅探器提供准确的气体浓度读数，但会遭受在与靠近管道、阀门或任何其他载气部件时必须在本地执行的检查工作相关的大量工作。
同样已知光学气体成像系统用于气体泄漏检测。不同气体的特征在于不同光谱带中的不同吸收谱线，这使得能够使用不同的滤光片检测和分类不同的气体或一组气体。通常，光学气体检测系统包括冷却检测器和冷却的或非冷却的带通滤光片(多个带通滤光片)，例如，检测器和滤光片都位于相机的杜瓦(dewar)中。这种系统的灵敏度限于单一类型的气体(或有限类型的气体)，这是由于例如不能用适用于不同类型气体的不同滤光片替换冷却的或非冷却的带通滤光片(多个带通滤光片)。
目前的光学气体成像(OGI)技术可以可视化石化工业设施中挥发性有机化合物(VOC)的泄漏。通常，这些排放气体的羽流由各种烷烃化合物和芳烃的混合物组成。当前的OGI技术利用高灵敏度的低温冷却相机，该相机受到调谐，通过使用在3.2μm和3.4μm之间的光谱带通滤光片来检测碳氢化合物气体，这些气体在3.2μm和3.4μm之间的光谱中具有吸收谱线。
由于某些化合物(如苯，其已被证明是致癌物)的有害性质，对于监管者和行业来说重要的是，不仅要检测气体泄漏，而且要知道它是具有高含量苯的气体羽流还是有害程度低得多的主要是烷烃混合物(如丙烷、丁烷等)的羽流。此外，甲烷是一种非常强的温室气体(GHG)，因此在许多情况下，确定检测到的气体羽流是否含有高含量的甲烷是很重要的。在本发明的附加实施例中，OGI技术可以分清在烟囱和火炬(flare)的排放羽流中二氧化硫、二氧化碳和一氧化碳。
发明概述
本发明的一个方面提供了一种对特定视场中的多种泄漏气体中的至少一种单独的气体化合物进行分类的方法，该方法包括：通过低温冷却检测器并且使用在至少n个滤光片中的第一滤光片，生成特定视图在与其中所述泄漏气体发射并且吸收电磁辐射的所述泄漏气体光谱带一致的第一光谱带中的第一光谱带图像；通过所述低温冷却检测器并且使用在所述至少n个滤光片中的第二滤光片，生成特定视图在与其中所述泄漏气体发射并且吸收电磁辐射的所述泄漏气体光谱带一致的第二光谱带中的第二光谱带图像；根据第一图像和第二图像，计算所述气体分别在所述第一滤光片和第二滤光片中的每个滤光片中的相对吸收响应；计算一组预定系数，其中，第一系数是相对于已知气体的预定已知浓度的第一气体化合物的积分光谱吸收响应和所述第一滤光片的透射率；第二系数是相对于所述已知气体的预定已知浓度的第二气体化合物的积分光谱吸收响应和所述第一滤光片的透射率；第三系数是相对于所述已知气体的预定已知浓度的第一气体化合物的光谱吸收响应和所述第二滤光片的所述透射率；并且第四系数是相对于所述已知气体的预定已知浓度的第二气体化合物的光谱吸收响应和所述第二滤光片的所述透射率；将所述相对吸收响应归一化为分别是所述第一滤光片的相对响应和所述第二滤光片的相对响应的总和；以及通过确定在所述第一滤光片上的纯相对响应和在第二滤光片上的纯相对响应，并且将每个响应与在所述第一滤光片和第二滤光片上观察到的相对响应进行比较，计算所述泄漏气体中的所述气体化合物或一组气体化合物的加权平均分子量。
本发明的另一方面提供了一种用于对特定视场中的多种泄漏气体中的至少一组气体化合物进行分类的方法，该方法包括：通过低温冷却检测器并且使用在至少n个滤光片中的第一滤光片，生成特定视图在与其中所述泄漏气体发射并且吸收电磁辐射的所述泄漏气体光谱带一致的第一光谱带中的第一光谱带图像；通过所述低温冷却检测器并且使用在所述至少n个滤光片中的第二滤光片，生成特定视图在与其中所述泄漏气体发射并且吸收电磁辐射的所述泄漏气体光谱带一致的第二光谱带中的第二光谱带图像；根据第一图像和第二图像，计算所述气体分别在所述第一滤光片和第二滤光片中的每个滤光片中的相对吸收响应；计算一组预定系数，其中，第一系数是相对于已知气体的预定已知浓度的第一气体的积分光谱吸收响应和所述第一滤光片的透射率；第二系数是相对于所述已知气体的预定已知浓度的第二气体的积分光谱吸收响应和所述第一滤光片的透射率；第三系数是相对于所述已知气体的预定已知浓度的第一气体的光谱吸收响应和所述第二滤光片的所述透射率；并且第四系数是相对于所述已知气体的预定已知浓度的第二气体的光谱吸收响应和所述第二滤光片的所述透射率；将所述相对吸收响应归一化为分别是所述第一滤光片的相对响应和第二滤光片的相对响应的总和；和通过确定在所述第一滤光片上的纯相对响应和在所述第二滤光片上的纯相对响应，并且将每个响应与在所述第一滤光片和第二滤光片上观察到的相对响应进行比较，计算所述泄漏气体中的所述气体或一组气体的加权平均分子量。
一种用于对特定视场中的多种泄漏气体中的至少一种单独的气体化合物以及一组气体化合物进行分类的方法，该方法包括：通过低温冷却检测器并且使用在至少n个滤光片中的第一滤光片，生成特定视图在与其中所述泄漏气体发射并且吸收电磁辐射的所述泄漏气体光谱带一致的第一光谱带中的第一光谱带图像；通过所述低温冷却检测器并且使用在所述至少n个滤光片中的第二滤光片，生成特定视图在与其中所述泄漏气体发射并且吸收电磁辐射的所述泄漏气体光谱带一致的第二光谱带中的第二光谱带图像；通过所述低温冷却检测器并且使用在所述至少n个滤光片中的第三滤光片，生成特定视图在与其中所述泄漏气体发射并且吸收电磁辐射的所述泄漏气体光谱带一致的第三光谱带中的第三光谱带图像；根据所述第一图像、第二图像和第三图像，计算所述气体化合物分别在所述第一滤光片、第二滤光片和第三滤光片中的每个滤光片中的相对吸收响应；计算一组预定系数，其中，第一系数是相对于已知气体的预定已知浓度的第一气体的积分光谱吸收响应和所述第一滤光片的透射率；第二系数是相对于所述已知气体的预定已知浓度的第二气体的积分光谱吸收响应和所述第一滤光片的透射率；第三系数是相对于所述已知气体的预定已知浓度的第三气体的光谱吸收响应和所述第一滤光片的所述透射率；并且第四系数是相对于所述已知气体的预定已知浓度的第一气体的光谱吸收响应和所述第二滤光片的所述透射率；其中，第五系数是相对于已知气体的预定已知浓度的所述第二气体化合物的积分光谱吸收响应和所述第二滤光片的透射率；第六系数是相对于所述已知气体的预定已知浓度的所述第三气体的积分光谱吸收响应和所述第二滤光片的透射率；第七系数是相对于所述已知气体的预定已知浓度的所述第一气体化合物的光谱吸收响应和所述第三滤光片的所述透射率；第八系数是相对于所述已知气体的预定已知浓度的所述第二气体化合物的光谱吸收响应和所述第三滤光片的所述透射率；第九系数是相对于所述已知气体的预定已知浓度的所述第三气体化合物的光谱吸收响应和所述第三滤光片的所述透射率；将所述相对吸收响应归一化为分别是所述第一滤光片的相对响应、所述第二滤光片的相对响应和所述第三滤光片的相对响应的总和；以及通过确定在所述第一滤光片上的纯相对响应、在所述第二滤光片上的纯相对响应和在所述第三滤光片上的纯相对响应，并且将每个响应与在所述第一滤光片、第二滤光片和第三滤光片上观察到的相对响应进行比较，计算所述泄漏气体中的所述气体化合物的和一组气体化合物的加权平均分子量。
本发明的这些、另外的和/或其他的方面和/或优点在随后的详细描述中进行阐述；能够从详细描述中推理得到；和/或通过本发明的实践可获知。
附图简述
为更好地理解本发明的实施例，并显示如何可以使其付诸实施，现在将仅以举例的方式参照附图，整个附图中相同的标号表示相应的元件或部分。
在附图中：
图1是根据本发明的一些实施例的用于对气体泄漏中的单独的气体化合物和/或一组化合物(例如，烷烃或芳烃或苯)进行分类的/或自动检测特定视场中的气体泄漏的系统的示意图；
图2是根据本发明的一些实施例的由系统的分类单元执行的用于对气体泄漏中的气体化合物或一组气体化合物进行分类的方法的流程图；
图3是根据本发明的一些实施例的EyeCgas标准透光片透射率曲线图以及甲烷和丙烷的吸光度光谱；
图4是根据本发明的一些实施例示出对于从1碳(甲烷)至8碳(辛烷)的8种直链烷烃的吸光度响应的曲线图；
图5是根据本发明的一些实施例示出全部烷烃对两个滤光片的相对响应的曲线图。
图6是根据本发明的一些实施例显示使用第三滤光片来分类苯的曲线图；
图7是根据本发明的一些实施例显示两种相邻烷烃在两个滤光片上的吸光度响应的曲线图；
图8是根据本发明的一些实施例显示两种烷烃(甲烷和辛烷)在两个滤光片上的吸光度响应的曲线图；
图9是根据本发明的一些实施例显示用于将苯与烷烃进行区分的、在两个滤光片上的吸光度响应的曲线图；并且
图10是根据本发明的一些实施例显示用于将苯与烷烃进行区分的、在两个滤光片上的吸光度响应的曲线图。
发明的详细描述
在下面的描述中，描述了本发明的各个方面。为了解释的目的，阐述了具体配置和细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，对本领域中的技术人员也将明显的是，本发明可以在没有本文中所提出的具体细节的情况下实践。此外，可以省略或简化众所周知的特征，以免模糊本发明。具体参考附图，要强调的是，所示的细节是通过举例的方式且仅仅是出于对本发明的说明性讨论的目的，并为了提供认为是本发明的原理和概念方面的最有用和容易理解的描述而呈现。在这点上，没有试图以比对本发明的基本理解所必须的细节更详细的程度来显示本发明的结构细节，结合附图的描述使得本领域技术人员明白，如何可以在实践中体现本发明的几种形式。
在详细说明本发明的至少一个实施例之前，应当理解本发明在其应用中不限于在下面描述中阐述的和在附图中示出的结构细节和部件布置。本发明可适用于可以以各种方式被实践或被实施的其他实施例以及所公开的实施例的组合。并且，应理解本文采用的措辞和术语是出于描述的目的而不应被看作是限制性的。
除非另有特别规定，如从下面的讨论明显的，应认识到，在整个说明书讨论中，利用术语例如“处理”、“计算(computing)”、“计算(calculating)”、“确定”、“增强”等指计算机或计算系统或类似的电子计算设备的动作和/或过程，这些设备操纵被表示为在计算系统的寄存器和/或存储器内的物理量(例如电子量)的数据和/或将表示为在计算系统的寄存器和/或存储器内的物理量(例如电子量)的数据转换成类似地被表示为在计算系统的存储器、寄存器或其它这样的信息存储、传输或显示设备内的物理量的其它数据。任何公开的模块或单元可以至少部分地由计算机处理器实现。
总体上，公开了在特定视场中对气体泄漏内的一组气体进行分类的系统和方法。该系统可以包括冷却检测器和光学器件，以及位于光学器件和检测器之间的至少两个可互换带通滤光片。第一带通滤光片透射与第一类泄漏气体光谱带一致的第一光谱带中的电磁辐射。第二带通滤光片仅透射与第二类泄漏气体光谱带一致的第二光谱带中的电磁辐射。该系统可以包括分类单元，该分类单元被布置成处理由冷却检测器生成的图像，从而基于其图像确定特定视场中泄漏气体的流量。此外，该系统可以包括检测单元，该检测单元被布置成基于交替生成的多个第一光谱带图像和多个第二光谱带图像来确定特定视场中的气体泄漏。
现在参考图1，图1是根据本发明的一些实施例的用于分类气体泄漏中的单个气体化合物或一组气体化合物和/或用于自动检测在特定视场中的气体泄漏的系统的示意图。
系统100可以包括成像单元110(例如，红外(IR)摄像机或静态相机)，其包括与检测器116相关联的光学器件114。光学器件114可以被布置成将电磁辐射聚焦到检测器116上和/或确保其电磁辐射的期望光路。在一些实施例中，检测器116是低温冷却热检测器(例如，由冷却组件111低温冷却)。检测器116可以被布置成在特定的光谱范围内操作(例如，检测电磁辐射)。在各种实施例中，检测器116被布置成在中波红外(IR)范围内操作(例如，检测3-5μm波长范围内的电磁辐射)和/或在长波IR范围内操作(例如，检测7-14μm波长范围内的电磁辐射)。检测器116可以被布置成基于检测到的电磁辐射生成特定视场的至少一个图像。在一些实施例中，特定视场包括泄漏气体的单个气体化合物或一组气体化合物。
在一些实施例中，基于泄漏气体的类型来确定检测器116的特定光谱带。例如，特定光谱带可以设置成范围在3-5μm波长之间，用于对泄漏气体(诸如，乙炔、乙烷、庚烷、氯化氢、异丁烷、异辛烷、异戊烷、辛烷和/或甲烷)进行分类。注意，基于例如泄漏的气体化合物或一组气体化合物的类型，可以将检测器116的特定光谱带设置为不同的值。
系统100可以包括滤光片组件120。滤光片组件120可以包括第一带通滤光片122。第一带通滤光片122可以是非冷却滤光片(例如，不经受任何热稳定手段的滤光片)，或者它可以是冷却滤光片(例如，经受冷却手段的滤光片)。第一带通滤光片122可以被布置成使范围在第一光谱带内的电磁辐射透射。可以基于泄漏气体的类型来确定第一光谱带。在一些实施例中，第一光谱带被设置成与其中泄漏气体发射和吸收电磁辐射的不透射(non-transparent)泄漏气体光谱带一致。
例如，如果泄漏气体是甲烷，则第一光谱带可以设置成在其中甲烷发射和吸收电磁辐射的范围在3.2-3.5μm(底到底(base to base)是3.2至3.5μm，即最小波长λ最小至λ最大)之间。在各种实施例中，泄漏气体具有几个光谱带，泄漏气体在该光谱带中发射或吸收电磁辐射，和/或第一光谱带被设置成与最佳泄漏气体光谱带一致。
滤光片组件120可以包括第二带通滤光片124。第二带通滤光片122可以是冷却滤光片，或者它可以是非冷却滤光片(例如，不经受任何温度稳定手段或者经受温度稳定手段的滤光片)。第二带通滤光片124可以被布置成使范围在第二光谱带内的电磁辐射透射。可以基于在第一带通滤光片122的第一光谱带和/或检测器116的特定光谱带中的至少一个光谱带来确定第二光谱带。在一些实施例中，第二光谱带被设置成与其中泄漏气体不发射或吸收电磁辐射的泄漏气体光谱带一致。例如，参考将甲烷作为泄漏气体的示例，第二光谱带可以设置成范围在3.3-3.7μm(底到底是3.3-3.7μm，即λ最小至λ最大)之间，其中烷烃基团的气体在此范围内是透射的(例如，不发射或吸收电磁辐射)。在一些实施例中，检测器116的特定光谱带包括第一带通滤光片122的第一光谱带和第二带通滤光片124的第二光谱带。例如，参考将烷烃作为气体的泄漏气体组的示例，检测器116的特定光谱带可以设置成范围在3-5μm之间，从而包括范围在3.2-3.5μm之间的第一光谱带和范围在3.3-3.7μm之间的第二光谱带。
滤光片组件120可以包括第三带通滤光片128。第三带通滤光片128可以是冷却滤光片，或者它可以是非冷却滤光片(例如，不经受任何温度稳定手段或者经受温度稳定手段的滤光片)。第三带通滤光片128可以被布置成使范围在第三光谱带内的电磁辐射透射。第三光谱带可以基于第一带通滤光片122的第一光谱带中的至少一个光谱带来确定，可以基于在第二带通滤光片124的第二光谱带和/或检测器116的特定光谱带中的至少一个光谱带来确定。在一些实施例中，第三光谱带被设置成与其中泄漏气体不发射或吸收电磁辐射的泄漏气体光谱带一致。例如，参考将苯作为泄漏气体的示例，第三光谱带可以设置成范围在3.1-3.4μm(底到底是3.1-3.4μm，即λ最小至λ最大)之间，含苯基团的气体在此范围内是透射的(例如，不发射或吸收电磁辐射)。在一些实施例中，检测器116的特定光谱带包括第一带通滤光片122的第一光谱带、第二带通滤光片124的第二光谱带和第三带通滤光片的第三光谱带。例如，参考将烷烃作为气体的泄漏气体组的示例，检测器116的特定光谱带可以设置在3-7μm之间的范围内，从而包括范围在3.2-3.5μm之间的第一光谱带、范围在3.3-3.7μm之间的第二光谱带和范围在3.1-3.4μm之间的第三光谱带。
滤光片组件120可以包括额外的带通滤光片(未示出)，多达n个滤光片。这些额外的带通滤光片可以是冷却滤光片，或者它们可以是非冷却滤光片(例如，不经受任何温度稳定手段或经受温度稳定手段的滤光片)。这些额外的带通滤光片可以被布置成透射范围在n个额外的光谱带内的电磁辐射。这些光谱带可以基于第一带通滤光片122的第一光谱带中的至少一个光谱带来确定，可以基于第二带通滤光片124的第二光谱带、基于第三带通滤光片128的第三光谱带、或者n个额外滤光片中的任何一个的光谱带和/或检测器116的特定光谱带来确定。在一些实施例中，检测器116的特定光谱带包括第一带通滤光片122的第一光谱带、第二带通滤光片124的第二光谱带、第三带通滤光片的第三光谱带和第n带通滤光片的第n光谱带。
在各种实施例中，第一光谱带和/或第二光谱带和/或第n光谱带可以被设置为在透明大气光谱带中，在该透明大气光谱带中，大气不发射或吸收辐射。在各种实施例中，进一步设置第一光谱带和/或第二光谱带和/或第n光谱带，使得检测器116能够通过其可以用于生成实时图像的方式将检测到的光子转换成光电子。
滤光片组件120可以包括滤光片切换机构126。滤光片切换机构126可以被布置成在第一带通滤光片122、第二带通滤光片124、第三带通滤光片128和额外的n个滤光片之间互换，从而将第一带通滤光片122或第二带通滤光片124或第三带通滤光片128或第n带通滤光片定位在检测器116(或杜瓦112)和光学器件114之间。在各种实施例中，滤光片切换机构126包括例如滑动(未示出)或枢转机构(例如，如图1所示)。
在各种实施例中，第一带通滤光片122和/或第二带通滤光片124和/或第三带通滤光片128和/或第n带通滤光片是可变的，例如，基于例如被检测和/或分类的泄漏气体的类型，可以用其他滤光片代替。
由滤光片(例如，第一带通滤光片122、第二带通滤光片124、第三带通滤光片128和n个额外的滤光片)透射到检测器(例如，检测器116)的电磁辐射可能没有聚焦。带通滤光片对由检测器生成的图像的空间分布可以具有高斯分布状的形式，并且可以包括低空间频率。滤光片的这种空间分布可能导致例如所生成图像的不均匀性。系统100可以包括过滤单元130，其被设置为将数字二维高通滤波应用于由检测器116生成的图像，从而对滤光片(例如，第一带通滤光片122、第二带通滤光片124、第三带通滤光片128等)在其图像中的空间分布进行过滤。
在最简单的实施例中，检测器116可以被布置成使用第一带通滤光片122生成第一光谱带中特定视场的至少一个第一光谱带图像。检测器116可以被布置成使用第二光谱带通滤光片124(例如，在例如通过滤光片切换机构126在第一光谱带通滤光片122和第二光谱带通滤光片124之间交换时)生成在第二光谱带中特定视场的至少一个第二光谱带图像。
在各种实施例中，检测器116可以被布置成使用第三和/或额外的带通滤光片生成第三和额外的光谱带的特定视场的至少第三和/或额外的光谱带图像。
在各种实施例中，在至少一个第一光谱带图像中的和/或至少一个第二光谱带图像中的每一个图像都是静止图像或视频图像之一。在一些实施例中，系统100是无源成像系统，其中在没有外部照明的情况下获取至少一个第一光谱带图像和至少一个第二光谱带图像。在一些实施例中，系统100可以是有源成像系统，其中利用外部照明获取至少一个第一光谱带图像和至少一个第二光谱带图像。
在实施例中，滤光片组件120可以包括第三带通滤光片128，甚至是包括第四和第五带通滤光片(未示出)。滤光片组件120可以包括滤光轮机构，该滤光轮机构能够使用多个不同的可互换窄带通光谱滤光片。在各种实施例中，这可以允许对泄漏气体羽流中的各种气体化合物进行分类。该分类可以包括检索2-3种气体的相对浓度，或者还可以包括验证复杂气体混合物中特定气体化合物的存在与否。在各种实施例中，滤光轮组件(其与适当的校准数据、计算算法和处理能力一起)的使用可用于实现气体羽流的成分的分类，例如检索混合物中分子的平均质量。
系统100可以包括非均匀性校正(NUC)和坏像素替换(BPR)单元135。在各种实施例中，NUC-BPR单元135被布置成对至少一个第一光谱带图像和/或至少一个第二光谱带图像和/或第三和额外的光谱带图像执行NUC和BPR。NUC和BPR可以被布置成例如减少由检测器116生成的至少一个第一光谱带图像中的和/或至少一个第二光谱带图像中的和/或第三和/或额外的光谱带图像中的噪声。
根据一些实施例，系统100包括分类单元140。分类单元140可以被布置成接收特定视场的至少一个第一光谱带图像，并接收特定视场的至少一个第二光谱带图像。在一些实施例中，分类单元140被布置成基于至少一个第一光谱带图像和至少一个第二光谱带图像来确定特定视场中泄漏气体的响应(例如，如下面参考图2所述)。在一些实施例中，分类单元140被布置成基于至少一个第一光谱带图像和至少一个第二光谱带图像来确定特定视场中泄漏气体的分类(例如，如下面参考图2所述)。
现在参考图2，图2是根据本发明的一些实施例的用于对气体泄漏中的气体化合物或一组气体化合物进行分类的和/或用于自动检测气体泄漏的系统(诸如系统100)的分类单元(诸如分类单元140)执行的方法的流程图。
分类单元140可以被布置成接收特定视场的至少一个第一光谱带图像，并接收特定视场的至少一个第二光谱带图像。在各种实施例中，分类单元140接收在(例如，由NUC-BPD单元135执行的)NUC和BPR之后的至少一个第一光谱带图像和/或至少一个第二光谱带图像(例如，如上参考图1所述)。
在一些实施例中，至少一个第一光谱带图像包括特定视场的多个时间序列第一光谱带图像和/或至少一个第二光谱带图像包括特定视场的多个时间序列第二光谱带图像。分类单元140还可以被布置成基于多个时间序列第一光谱带图像的相应像素值，针对至少一个第一光谱带图像的每个像素确定相应像素的平均值，和/或基于多个时间序列第二光谱带图像的相应像素值，针对至少一个第二光谱带图像的每个像素确定相应像素的平均值。其平均可以被布置成例如降低至少一个第一光谱带图像和至少一个第二光谱带图像中的噪声，从而提高其图像的信噪比(SNR)。
在一些实施例中，分类单元140被布置成执行至少一个第一光谱带图像相对于至少一个第二光谱带图像的配准。在一些实施例中，通过将至少一个第一光谱带图像与至少一个第二光谱带图像关联来执行配准。其配准可以被布置成校正至少一个第一光谱带图像相对于至少一个第二光谱带图像的偏移。偏移可能是由于例如系统100的位移和/或第一带通滤光片122和第二带通滤光片124之间的差异(例如，由于系统100的滤光片的不均匀性和/或滤光片之间的未对准)。
实施例1：烷烃混合物和纯苯的确定：
在许多情况下，泄漏气体羽流的成分是事先知道的。石化工业环境中检测到的大多数羽流是挥发性有机化合物(VOC)的复杂混合物，主要是烷烃。当烷烃是主要化合物时，本发明的实施例允许估计和计算羽流的分子量。本发明的某些实施例可以估计和/或计算混合物中的平均碳数(在1和8之间)。
在图3的曲线图中，显示了甲烷和丙烷的吸光度光谱。该曲线图是EyeCgas标准滤光片透射率，以及在1ppm m(百万分率)(1atm和250℃温度下)收集的甲烷和丙烷的吸光度光谱。滤光片清楚地将两种化合物分开，甲烷显示在第一滤光片上，丙烷显示在第二滤光片上。在实施例中，体积检测被归一化到丙烷，在其他实施例中，体积检测可以被归一化到其他气体，例如甲烷、乙烷等。
在图4的曲线图中，给出了对于从1碳甲烷到8碳辛烷的八种直链烷烃的以10为底数的吸收响应：甲烷(1碳，16g/mol)、乙烷(2碳，30g/mol)、丙烷(3碳，44g/mol)、丁烷(4碳，58g/mol)、戊烷(5碳，72g/mol)、己烷(6碳，86g/mol)和辛烷(8碳，114g/mol)。此外，还显示了苯吸收响应。所有这些都是在标准室温和压力条件下(25℃和1个大气压)在1ppm m浓度下测量的。
滤光片1的带通为3.2μm-3.5μm(底到底3.2-3.5)。
滤光片2的带通为3.3μm-3.7μm(底到底3.3-3.7)。
气体在两个滤光片中每一个滤光片中的相对响应可以使用处于由面积积分过程中波长处的透射率加权的气体吸光度曲线下的面积来计算。从图4中的吸收曲线图可以看出，所有烷烃都可以用两个滤光片检测到，但是苯只能在第一个滤光片上检测到(加黑曲线)。
通过方程1中给出的比率，针对每种化合物计算相对于甲烷的体积吸收(VARM)：
Figure BDA0002386172560000131
其中：
A化合物(λ)–对于相关化合物在每个波长处的吸光度值。
A甲烷(λ)-对于甲烷在每个波长处的吸光度值。
T滤光片(n,λ)-对于相机的第n个滤光片在每个波长处的透光率值。
λmin和λmax-分别是相机的滤光片的短边波长和长边波长(即，底到底)。
图5显示了比照碳数绘制的VARM。其中，曲线满足滤光片相对于彼此的比率为1。
对于烷烃，吸收响应(曲线下的面积)在两个滤光片中随分子尺寸单调增加，但在滤光片1中以慢得多的速率增加。这显示在图4中。另外，该区域的质心移动到更长的波长。
对于两个滤光片所有烷烃的相对响应(标准滤光片中归一化为甲烷(或任何其他气体)的计算面积)如下表给定：
Figure BDA0002386172560000132
Figure BDA0002386172560000141
苯曲线是唯一一种仅在第一个滤光片(滤光片122)上检测到响应的气体化合物，图左侧的粗线曲线。
假设相机观察到烷烃混合物的羽流(这在石化工业中非常典型)，每个滤光片中的相对响应信息针对计算平均碳数提供了足够的信息。在一些实施例中，用于计算平均碳数的可能方法是考虑两个滤光片上的极端纯相对响应(1个和8个碳，分别为甲烷和辛烷)，并将其与两个滤光片上观察到的相对响应进行比较。
如果在两个滤光片上都检测到泄漏，则计算对于两个滤光片的相对响应，并将其归一化于相对响应的总和。这种归一化在两个滤光片上提供了约束响应(r1,r2)，诸如r1+r2＝1。上述模型假设(作为代理(surrogate))烷烃混合物羽流仅由两种烷烃化合物(例如，甲烷和辛烷)组成，其可被表达如下：
Figure BDA0002386172560000142
其中，核心矩阵K中的每个元素是在滤光片上代理化合物的相对响应(归一化为矩阵中的随机元素)(2x2维；2种化合物，2个滤光片)。核心矩阵中的排(line)或行(row)代表两个滤光片(数字索引)，而列(column)代表两个边缘代理烷烃化合物(在该实施例中，索引m和o代表甲烷和辛烷，在其他实施例中，气体可以不同，例如乙烷、丙烷)。
给出检测到的羽流中的代理烷烃化合物的基本假设比例浓度，在本实施例中是分别用于甲烷和辛烷的Pm和Po，诸如Pm+Po＝1。系数a是归一化系数，用于将向量r中的分量的总和约束为一。
该模型可以针对两个极端成分的比例浓度求解，并且平均碳数
Figure BDA0002386172560000151
的估计和/或计算可以(对于该实施例)计算如下：
Figure BDA0002386172560000152
在实施例中，如果在滤光片2中没有检测到羽流，可以得出结论：羽流很可能由纯苯组成。
实施例2：混合物中苯的相对浓度：
如图6所示，本发明的某些实施例还能够通过添加波长在3.0μm-3.3μm(底到底)之间的第三滤光片，详述对于苯和烷烃的混合物的相对组成(例如，在30％是苯并且70％是烷烃的混合物中，
Figure BDA0002386172560000153
有3个测量值(3个滤光片中的向量r)，其用于制定3个方程，以求解3个未知数(向量P、两个烷烃混合物代理和苯)，如下所示：
Figure BDA0002386172560000154
如以上针对于2-滤光片的实施例，核心矩阵K中的每个元素是在滤光片上的气体化合物的相对响应(归一化于矩阵中的随机元素)(3×3维；3种化合物，3个滤光片)。核心矩阵中的排或行代表三个滤光片(数字索引)，而列代表三种化合物，两个边缘代理烷烃和苯。同样，在该实施例中，索引m、o和b用于甲烷、辛烷和苯。在其他实施例中，可以选择其他气体化合物。给出检测到的泄漏气体的羽流中的气体化合物的基本假设比例浓度，在本实施例中是分别用于甲烷、辛烷和苯的Pm、Po和Pb，诸如Pm+Po+Pb＝1。系数a是归一化系数，用于将向量r中的分量的总和约束为一。
实施例的算法的结果提供了在泄漏气体羽流中苯的体积分数和对于烷烃混合物的体积分数，其中烷烃混合物中估计的平均碳数可以计算为：
Figure BDA0002386172560000161
其中，Pm与Po之和归一化为一，以提供对于
Figure BDA0002386172560000162
计算的P'm.和P'o.。
实施例3：简单混合物的相对浓度：
在一些情况下，在检测到的泄漏羽流中只有几种化合物(这几种化合物在相同的光谱区域内同样受到吸收)是事先知道的。在这样的实施例中，2个或更多个滤光片(用于2种化合物的至少2个滤光片等)可以被设计用于滤光轮，以分清羽流中气体化合物的相对浓度。
在实施例中，数学公式类似于上述的代理化合物相对浓度分析，但是用于实际的气体化合物。在这种情况的实施例中，相对于二氧化碳和一氧化碳排放，是含有二氧化硫的烟囱或火炬排放。
使用两个不同滤光片的组合(在一些实施例中，这两个滤光片可以具有一些重叠的光谱透射区域)，本发明的实施例可以分清两种气体(这两种气体可以具有一些重叠的吸收光谱区域)的相对浓度。图7至图10中的曲线图显示了对于2种不同气体的吸收光谱以及2个不同滤光片的光谱透射率的四个示例。假设事先知道泄漏气体羽流主要由2种气体化合物组成，那么对于2个滤光片的相对响应数据可能足以计算两种化合物的相对浓度(单位是％)。
使用三个不同滤光片的组合(在一些实施例中，这三个滤光片可以具有一些重叠的光谱透射区域)，本发明的实施例可以分清三种气体化合物或三组气体化合物(这三种气体化合物或三组气体化合物可以具有一些重叠的吸收光谱区域)的相对浓度。在这种情况下，可以确定对于3种不同气体化合物的三种光谱以及3个不同滤光片的光谱透射率。假设事先知道泄漏气体羽流主要由三种气体化合物组成，那么三个滤光片的相对响应数据可能足以计算三种气体化合物的相对浓度(单位是％)。
使用n个不同滤光片的组合(在一些实施例中，这n个滤光片可以具有一些重叠的光谱透射区域)，本发明的实施例可以分清n种气体(这n种气体可以具有一些重叠的吸收光谱区域)的相对浓度。这将导致获得对于n种不同气体的吸收光谱以及n个不同滤光片的光谱透射率。假设事先已知泄漏气体羽流主要由n种气体化合物组成，那么对于n个滤光片的相对响应数据可能足以计算n种气体化合物的相对浓度(单位是％)和/或从多个泄漏气体中对单独的气体化合物或一组气体化合物进行分类。
以上参考根据本发明的实施例的方法和计算机程序产品的流程图图示和/或部分图(portion diagram)描述了本发明的各方面。将理解的是，可通过计算机程序指令实施流程图图示和/或部分图的每个部分，以及流程图图示和/或部分图中的分块的组合。这些计算机程序指令可被提供到通用计算机的、专用计算机的、或用于生产机器的其他可编程数据处理装置的处理器，使得经由计算机的或其他可编程数据处理装置的处理器执行的指令创建用于实现在流程图和/或部分图中或其中的部分中所特定的功能/行为。
这些计算机程序指令还可存储在计算机可读介质中，所述指令可指导计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备以特定方式起作用，以使存储在计算机可读介质中的指令产生制造的物品，其包括实施流程图和/或部分图的一个或更多个部分中所特定的功能/行为的指令。计算机可读程序指令还可被下载到计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备，以使将在计算机、其他可编程装置或其他设备上执行的一系列操作步骤产生计算机实现的过程，使得在计算机或其他可编程装置上执行的指令提供用于实施流程图和/或部分图的一个或更多个部分中特定的功能/行为的过程。
上述流程图和图解示出了根据本发明的各种实施例的方法和计算机程序产品的可能的实施方式的架构、功能和操作。在这点上，流程图或部分图中的每个部分可以代表代码的模块、片段或部分，代码包括一个或更多个用于实施特定的逻辑功能的可执行指令。还应当指出的是，在一些可选的实施方式中，在部分中指出的功能可以以在附图中指出的顺序以外的顺序发生。例如，连续示出的两个部分可实际上实质上同时被执行，或部分有时可以按相反的顺序执行，取决于所涉及的功能。还应当指出的是，部分图和/或流程图图示中的每个部分，以及部分图和/或流程图图示中的部分的组合，可以由进行指定功能或动作的基于专用硬件的系统、或专用硬件和计算机指令的组合来实施。
在上述描述中，实施例是本发明的示例或实施方式。“一个实施例”、“实施例”、“某些实施例”或“一些实施例”的各个出现不一定全部是指相同的实施例。尽管本发明的各种特征可以在单个实施例的上下文中进行描述，然而这些特征也可以单独地或以任何合适的组合提供。相反，尽管为了清楚起见，本发明可在本文中在分开的实施例的上下文中进行描述，然而本发明也可以在单个实施例中实现。本发明的某些实施例可以包括来自上述公开的不同实施例的特征，并且，某些实施例可以结合来自上述其它实施例的元素。本发明在特定实施例的上下文中对元素的公开不应被理解为将其使用限制在单独的特定实施例中。而且，应当理解，本发明可以以各种方式执行或实践，并且，本发明可以在与上述描述中阐述的实施例不同的某些实施例中实现。
本发明并不限于这些图或相应的描述。例如，流程不需要移动经过每个示出的框或状态，或按照与图示和描述完全相同的顺序移动。本文使用的技术和科学术语的含义是如本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义，除非另有规定。虽然本发明关于有限数量的实施例进行了描述，但是这些不应被解释为对本发明的范围的限制，而是应作为一些优选实施例的示例。其他可能的变化、修改和应用也落入本发明的范围内。相应地，本发明的范围不应被迄今为止已经描述的内容限定，而是由所附的权利要求及其法律等效物限定。

Claims (6)

1.一种用于对特定视场中的多种泄漏气体中的至少一种单独的气体化合物进行分类的方法，所述方法包括：
通过低温冷却检测器并且使用在至少n个滤光片中的第一滤光片，生成所述特定视场在第一光谱带中的第一光谱带图像，所述第一光谱带与其中所述泄漏气体发射并且吸收电磁辐射的所述泄漏气体光谱带一致；
通过所述低温冷却检测器并且使用在所述至少n个滤光片中的第二滤光片，生成所述特定视场在第二光谱带中的第二光谱带图像，所述第二光谱带与其中所述泄漏气体发射并且吸收电磁辐射的所述泄漏气体光谱带一致；
根据所述第一光谱带图像和所述第二光谱带图像，计算所述气体分别在所述第一滤光片和第二滤光片中的每个滤光片中的相对吸收响应；
计算一组预定系数，其中，第一系数是相对于已知气体的预定已知浓度的第一气体的积分光谱吸收响应和所述第一滤光片的透射率；第二系数是相对于所述已知气体的预定已知浓度的第二气体的积分光谱吸收响应和所述第一滤光片的透射率；第三系数是相对于所述已知气体的预定已知浓度的第一气体的光谱吸收响应和所述第二滤光片的所述透射率；并且第四系数是相对于所述已知气体的预定已知浓度的第二气体的光谱吸收响应和所述第二滤光片的所述透射率；
将所述相对吸收响应归一化为所述第一滤光片的相对响应和第二滤光片的相对响应的总和；以及
通过确定在所述第一滤光片上的纯相对响应和在所述第二滤光片上的纯相对响应，并且将每个响应与在所述第一滤光片和第二滤光片上观察到的相对响应进行比较，计算所述泄漏气体中的所述气体化合物的加权平均分子量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，计算所述气体化合物的相对响应包括：计算所述气体化合物相对于在甲烷、乙烷或丙烷之中的至少一项的体积吸收。
3.一种用于对特定视场中的多种泄漏气体中的至少一组气体化合物进行分类的方法，所述方法包括：
通过低温冷却检测器并且使用在至少n个滤光片中的第一滤光片，生成所述特定视场在第一光谱带中的第一光谱带图像，所述第一光谱带与其中所述泄漏气体发射并且吸收电磁辐射的所述泄漏气体光谱带一致；
通过所述低温冷却检测器并且使用在所述至少n个滤光片中的第二滤光片，生成所述特定视场在第二光谱带中的第二光谱带图像，所述第二光谱带与其中所述泄漏气体发射并且吸收电磁辐射的所述泄漏气体光谱带一致；
根据所述第一光谱带图像和所述第二光谱带图像，计算所述气体分别在所述第一滤光片和第二滤光片中的每个滤光片中的相对吸收响应；
计算一组预定系数，其中，第一系数是相对于已知气体的预定已知浓度的第一气体的积分光谱吸收响应和所述第一滤光片的透射率；第二系数是相对于所述已知气体的预定已知浓度的第二气体的积分光谱吸收响应和所述第一滤光片的透射率；第三系数是相对于所述已知气体的预定已知浓度的第一气体的光谱吸收响应和所述第二滤光片的所述透射率；并且第四系数是相对于所述已知气体的预定已知浓度的第二气体的光谱吸收响应和所述第二滤光片的所述透射率；
将所述相对吸收响应归一化为所述第一滤光片的相对响应和第二滤光片的相对响应的总和；和
通过确定在所述第一滤光片上的纯相对响应和在所述第二滤光片上的纯相对响应，并且将每个响应与在所述第一滤光片和第二滤光片上观察到的相对响应进行比较，计算所述泄漏气体中的所述气体或一组气体的加权平均分子量。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，计算一组气体化合物的相对响应包括：计算所述一组气体化合物相对于在甲烷、乙烷或丙烷之中的至少一项的体积吸收。
5.一种用于对特定视场中的多种泄漏气体中的至少一种单独的气体化合物以及一组气体化合物进行分类的方法，所述方法包括：
通过低温冷却检测器并且使用在至少n个滤光片中的第一滤光片，生成所述特定视场在第一光谱带中的第一光谱带图像，所述第一光谱带与其中所述泄漏气体发射并且吸收电磁辐射的所述泄漏气体光谱带一致；
通过所述低温冷却检测器并且使用在所述至少n个滤光片中的第二滤光片，生成所述特定视场在第二光谱带中的第二光谱带图像，所述第二光谱带与其中所述泄漏气体发射并且吸收电磁辐射的所述泄漏气体光谱带一致；
通过所述低温冷却检测器并且使用在所述至少n个滤光片中的第三滤光片，生成所述特定视场在第三光谱带中的第三光谱带图像，所述第三光谱带与其中所述泄漏气体发射并且吸收电磁辐射的所述泄漏气体光谱带一致；
根据所述第一光谱带图像、所述第二光谱带图像和所述第三光谱带图像，计算所述单独的气体化合物以及所述一组气体化合物分别在所述第一滤光片、第二滤光片和第三滤光片中的每个滤光片中的相对吸收响应；
计算一组预定系数，其中，第一系数是相对于已知气体的预定已知浓度的第一气体化合物的积分光谱吸收响应和所述第一滤光片的透射率；第二系数是相对于所述已知气体的预定已知浓度的第二气体化合物的积分光谱吸收响应和所述第一滤光片的透射率；第三系数是相对于所述已知气体的预定已知浓度的第三气体化合物的光谱吸收响应和所述第一滤光片的所述透射率；并且第四系数是相对于所述已知气体的预定已知浓度的第一气体化合物的光谱吸收响应和所述第二滤光片的所述透射率；其中，第五系数是相对于已知气体的预定已知浓度的所述第二气体化合物的积分光谱吸收响应和所述第二滤光片的透射率；第六系数是相对于所述已知气体的预定已知浓度的所述第三气体化合物的积分光谱吸收响应和所述第二滤光片的透射率；第七系数是相对于所述已知气体的预定已知浓度的所述第一气体化合物的光谱吸收响应和所述第三滤光片的所述透射率；第八系数是相对于所述已知气体的预定已知浓度的所述第二气体化合物的光谱吸收响应和所述第三滤光片的所述透射率；第九系数是相对于所述已知气体的预定已知浓度的所述第三气体化合物的光谱吸收响应和所述第三滤光片的所述透射率；
将所述相对吸收响应归一化为所述第一滤光片的相对响应、第二滤光片的相对响应和第三滤光片的相对响应的总和；以及
通过确定在所述第一滤光片上的纯相对响应、在所述第二滤光片上的纯相对响应和在所述第三滤光片上的纯相对响应，并且将每个响应与在所述第一滤光片、所述第二滤光片和所述第三滤光片上观察到的相对响应进行比较，计算所述泄漏气体中的所述气体化合物的和一组气体化合物的加权平均分子量。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，计算所述气体化合物的和一组所述气体化合物的相对响应包括：计算所述气体化合物或所述一组所述化合物相对于在甲烷、乙烷或丙烷之中的至少一项的体积吸收。
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