DE10157949C2 - Vorrichtung und Verfahren zur Detektion von Gasleckagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Laserstrahl-Sende- und Empfangs­ einheit zur laserspektroskopischen Gasdetektion, ein Be­ triebsverfahren und deren Verwendung.

Die Suche nach Gasleckagen wird derzeit hauptsächlich mit 'in situ'-Messgeräten durchgeführt, wobei Gas am Punkt der Probe­ nahme entnommen und in einer Messzelle analysiert wird. Erste Geräte die über mehrere Meter Distanz entlang eines Laser­ strahles Gasleckagen detektieren können, werden in der Veröf­ fentlichung - Takaya Iseki, Hideo Tai, Kiyoshi Kimura; A por­ table remote methane sensor using a tunable diode laser; Meas. Sci Technol. 11 (2000) 594-602 - beschrieben. Hier wird die Gasspezifische Infrarot-Absorption entlang des Laser­ strahles genutzt. Die eine Mess-Strecke durchlaufende Strah­ lung 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 hinterein­ anderschalten von zwei Spiegeln erreicht. Dabei wird die Dre­ hung der Spiegel elektromagnetisch durch Schrittmotoren oder Elektromagnete (Galvoscanner) erreicht. Für kleine Ablenkwin­ kel gibt es auch Spiegel, die sich um zwei Achsen drehen las­ sen, wobei der Antrieb wiederum meist elektromagnetisch er­ folgt. Gemeinsames Merkmal aller Ablenkeinheiten ist, dass ein vorher kollimierter Lichtstrahl eine Ablenkung durch Re­ flexion an einem drehbar gelagerten Spiegel erfährt. Derarti­ ge Anordnungen sind aufwendig, nicht mobil und anfällig.

Aus der Zusammenfassung der japanischen Patentanmeldung JP 63214637 A ist eine Detektionsvorrichtung für eine Gasleckage bekannt. Ein in der Wellenlänge auf ein zu detektierendes Gas abgestimmtes Laserlicht wird durch eine Absorptionsstrecke geschickt, wobei die Intensität des Laserstrahls vor und nach der Absorptionsstrecke verglichen wird.

Die DE 195 35 720 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Anord­ nung zur Lokalisierung von Leckstellen. Ein unter Druck ste­ hendes Gasleitungssystem wird mit einem Testfluid beauf­ schlagt, welches bei einer Leckage aus dem Prüfobjekt aus­ tritt. Das Prüfobjekt wird mit einer abgestimmten Lichtquelle beleuchtet, so dass das Testfluid den fotoakustischen Effekt zeigt. Mittels eines Rückkoppelungskreises wird die Anwesen­ heit des Testfluids und die Position der Leckage detektiert.

In der DE 197 06 053 A1 wird eine Schaltanordnung zum Schal­ ten und Einkoppeln eines Lichtbündels in mindestens eine Aus­ gangsfaser beschrieben. Einem abgestrahlten Lichtbündel ist eine Strahlablenk- und Kollimationsoptik zugeordnet, die mit einer ein Stellelement aufweisenden Stelleinrichtung verbun­ den ist. Abhängig von einem Stellsignal verschiebt ein Stell­ element eine Eingangsfaser und eine Strahlablenk- und Kolli­ mationsoptik relativ zueinander, so dass das kollimierte Strahlenbündel in die mindestens eine Ausgangsfaser der Mehr­ zahl von Ausgangsfasern einkoppelbar ist.

In der DE 197 44 164 A1 wird ein bildgebendes Verfahren zur Detektion von Gasverteilungen in Echtzeit beschrieben. Hier wird zur Detektion von Methan eine Absorptionsstrecke zwi­ schen Infrarotstrahlungsquelle und Infrarotreflektor bis hin zur Infrarotkamera dargestellt, um bei vorgegebenen Lichtwel­ lenlängen bestimmte Zielgase zu detektieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen womit bei vorüber­ gehend 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 ent­ nommen werden.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde mit einem bildge­ benden Verfahren auf der Basis der Gasanalyse nach der Laser­ spektroskopie einen bestimmten Raumwinkelbereich periodisch abtasten zu können. Die Erfindung beschreibt eine Ablenkein­ heit für den Laserstrahl, die sich für diesen Zweck eignet.

Zur Gasdetektion werden Laserdioden eingesetzt, die Licht di­ vergent emittieren mit einem Öffnungswinkel zwischen 20 und 50° (FWHM, Halbwertsbreite). Zur Kollimation eines Laser­ strahles wird eine Sammellinse benötigt, deren Abstand von der Laserquelle der Brennweite der Linse entspricht. Eine Ab­ lenkung 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 Ab­ sorptionsmessung herangezogen werden kann und somit die Grundlage für eine zweidimensionale Abbildung einer Gaslecka­ ge bzw. Gaswolke bildet.

Im Gegensatz zu Laserprojektionssystemen spielt der Grad der Kollimation des abgelenkten Laserstrahles nicht die entschei­ dende 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 line­ aren Bewegung führt ist im Prinzip geeignet.

Um eine ergebnislose Messung gegen den freien Himmel zu ver­ meiden muss eine reflektierende flächige Begrenzung die Mess- Strecke abschließen. Die Reflektion sollte diffus erfolgen. Dazu wird in einfacher und vorteilhafter Weise eine Gebäude­ wand herangezogen, die hinter einem zu analysierenden Raumvo­ lumen oder einer Gasleitung vorhanden ist. Teilweise kann ge­ gen den Boden oder den Untergrund gemessen werden. Falls in der Umgebung kein reflektierender Hintergrund vorhanden ist, muss dieser künstlich erzeugt werden, beispielsweise mit ei­ ner 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 beschrie­ ben:

Fig. 1 zeigt eine Darstellung der Ablenkung eines Laser­ strahles (3) durch laterales Verschieben einer Sam­ mellinse,

Fig. 2 zeigt eine Gasmess-Strecke mit Laserstrahlablenk­ einheit für die Visualisierung von Gasleckagen und

Fig. 3 zeigt eine Abbildung einer Gaswolke nach der Aus­ wertung der orts- oder winkelaufgelösten Gasabsorp­ tion im Signal des reflektierten Lichtes.

Die Eigenschaften der Laserdiode mit entsprechender Strahldi­ vergenz in Verbindung mit den Eigenschaften einer Sammellinse lassen sich nutzen für die Laserstrahlablenkung. Die verrin­ gerte 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 Aus­ lenkung der Linse wird ein elektromagnetischer Antrieb aus einem CD ROM Laufwerk verwendet. Dieser wird dort zur Justie­ rung und Fokussierung des Laserstrahles verwendet. Eine sol­ che 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 Laserstrahlab­ lenkung.

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 abge­ tastet. Bei jedem Rasterpunkt ergibt eine Gasanalysemessung ein Mess-Signal, das eine bestimmte Gaskonzentration angibt. In der Bildaufbereitung (13) werden die jedem Punkt zugehöri­ gen 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 Emp­ fangseinheit (11) mit anschließender Bearbeitung in der Bild­ aufbereitung (13) wird im Wesentlichen die relative Lage der Wolke (7) zur Gasleitung (4) sichtbar. Die Darstellung er­ folgt 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 Laserstrahlablenk­ richtungen x und y angegeben ist.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Detektion von Gasleckagen bei der
eine Gasmess-Strecke (12) definiert ist durch eine ab­ stimmbare Laserdiode (1) und eine Empfangseinheit (11) zur Gasdetektion einerseits und andererseits durch ein auf ei­ ner beabstandeten diffus reflektierenden Oberfläche be­ stimmtes Messfenster (5),
die Gasmess-Strecke (12) ein zu untersuchendes Raumvolumen enthält,
sich die Laserdiode (1) annähernd im Brennpunkt einer vor­ geschalteten Sammellinse (2) befindet, die zur Strahlab­ lenkung zweidimensional in einer zu der Laserstrahlung senkrecht ausgerichteten Ebene bewegbar ist,
die Sammellinse (2) derart ansteuerbar ist, dass die La­ serstrahlung das Messfenster (5) seriell und rasterförmig mit jeweils einer Gasmessung an einem Rasterpunkt beleuch­ tet und
die jeweils vom Messfenster (5) zurückreflektierte Laser­ strahlung über die Empfangseinheit (11) einer Bildaufbe­ reitung (13) zuführbar ist, in der schrittweise ein Bild des Messfensters (5) mit ortsaufgelösten Gasabsorptions­ werten 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 Raster­ punkt 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 Empfangsein­ heit (11) ca. 10 m beträgt.

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

7. Verfahren zur Detektion von Gasleckagen, bei dem eine Vor­ richtung entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 6 verwen­ det wird, bei dem ein modulierter Laserstrahl (3) zur laserspektroskopischen Gasdetektion durch eine Gas­ mess-Strecke (12) geführt, von einem die Gasmess-Strecke begrenzenden diffus reflektierenden flächig ausgebildeten Körper zurückreflektiert und von einer am Ort der Laser­ strahlquelle vorhandenen Empfangseinheit aufgenommen wird, wobei der Laserstrahl zugleich bei ortsfester Laserstrahl­ quelle und Empfangseinheit mittels einer Strahlablenkein­ heit 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 Gaslecka­ gen entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 6, zur Detek­ tion von Methan, Propan bzw. Erdgas oder Raffineriegas.