了解光学气体成像定量
定量光学气体成像为石油天然气行业的运营商提供了改善工人安全，加强环境管理和提高运营成本效益的一种手段。
作者：Craig R O’Neill，FLIR
作为一种相对年轻的技术，定量光学气体成像 (qOGI) 正在迅速证明，该技术作为石油天然气行业运营商定量分析气体泄漏的一种手段，是有毒蒸汽分析仪和 Bacharach Hi Flow® Sampler 的可行替代技术。本文描述了 qOGI、其工作原理、应用，以及采用该技术所需的设备。本文还详细介绍了 qOGI 与替代泄漏定量技术的对比情况。
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什么是定量光学气体成像？
定量光学气体成像指的是利用光学气体成像（具体而言，指冷碳氢化合物 OGI）结合算法，对肉眼看不见的气体泄漏进行定量分析的能力。
这种泄漏是 OGI 热像仪通常能够可视化的泄漏。过去，OGI 热像仪仅限于定性分析，即能够表明发生了泄漏，但对于泄漏量的信息则显示很少。不过，现在，将现有的 OGI 热像仪和 qOGI 解决方案相结合，就可以以质量和体积泄漏率，以及单位路径长度浓度（ppm-m）为单位来对此类泄漏进行可视化和定量分析。
QOGI 与 替代技术
就功能而言，无论有毒蒸汽分析仪（TVA，通常称为“嗅探器”）还是 Bacharach Hi Flow® Sampler (BHFS) 都不能以质量泄漏率和体积泄漏率，以及单位路径长度浓度为单位定量显示各种气体的泄漏。TVA 可以提供浓度分析，但不能测量流量。BHFS 则能够测量流量和浓度。
TVA 和 BHFS 设备可以针对相同的泄漏提供不同的解释，具体取决于泄漏采样的位置和时间，以及设备的定位方式。这些设备的缺点是其功能造成的：它们只能提供及时的泄漏快照，而 qOGI 系统则能提供随时间推移的滚动平均泄漏率。
此外，TVA 和 BHFS 设备对气体检测人员可能面对的某些气体的定量分析能力有限。qOGI 系统则能够识别和定量分析 400 多种化合物。此外，由于 qOGI 系统能够分析 OGI 热像仪提供的记录，因此用户的系统分析可以得到视觉证据的佐证。没有其他技术能提供这样的佐证。
不过，检测人员的安全可能是 qOGI 的一大优势。想象一下，将 TVA 和 BHFS 设备的特点应用到难以监测
(DTM) 的设备——由于可能的泄漏源距离测量仪器太远，足以影响其定量分析。
在这种情况下，顶多可以竖起脚手架，寄希望于搭建成本不会太高或太耗费时间。这样，受安全带束缚并穿戴所有适当个人防护装备的检测人员必须攀爬至接近（在某些情况下，甚至是进入）泄漏气体羽流的危险位置，以实现对泄漏的定量分析。
在其他情况下，出于安全原因或缺乏操作空间，检测人员可能完全无法接近潜在的泄漏位置。
即使在更易接近的位置发现（或怀疑）存在泄漏，qOGI 系统在易用性方面也更出色。TVA 需要使用现场校准套件进行频繁校准，并且校准只对“当下”有效。
而 BHFS 则需要耗费大量人力来使用和维护。在使用时，要求检测人员尽可能用各种胶带和塑料对泄漏处进行密封，以获得准确的读数。虽然这些设备能达到很高的精度，但必须每周校准一次，并且每天进行验证。
同时还必须考虑环境状况对这些设备的影响。虽然 TVA 的读数可能受到湿度、温度和污染物的影响，但风的影响可能显著，因为该技术在测量泄漏时可能出现漏测（图 1）；BHFS 的环境局限取决于其特定的传感器；qOGI 系统的读数可能会受到温度（下文讨论）和风速的影响，而平板电脑的输入参数已将这些因素计入。
图 1 -风对有毒蒸汽分析仪 (TVA) 测量的不利影响
定量光学气体成像（QOGI）是如何工作的？
在不靠近气羽的情况下定量分析泄漏量的能力是 qOGI 和竞争技术之间的一大区别，也是 qOGI 的一大优势。在远处使用 OGI 热像仪时，有三个因素使热像仪能够实现气体的可视化（图 2）。
图 2 - 影响 OGI 热像仪气体图像的因素
红外 (IR) 吸收 — α(λ) — 首先，待检测气体的某个 IR 吸收峰必须与 OGI 热像仪的光谱窗口重叠。目前已经测出了近 400 种化合物的响应因子 (RF)；这些 RF 表示不同气体吸收能量的波长，用户可以据此评估某种化合物能否用特定的红外热像仪来成像。这些因子还可用于调整 qOGI 方法的结果，以便通过单一气体的单次校准来测量多种气体。
RF 还可以用来比较特定化合物与参考化学品的敏感度。例如，丙烷的 RF 为 1。如果另一种化合物的 RF 值为 0.3，则表明该化合物的敏感度是丙烷的 30%。如果化学品的 RF 小于 0.1，则在与参考化学品相同的条件下，OGI 热像仪很可能无法实现该化学品的可视化。
温差 — ΔT — 气羽和背景之间必须存在足够的温差。ΔT 越大，OGI 热像仪显示屏中的羽流就越明显。对 qOGI 而言，高 ΔT 值意味着更高的信噪比，测量数据也就更准确。
QOGI 用户要以不同的角度观察泄漏，以确保尽可能高的 ΔT。至少应该设法让气体泄漏附近的环境空气与图像背景的表观温度之间的温差达到 2°C。通常应把 ΔT 视为准确收集读数的重要因素。
气体泄漏图像，显示了气体从热背景（墙壁）移动到环境温度背景（围栏）过程中温差的影响
气体存在 — ɠ — 图像中必须存在浓度大于系统检出限的气体。
鉴于场景中必须存在足够的气体才能成像，qOGI 的功能是对其他两个因素 — α（λ）和 ΔT — 的影响进行标准化，以实现对存在的气体的定量分析。这种测量在不同的测量条件下是一致的（例如，即使由于测量条件不同而导致 ΔT 不同，相同的读数也会产生相同的结果）。
QOGI 可以产生两种类型的结果：
- 单位路径长度浓度，以像素级的 ppm-m 为单位，以及
- 质量或体积泄漏率（例如克/小时或升/分钟）。
图 3 - 不同单位路径长度浓度的丙烷示例
质量或体积泄漏率需要进一步的算法过程，以将像素级的测量值汇总成总体泄漏影响。该算法还将影响质量或体积泄漏率测量的距离和风力考虑在内。
qOGI 解决方案提供两种运行模式：实时使用和 Q 模式操作。
在现场（实时使用），您只需将加固型平板电脑 – 含待成像气体的定量分析所需的软件 – 直接连接到您的 FLIR OGI 热像仪（GF320、GFx320 或 GF620），即可立即开始对泄漏的实时图像进行定量分析。
FLIR GFx320 光学气体热像仪
在 Q 模式下，您可以将视频保存在热像仪中，以供以后使用。然后，您可以将文件下载到平板电脑上，以便事后定量分析泄漏。
平板电脑本身采用了现成的技术，是专门为 FLIR OGI 热像仪设计和制造的即插即用设备（现场使用期间用一根 USB 线连接该设备，在 Q 模式下操作时可以将热像仪的 SD 卡取出），并且无需定期校准。因此，现有的 OGI 热像仪用户可无缝实现 qOGI。
此外，平板电脑不会像经常暴露于有毒气体中的 TVA 和 BHFS 系统那样出现元件退化。虽然可以方便地获得 TVA 的替换组件，但自 2016 年以来，BHFS 设备已经不再生产。
最后，请注意，由于 qOGI 允许用户在定量过程中显示泄漏，因此移动可能不利影响其性能（与所有热像仪一样）。因此，用户必须用三脚架稳定放置热像仪。
结论
由于 qOGI 是一种年轻的技术，因此其使用并不存在美国监管促进因素，但其作为内部目的工具的优点很明显。事实上，
石油天然气行业的佼佼者已对该技术进行了现场测试2，探索了利用其对从上游 ICR 请求和储罐排放到 DTM LDAR 组件（下游），以及维护/可靠性监控等的全过程进行定量分析的可行性。
与替代气体定量方法相比，qOGI 除了在安全方面有明显优势外，还通过了 CONCAWE3 的严格第三方测试，证明比 TVA 等技术更方便、更迅速、更准确。qOGI 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。
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。
资源
1. http://docs.wixstatic.com/ugd/5922b2_fa557e034d654f54865a63902fb93d6e.pdf
2. http://docs.wixstatic.com/ugd/5922b2_0b8501e272274446a9aceda959ff5565.pdf
3. https://www.concawe.eu/wp-content/uploads/2017/01/rpt_17-2.pdf
有关光学气体成像的更多详情，请访问：www.FLIR.cn/ogi