DE10157949A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Detektion von Gasleckagen - Google Patents

Abstract

Es werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Laserstrahlspektroskopie beschrieben, durch die bei vorübergehend statischer relativ zu einem zu inspizierenden Raumvolumen ausgerichteten Mess-Strecke Gasleckagen detektierbar sind.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Laserstrahl-Sende- und Empfangseinheit zur laserspektroskopischen Gasdetektion, ein Betriebsverfahren und deren Verwendung.
• Die Suche nach Gasleckagen wird derzeit hauptsächlich mit "in situ"-Messgeräten durchgeführt, wobei Gas am Punkt der Probenahme entnommen und in einer Messzelle analysiert wird. Erste Geräte die über mehrere Meter Distanz entlang eines Laserstrahles Gasleckagen detektieren können, werden in der Veröffentlichung - Takaya Iseki, Hideo Tai, Kiyoshi Kimura; A portable remote methane sensor using a tunable diode laser; Meas. Sci Technol. 11 (2000) 594-602 - beschrieben. Hier wird die Gasspezifische Infrarot-Absorption entlang des Laserstrahles genutzt. Die eine Mess-Strecke durchlaufende Strahlung wird vom Gerät detektiert und ausgewertet.
• Weiterhin sind Ablenkeinheiten für Laserstrahlen, die mit drehbar gelagerten Spiegeln ausgerüstet sind, bekannt. Meist wird die Ablenkung in zwei Richtungen (x, y) durch hintereinanderschalten von zwei Spiegeln erreicht. Dabei wird die Drehung der Spiegel elektromagnetisch durch Schrittmotoren oder Elektromagnete (Galvoscanner) erreicht. Für kleine Ablenkwinkel gibt es auch Spiegel, die sich um zwei Achsen drehen lassen, wobei der Antrieb wiederum meist elektromagnetisch erfolgt. Gemeinsames Merkmal aller Ablenkeinheiten ist, dass ein vorher kollimierter Lichtstrahl eine Ablenkung durch Reflexion an einem drehbar gelagerten Spiegel erfährt. Derartige Anordnungen sind aufwendig, nicht mobil und anfällig.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen womit bei vorübergehend statischer Messeinheit mittels eines gasdetektierenden Laserstrahles ein bestimmter Raumwinkel auf ein bestimmtes Gas analysiert werden kann.
• Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die entsprechenden Merkmalskombinationen der Ansprüche 1, 7, bzw. 9.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen entnommen werden.
• Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde mit einem bildgebenden Verfahren auf der Basis der Gasanalyse nach der Laserspektroskopie einen bestimmten Raumwinkelbereich periodisch abtasten zu können. Die Erfindung beschreibt eine Ablenkeinheit für den Laserstrahl, die sich für diesen Zweck eignet.
• Zur Gasdetektion werden Laserdioden eingesetzt, die Licht divergent emittieren mit einem Öffnungswinkel zwischen 20 und 50° (FWHM, Halbwertsbreite). Zur Kollimation eines Laserstrahles wird eine Sammellinse benötigt, deren Abstand von der Laserquelle der Brennweite der Linse entspricht. Eine Ablenkung des Laserstrahles erfolgt in einfacher Weise durch einer Verschiebung der Linse senkrecht zum Strahlengang. Bei periodischer Auslenkung der Linse in einer Ebene senkrecht zum Strahlengang wird mit dem entstehenden Strahlengang ein Raumwinkelbereich überstrichen, der zur winkelaufgelösten Absorptionsmessung herangezogen werden kann und somit die Grundlage für eine zweidimensionale Abbildung einer Gasleckage bzw. Gaswolke bildet.
• Im Gegensatz zu Laserprojektionssystemen spielt der Grad der Kollimation des abgelenkten Laserstrahles nicht die entscheidende Rolle, da mit der Visualisierung von Gasleckagen die Winkelauflösung zunächst eher moderat sein kann (Anzahl der Pixel im Bereich von > 10 × 10).
• Für den Antrieb der Linse bietet sich der elektromagnetische Antrieb an, aber auch jeder andere Antrieb der zu einer linearen Bewegung führt ist im Prinzip geeignet.
• Um eine ergebnislose Messung gegen den freien Himmel zu vermeiden muss eine reflektierende flächige Begrenzung die Mess- Strecke abschließen. Die Reflektion sollte diffus erfolgen. Dazu wird in einfacher und vorteilhafter Weise eine Gebäudewand herangezogen, die hinter einem zu analysierenden Raumvolumen oder einer Gasleitung vorhanden ist. Teilweise kann gegen den Boden oder den Untergrund gemessen werden. Falls in der Umgebung kein reflektierender Hintergrund vorhanden ist, muss dieser künstlich erzeugt werden, beispielsweise mit einer Projektionswand.
• Eine günstige Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet eine Mess-Strecke mit einer Länge von ca. 10 m.
• Im Folgenden werden anhand von schematischen, die Erfindung nicht einschränkenden Figuren Ausführungsbeispiele beschrieben:
• Fig. 1 zeigt eine Darstellung der Ablenkung eines Laserstrahles (3) durch laterales Verschieben einer Sammellinse,
• Fig. 2 zeigt eine Gasmess-Strecke mit Laserstrahlablenkeinheit für die Visualisierung von Gasleckagen und
• Fig. 3 zeigt eine Abbildung einer Gaswolke nach der Auswertung der orts- oder winkelaufgelösten Gasabsorption im Signal des reflektierten Lichtes.
• Die Eigenschaften der Laserdiode mit entsprechender Strahldivergenz in Verbindung mit den Eigenschaften einer Sammellinse lassen sich nutzen für die Laserstrahlablenkung. Die verringerte Güte der optischen Qualität gegenüber den konventionellen Verfahren kann für die Visualisierung von Gasleckagen in Kauf genommen werden.
• Ein erster Demonstrationsaufbau besteht aus einer Laserdiode und einer Linse mit einer Brennweite von ca. 5 mm. Zur Auslenkung der Linse wird ein elektromagnetischer Antrieb aus einem CD ROM Laufwerk verwendet. Dieser wird dort zur Justierung und Fokussierung des Laserstrahles verwendet. Eine solche Einheit erlaubt die Auslenkung der Linse um ca. 1 mm in zwei zur Laserstrahlung orthogonalen Richtungen. Damit wird eine Ablenkung des Laserstrahles von ±6° in beide Richtungen erreicht.
• Fig. 1 verdeutlicht lediglich das Prinzip der Laserstrahlablenkung.
• In Fig. 2 wird die Umgebung einer Gasleitung (4) inspiziert. An einer Leckage (6) tritt Gas aus, welches eine Gaswolke (7) bildet, die bei einer Messung erfasst werden soll. Aus der Position der Wolke (7) zur Gasleitung lässt sich auf den Ort der Leckage (6) schließen.
• Der Aufbau nach Fig. 2 beinhaltet ein Messfenster (5), eine Laserdiode (1) als Sendeeinheit, eine nicht ortsauflösende Empfangseinheit (11), eine vorgeschaltete Sammellinse (2) und eine Bildaufbereitung (13). Die Laserstrahlen (3,3a) werden durch die Sammellinse (2) zum Scannen über das Messfenster (5) abgelenkt. Auf der Ebene des Messfensters ergeben sich jeweils Beleuchtungs-Spots bzw. -Flecken (8), die durch die Laserstrahlung erzeugt werden. Die Fläche des Messfensters (5) wird mit einem rechtwinkeligen Raster vollständig abgetastet. Bei jedem Rasterpunkt ergibt eine Gasanalysemessung ein Mess-Signal, das eine bestimmte Gaskonzentration angibt. In der Bildaufbereitung (13) werden die jedem Punkt zugehörigen Signale zu einem Bild zusammengesetzt, dass die Szene entsprechend Fig. 2 wiedergibt. Zu beachten ist, dass die Gaskonzentrationswerte keine absoluten Werte darstellen, da das Messgas nicht homogen über den gesamten Abstand (A) der Mess-Strecke (12) vorhanden ist. In der Projektion der Wolke (7) auf das Messfenster (5) mit der Kantenlänge (B) bzw. bei der punktweisen aufeinanderfolgenden Abbildung in die Empfangseinheit (11) mit anschließender Bearbeitung in der Bildaufbereitung (13) wird im Wesentlichen die relative Lage der Wolke (7) zur Gasleitung (4) sichtbar. Die Darstellung erfolgt wie in Fig. 3 sichtbar. Ein vollständiges Bild einer Szene lässt sich in beispielsweise 10 Punkte mal 10 ms/Punkt = 1 Sekunde erstellen.
• Fig. 3 zeigt die Zeilen (9) und Spalten (10), die durch die aufeinanderfolgende Laserstrahlbeleuchtung des Messfensters (5) entsteht, wobei die Relation zu den Laserstrahlablenkrichtungen x und y angegeben ist.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Detektion von Gasleckagen bei der
eine Gasmess-Strecke (12) definiert ist durch eine abstimmbare Laserdiode (1) und eine Empfangseinheit (11) zur Gasdetektion einerseits und andererseits durch ein auf einer beabstandeten diffus reflektierenden Oberfläche bestimmtes Messfenster (5),
die Gasmess-Strecke (12) ein zu untersuchendes Raumvolumen enthält,
sich die Laserdiode (1) annähernd im Brennpunkt einer vorgeschalteten Sammellinse (2) befindet, die zur Strahlablenkung zweidimensional in einer zu der Laserstrahlung senkrecht ausgerichteten Ebene bewegbar ist,
die Sammellinse (2) derart ansteuerbar ist, dass die Laserstrahlung das Messfenster (5) seriell und rasterförmig mit jeweils einer Gasmessung an einem Rasterpunkt beleuchtet und
die jeweils vom Messfenster (5) zurückreflektierte Laserstrahlung über die Empfangseinheit (11) einer Bildaufbereitung (13) zuführbar ist, in der schrittweise ein Bild des Messfensters (5) mit ortsaufgelösten Gasabsorptionswerten erzeugbar ist.

2. Vorrichtung zur Detektion von Gasleckagen nach Anspruch 1, bei der die reflektierende Oberfläche eine Gebäudewand ist.

3. Vorrichtung zur Detektion von Gasleckagen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein an einem Rasterpunkt vorhandener Beleuchtungspunkt (8) einen endlichen Durchmesser aufweist.

4. Vorrichtung zur Detektion von Gasleckagen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein Messfenster (5) quadratisch ist und ca. 2 m Kantenlänge aufweist.

5. Vorrichtung zur Detektion von Gasleckagen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Abstand zwischen dem Messfenster und der Laserdiode (1) mit Empfangseinheit (11) ca. 10 m beträgt.

6. Vorrichtung zur Detektion von Gasleckagen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zur Bewegung der vorgeschalteten Sammellinse (2) ein elektromagnetischer Antrieb vorhanden ist.

7. Verfahren zur Detektion von Gasleckagen mit einer Vorrichtung entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem ein modulierter Laserstrahl (3) zur laserspektroskopischen Gasdetektion durch eine Gasmess-Strecke (12) geführt, von einem die Gasmess-Strecke begrenzenden reflektierenden flächig ausgebildeten Körper zurückreflektiert und von einer am Ort der Laserstrahlquelle vorhandenen Empfangseinheit aufgenommen wird, wobei der Laserstrahl zugleich bei ortsfester Laserstrahlquelle und Empfangseinheit mittels einer Strahlablenkeinheit ein auf dem Körper ausgebildetes Messfenster abtastet und an jedem Rasterpunkt eine Messung durchgeführt wird und die Position einer in der Gasmess-Strecke vorhandenen Gaswolke (7) bestimmt werden kann.

8. Verfahren zur Detektion von Gasleckagen nach Anspruch 7, bei dem im Messfenster 10 mal 10 Rasterpunkte abgetastet werden.

9. Verwendung einer Vorrichtung zur Detektion von Gasleckagen entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 6, zur Detektion von Methan, Propan bzw. Erdgas oder Raffineriegas.