十大问题：光学气体热像仪的气体泄漏定量
关于 FLIR 定量光学气体成像的常见问题，包括环境对使用的影响、监管问题以及即将迎来的技术改进。
作者：Craig R O’Neill，FLIR
本文探讨了围绕定量光学气体成像 (qOGI) 的常见问题和担忧。更具体地说，它回答了与使用FLIR 的 QL320平台相关的10个问题，该平台以加固型即插即用平板电脑的方式将新技术与 FLIR 现有的 GF320、GFx320 和GF620 OGI 热像仪相结合，以质量泄漏率、体积泄漏率或单位路径长度浓度为单位定量分析碳氢化合物气体泄漏。
本文的主题基于本系列的前一篇文章，该文章介绍了定量光学气体成像系统，并讨论了其功能以及相较于竞争技术的优势。
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定量光学气体成像目前是否用作监管执法工具？
目前在美国还不存在定量光学气体成像方法的监管促进因素。随着行业经营者努力成为对其运营所在地点的环境更负责的维护者，定量光学气体成像被用来进行现场研究，从而用于在内部确定排放，这样就使每个公司都可以自由地确定定量光学气体成像的好处并相应地进行部署。
定量光学气体成像方法是否经过了审查？
定量光学气体成像是一种新兴技术，自 2014 年以来一直处于开发中，已经过广泛的验证测试，包括已知释放率的盲测。部分已公开的测试结果包括：
- EPA 在三角研究园 (Research Triangle Park) 进行的甲烷和丙烷定量泄漏分析。
- 由石油天然气行业的佼佼者进行的一次现场试验，目的是将定量光学气体成像方法与 Bacharach Hi Flow® Sampler (BHFS) 对比。定量光学气体成像在数周的盲测中实现了 +/- 30% 的准确度，包括各种背景和环境条件下不同气体（包括产生的气体）的数十个测试点。
- 一项由欧洲的行业团体（包括在欧洲运营的大部分石油公司）进行的试验，专门研究与石油行业相关的环境问题。该研究得出的结论是，定量光学气体成像在结果准确性方面显著优于美国 EPA 的方法 21。
注：石油和天然行业的佼佼者，以及欧洲石油公司环境、健康与安全组织 (Concawe) 的这两项研究均得到了行业赞助。
FLIR QL320 要求选择一种气体来进行定量分析。如果气流中含有多种化合物怎么办？
值得一提的是，美国 EPA 的方法 21 也有这种限制；定量光学气体成像的亮点在于如何解决这种不确定性。
如果使用方法 21 的火焰电离检测器 (FID)，通常要先用纯净气体来校准设备，然后测量过程气流。气体的组成可以显著改变 FID 的响应，但通常这种误差可以被接受，即使会给方法 21 带来 200% 或更高的误差。大多数工厂不会针对每一种特定的过程气流校准其 FID（纠正措施）；他们只会接受浓度的测量数字（用纯净的校准气体测量而得）。方法 21 不提供回溯性调整结果的途径。
FLIR QL320 可轻松对气体混合物的结果进行更正，并可提高任务的灵活性。此外，这种更正是根本性的，也就是不依赖特定的工具（如 FID 和方法 21 那样）。FLIR QL320 允许用户在事后对混合气体进行调整，并且您的调整适用于任何特定日期或环境条件下，针对该过程气流的任何 FLIR QL320 结果。
FLIR QL320
环境因素对我的测量有何影响？
温差 (ΔT) 是影响精确定量光学气体成像的重要因素。气羽附近的环境温度与背景之间必须存在足够的温差。
在用三脚架上安装的 OGI 热像仪拍摄视频时，QL320 用户必须确保尽可能高的 ΔT。至少应该设法让气体泄漏附近的环境空气与图像中的背景表观温度之间的温差达到 2°C。
风力在大多数情况下不会不利影响定量光学气体成像的精度。如果没有风，泄漏的气体无法可靠地向一个方向流动，导致气体“聚集”。相反，强风（例如，大于15 MPH 左右）则会带来挑战，因为风会非常迅速地将气体从释放点吹走。尽管如此，大多数气体泄漏发生在可接受的风速范围内，或者在有遮挡或部分遮挡的位置发生。
在 FLIR QL320 中，风的输入分为三种级别（平静、正常和高）。在较高风速下，结果更为一致（不会发生气羽聚集）。精度度在 30% 到 40% 之间。
湿度对系统的测量能力没有任何影响。
用 FLIR QL320 能够成功定量分析的最小和最大泄漏量是多少？
能够定量分析的最小泄漏量是 ΔT（气体附近的环境温度和背景之间）、待成像化合物和风速的函数。FLIR 的 QL320 系统已经证明，在 ΔT 为 5°C 且风速适中的情况下，可定量分析最低 100 scc/min 的丙烷泄漏和 300 scc/min 的甲烷泄漏。
一条可靠的一般规律是：只要能在正常模式下观察到泄漏，系统就很可能可以定量分析。如果必须用高灵敏度模式才能观察到泄漏，则 FLIR QL320 可能难以准确定量分析。
至于最大泄漏率，当前型号用丙烷校准的范围是 0.1 l/min 至 30 l/min。我们可以安全地将范围扩大到校准范围的 2 倍或 3 倍，即从 100 cc/min 到 100 l/min（对于丙烷）。对于甲烷，相应的边界为 300 cc/min 至 300 l/min。
FLIR QL320 简化了气体排放的可视化和测量
要能够反复准确地采用定量光学气体成像方法，距离泄漏源的距离最大不能超过多少？
FLIR QL320 的距离和视场角 (FOV) 取决于所使用的镜头。不同镜头的距离如下：
- 23 mm（24 度 FOV）：5 至 54 英尺
- 38 mm（14.5 度 FOV）：8 至 90 英尺
- 92 mm（6 度 FOV）：20 至 210 英尺
总距离影响定量分析结果的可重复性和准确性（类似于用热像仪测量温度），因为在从较远距离外计算气体泄漏浓度长度时，能够使用的像素较少。因此，在较远距离外使用 FLIR QL320 时，你会注意到羽流提取圈要小得多。
如果我在危险场所工作，并且无法在现场将热像仪连接到 FLIR QL320，应该怎么办？
FLIR QL320 新增了一项功能：Q 模式。该模式最初是为 FLIR GFx320 设计的，在不连接 FLIR QL320 时，该型号适用于 Class 1，Division 2 危险场所。在 Q 模式下，可以将泄漏的视频序列直接保存到热像仪的 SD 卡中，随后在远离危险场所的 FLIR QL320 中进行处理。
不过，更好的做法还是在现场使用直接与热像仪连接的 FLIR QL320，原因如下：
- 可以马上知道背景温度 (ΔT) 是否足够
- 在泄漏严重的情况下实时获取数据，以便知道是否需要立即采取行动
- 可以在现场使用 FLIR QL320 所提供的各种功能，包括手动灵敏度调节、缺口边界和可变时间间隔（1 秒、5 秒；60 秒），以及实时确定泄漏率单位选择
定量光学气体成像方法目前存在哪些局限？
目前的定量光学气体成像方法专为点释放而设计。对于大面积、扩散性释放，例如存贮池或大型罐体密封件处的释放，用这种方法可能难以定量分析。
极大的泄漏率和极高的出口速度可能会被低估。高泄漏率可能会导致图像出现一定程度的饱和，这样往往会低估泄漏率。如果出口速度很高，则羽流的移动可能不足以观测到其后的背景（在计算ΔT 时需要）。
定量光学气体成像方法应如何改进？
光学气体成像行业正在向着定量的方向演进，而 FLIR 正在促进这一新兴领域的发展。以下是 FLIR QL320 的一些全新改进和新功能：
- 在气羽处叠加色彩
- 提供以单位路径长度上的浓度衡量泄漏率的功能 (ppm-m)
- 能够在羽流的提取边界上创建多个“缺口”
- 可在单幅图像快照上叠加泄漏率
- 带视频叠加的泄漏率（滚动平均值）
改进的 FLIR QL320 接口
单位路径长度浓度读数 (PPM-M) 与从嗅探器获得的基本浓度读数 (PPM) 有何不同？
QL320 可显示“单位路径长度浓度”，即每米路径长度的“百万分之一”(ppm) 浓度值。此路径长度假设泄漏深度为一米。如果用 X、Y、Z 轴来表示，这一“米”的路径长度指羽流的“Z”轴（深度），而不是“X”或“Y”（水平或垂直）轴。根据定义，该读数假设所观测到的泄漏深度为一米（从初始泄漏直接到热像仪位置）。
如果深度已知（或可以估计），则可以用 ppm-m 值除以深度来计算沿整个深度的平均 ppm 值。例如，如果 QL320 的读数为 1,000 ppm-m，并且羽流深度的估计值为 10 cm（0.1 m），则该 10 cm 深气羽的平均浓度为 10,000 ppm (1,000 ppm-m/0.1 m)。
嗅探器或其他以 ppm 表示数据的装置从单个点的空气分子样本中获取读数，因此不需要路径长度读数。TVA 设备的局限性还体现在，这种设备只有在直接指向泄漏处时才能测量泄漏，这样就更具挑战性，因为该技术无法实现气体泄漏的可视化。
结论
定量光学气体成像有效、准确、方便。其优点正在逐渐显现，其技术性能在不断改进。定量光学气体成像与替代气体定量方法相比，除了在安全方面有明显优势外，作为 OGI 热像仪的辅助设备，还具有成本效益，并使石油和天然气运营商在其运营所在社区展现出环保意识方面的前瞻性思维优势。
FLIR QL320 平台不仅可在现场实现定量光学气体成像，还有可能利用 Q 模式下的功能并结合平板电脑，在扫描后（后处理能力）实现定量光学气体成像。
关于作者
Craig R O’Neill 在 FLIR 工作已超过 17 年，自 2005 年 6 月商用光学气体成像仪推出以来，他一直积极关注 OGI 市场。目前，他负责光学气体成像业务线的全球业务，以及 FLIR 在石油和天然气行业解决方案领域的战略。在这个职位上，他是客户、行业利益相关者、战略合作伙伴和 FLIR 仪器事业部诸多垂直整合方面（包括销售、营销、工程设计和产品管理）的纽带。他的目标是确保 FLIR 齐心协力，提供满足石油和天然气行业需求的传感解决方案。
关于 FLIR SYSTEMS, INC.
FLIR Systems 创建于 1978 年，总部位于俄勒冈州威尔逊维尔，是一家增强感知和提升意识的传感器系统制造商，这些系统可以为挽救生命、提高生产效率和保护环境提供帮助。通过近 3,500 名员工的共同努力，FLIR 愿景是利用热成像和邻近技术为安全监督、环境情况监控、户外娱乐、机器视觉、导航和高级威胁检测提供创新的智能解决方案，从而成为“世界的第六感”。更多详情，敬请访问FLIR官网www.flir.cn。
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