DE102014213745A1 - Method for detecting a leak - Google Patents
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Abstract
Es werden ein Verfahren zum Erkennen einer Leckage (60) in einem Behälter (52) und ein solcher Behälter (52) mit einer Wärmekamera (54) zur Durchführung des Verfahrens vorgestellt. Mit der Wärmekamera (54) wird ein Wärmebild erfasst, anhand dessen auf eine Leckage (60) geschlossen werden kann.A method for detecting a leak (60) in a container (52) and such a container (52) with a thermal camera (54) for carrying out the method are presented. With the thermal camera (54), a thermal image is detected, based on which a leak (60) can be closed.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen einer Leckage und einen Behälter mit einer Einrichtung zum Erkennen einer Leckage.The invention relates to a method for detecting a leakage and a container having a device for detecting a leakage.
Stand der TechnikState of the art
Das vorgestellte Verfahren kommt in Verbindung mit Behältern bzw. Behältnissen zum Einsatz, in denen ein Medium, insbesondere ein Gas, enthalten oder geführt ist. Bei undichten Stellen in der Außenhaut bzw. -wand des Behälters, was als Leckage bezeichnet wird, kann das Medium austreten. Unter einer Leckage, die auch als Leck bezeichnet wird, ist dabei ein Loch bzw. eine Öffnung in einem Gegenstand, in diesem Fall einem Behälter, zu verstehen, durch das bzw. die Feststoffe, Gase und Flüssigkeiten ein- und austreten können. Der durch die Leckage verursachte Austritt kann zu Fehlfunktionen oder gar einem Ausfall des Gesamtsystems führen sowie zudem eine gefährliche Beeinträchtigung von Mensch und Umwelt in der Umgebung des Behälters mit sich bringen. Als ein Beispiel für ein System, bei dem eine Leckage erkannt werden sollte, wird hierin ein Brennstoffzellensystem betrachtet.The presented method is used in connection with containers or containers in which a medium, in particular a gas, is contained or guided. In leaks in the outer skin or wall of the container, which is referred to as leakage, the medium can escape. A leak, which is also referred to as a leak, is a hole or an opening in an object, in this case a container, to understand through which or solids, gases and liquids can enter and exit. The leak caused by leakage can lead to malfunction or even failure of the entire system and also bring a dangerous impact on people and the environment in the environment of the container. As an example of a system where leakage should be detected, a fuel cell system is considered herein.
Ein Brennstoffzellensystem besteht aus einer bspw. in Kraftfahrzeugen eingesetzten galvanischen Zelle (Brennstoffzelle), bei der die chemische Energie eines zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie gewandelt wird, sowie den dazu notwendigen Komponenten zur Zu- und Abführung der Reaktanten und Reaktionsprodukte, zur Temperierung und zur Steuerung und Überwachung. Dieses stellt somit ein Energiewandlersystem dar, bei dem in vielen Fällen Wasserstoff als Brennstoff verwendet wird, welcher mit Sauerstoff reagiert. Im Brennstoffzellensystem sind somit eine Vielzahl von Komponenten vorgesehen, in denen Wasserstoff gehalten und/oder geführt wird und die daher als Behälter im Sinne der Anmeldung zu sehen sind. Ein Austritt des Wasserstoffs aufgrund einer Leckage sollte vermieden werden, muss aber in jedem Fall umgehend erkannt werden, da Wasserstoff brennbar ist. A fuel cell system consists of an example used in motor vehicles galvanic cell (fuel cell), in which the chemical energy of a supplied fuel and an oxidizing agent is converted into electrical energy, and the necessary components for supply and removal of reactants and reaction products, for temperature control and for control and monitoring. This thus represents an energy conversion system in which hydrogen is used as fuel in many cases, which reacts with oxygen. In the fuel cell system, a plurality of components are thus provided in which hydrogen is held and / or guided and which therefore can be seen as a container in the sense of the application. A leakage of hydrogen due to leakage should be avoided, but must be recognized immediately in any case, since hydrogen is flammable.
Zur Messung der Wasserstofftemperatur in einem Brennstoffzellensystem werden gegenwärtig Sensoren verwendet, deren Temperaturfühler sich in direktem Kontakt mit dem Wasserstoffgas befinden. Dabei muss zum einen der Sensor wasserstoffverträglich sein und zum anderen muss die Verbindung zwischen Sensor und gasführender Leitung dicht sein.For measuring the hydrogen temperature in a fuel cell system, sensors are currently used whose temperature sensors are in direct contact with the hydrogen gas. On the one hand, the sensor must be compatible with hydrogen and, on the other hand, the connection between the sensor and the gas-carrying line must be tight.
Zu beachten ist, dass Wasserstoff mit vielen Materialien unverträglich ist und z. B. bei bestimmten Metallen zur Versprödung führt. Aufgrund der geringen Molekülgröße und Viskosität von Wasserstoff ist es konstruktiv äußerst schwierig, die Verbindungsstellen hinreichend dicht zu bekommen. Zudem kann Wasserstoff durch das Sensorgehäuse selbst entweichen.It should be noted that hydrogen is incompatible with many materials and z. B. leads to embrittlement of certain metals. Due to the small molecule size and viscosity of hydrogen, it is structurally extremely difficult to get the joints sufficiently dense. In addition, hydrogen can escape through the sensor housing itself.
Es besteht dabei zusätzlich die Gefahr, dass es durch Fertigungs- oder Einbaufehler zu einer sicherheitskritischen Freisetzung von Wasserstoff in die Umgebung kommen kann. Aufgrund dessen ist die Konstruktion und Fertigung eines verlässlichen, robusten und günstigen Temperatursensors sehr schwierig und teuer.In addition, there is the danger that manufacturing or installation errors can lead to a safety-critical release of hydrogen into the environment. Because of this, designing and manufacturing a reliable, robust and inexpensive temperature sensor is very difficult and expensive.
Zur Überprüfung der Leckage von Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem werden dagegen wasserstoffempfindliche Sensoren an einer möglichst weit oben im System liegenden Stelle plaziert. Bei einem Wasserstoffleck im System steigt der austretende Wasserstoff nach oben. Der Wasserstoffsensor kann dann den vorbeiströmenden Wasserstoff erkennen.In order to check the leakage of hydrogen in a fuel cell system, however, hydrogen-sensitive sensors are placed at a location as high as possible in the system. If there is a hydrogen leak in the system, the escaping hydrogen rises. The hydrogen sensor can then detect the passing hydrogen.
Die Sensoren zur Erkennung eines Wasserstofflecks sind ebenfalls sehr teuer. Außerdem können diese Wasserstoff nur genau am Sensorort feststellen. Strömt Wasserstoff am Erfassungsbereich des Sensors vorbei, wird er nicht detektiert. Die Erkennung findet außerdem um die Zeit verzögert statt, die das Gas benötigt, um vom Leck zum Sensor vorzudringen.The sensors for detecting a hydrogen leak are also very expensive. In addition, these hydrogen can only determine exactly at the sensor location. If hydrogen flows past the detection range of the sensor, it will not be detected. Detection also takes place by the time it takes the gas to progress from the leak to the sensor.
Die Druckschrift
Aus der Druckschrift
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Behälter gemäß Anspruch 9 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung. Hierin wird zudem die Verwendung einer Wärmebildkamera zum Erkennen eine Leckage in einem Behälter beschrieben.Against this background, a method with the features of claim 1 and a container according to claim 9 are presented. Embodiments result from the dependent claims and the description. It also describes the use of a thermal imaging camera to detect leakage in a container.
Der verwendete Sensor, in diesem Fall die Wärmebildkamera, erfasst gemäß dem vorgestellten Verfahren eine Temperaturänderung, insbesondere eine Verringerung der Temperatur, die aufgrund einer Leckage durch einen Austritt eines Gases aus einem Behälter heraus bedingt ist. The sensor used, in this case the thermal imaging camera, detects, according to the presented method, a change in temperature, in particular a reduction in the temperature, which is due to a leak due to an escape of a gas out of a container.
Unter einem Behälter wird hierin ein Gegenstand verstanden, der in seinem Inneren einen Hohlraum aufweist und dazu eingerichtet ist, den Inhalt im Innenraum von der Umgebung zu trennen. Hierzu ist der Behälter zumindest abschnittsweise dicht gegenüber dem Medium, das in diesem aufgenommen ist. Behälter werden dazu verwendet, um Gegenstände, bspw. Gase oder Flüssigkeiten, für eine bestimmte Zeit aufzunehmen. Der Behälter kann eine oder mehrere Öffnungen zur Zufuhr und Abfuhr der in diesem aufzunehmenden Gegenstände haben. Ein Behälter im Sinne dieser Anmeldung ist somit auch eine Leitung oder ein Rohr, durch das ein Medium, bspw. ein Gas, geleitet wird. Die Seitenwände des Rohrs verhindern ein Austreten des Mediums in diesem Bereich. A container is here understood to mean an article which has a cavity in its interior and is adapted to separate the contents in the interior from the environment. For this purpose, the container is at least partially tight against the medium which is accommodated in this. Containers are used to hold objects, such as gases or liquids for a certain time. The container may have one or more openings for the supply and removal of the objects to be accommodated therein. A container in the sense of this application is thus also a conduit or a pipe through which a medium, for example a gas, is passed. The sidewalls of the tube prevent leakage of the medium in this area.
Eine Wärmebildkamera, die auch als Infrarotkamera bezeichnet wird, ist ein bildgebendes Gerät, das Infrarotstrahlen empfängt und auswertet. Somit ist eine Wärmebildkamera dazu in der Lage, die für das menschliche Auge unsichtbare Wärmestrahlung im Infrarotbereich sichtbar zu machen.A thermal imaging camera, also known as an infrared camera, is an imaging device that receives and evaluates infrared rays. Thus, a thermal imaging camera is able to make visible to the human eye invisible heat radiation in the infrared range.
Das beschriebene neue Sensorprinzip arbeitet berührungslos und steht nicht in direktem Kontakt mit dem Wasserstoff. Aufwendige Konstruktionen zur Abdichtung und die Verwendung wasserstofffester Materialen sind daher nicht notwendig. Folglich erhöht sich die Sicherheit im Gesamtsystem, insbesondere da weniger potentielle Fehlerstellen gegeben sind. Außerdem kann der Sensor kostengünstiger gefertigt werden. Das Sensorprinzip ermöglicht in Ausgestaltung sowohl eine Messung der Wasserstofftemperatur als auch eine Erkennung eines Wasserstoffaustritts.The new sensor principle described works without contact and is not in direct contact with the hydrogen. Elaborate constructions for sealing and the use of hydrogen-resistant materials are therefore not necessary. Consequently, the security in the overall system increases, especially as there are fewer potential flaws. In addition, the sensor can be manufactured more cheaply. The sensor principle allows in design both a measurement of the hydrogen temperature and a detection of hydrogen leakage.
Bei dem vorgestellten Verfahren ist eine Wärmebildkamera auf einen Behälter oder ggf. ein Gesamtsystem, bspw. ein Brennstoffzellensystem bzw. eine Brennstoffzelle, gerichtet. Dabei umfasst das Gesamtsystem mindestens einen Behälter, in dem Gas, insbesondere Wasserstoff, enthalten ist. Die Temperatur der wasserstoffführenden Teile kann direkt gemessen werden. Durch softwareseitige Korrektur um die Wärmeaufnahme der verwendeten Materialen kann damit direkt auf die Temperatur des Wasserstoffes geschlossen werden. Der Austritt von Wasserstoff führt zu einer konzentrierten Temperaturänderung des Gases und damit der Umgebung im Bereich des Austritts. Austretender Wasserstoff kann auf diese Weise durch die Wärmebildkamera direkt erkannt werden. In the presented method, a thermal imaging camera is directed to a container or possibly an overall system, for example a fuel cell system or a fuel cell. In this case, the entire system comprises at least one container in which gas, in particular hydrogen, is contained. The temperature of the hydrogen-carrying parts can be measured directly. By software correction to the heat absorption of the materials used can thus be concluded directly on the temperature of the hydrogen. The escape of hydrogen leads to a concentrated temperature change of the gas and thus the environment in the region of the outlet. Leaking hydrogen can be detected directly in this way by the thermal imager.
Das Verfahren hat in Ausgestaltung zum einen den Vorteil, ausströmenden Wasserstoff überall im beobachteten System zu erkennen und nicht nur an einer Stelle. Zum anderen kann ein Wasserstoffaustritt frühzeitig direkt am Leck erkannt werden. Das System kann dann schneller reagieren und die austretende Wasserstoffmenge ist deutlich geringer als bei bisherigen Erkennungsmaßnahmen. Das vorgestellte Verfahren kann zudem auch verwendet werden, um generell das Austreten von unterschiedlichen Gasen zu detektieren. Voraussetzung dafür ist, dass das Gas eine Temperaturänderung durch Expansion erfährt. Dementsprechend kann zum Beispiel auch der Austritt von Methan als Bestandteil von Erdgas in CNG-Fahrzeugen detektiert werden. Falls in einem System mehrere unterschiedliche Gase geführt werden, ist auch eine Unterscheidung durch die unterschiedlichen Temperaturänderungen denkbar. On the one hand, the method has the advantage of detecting escaping hydrogen everywhere in the system under observation and not just at one point. On the other hand, a hydrogen leak can be detected early on the leak. The system can then react faster and the amount of hydrogen released is significantly lower than in previous detection measures. The presented method can also be used to detect the leakage of different gases in general. The prerequisite for this is that the gas undergoes a temperature change by expansion. Accordingly, for example, the leakage of methane as a component of natural gas in CNG vehicles can be detected. If several different gases are conducted in a system, it is also conceivable to distinguish them by the different temperature changes.
Tritt bspw. Gas A aus, sieht die Wärmebildkamera an der Austrittsstelle eine andere Temperatur als bei Gas B. Das System kann dann entsprechend reagieren. So ist denkbar, dass bei Austritt eines explosiven Gases eine entsprechende Notreaktion durchgeführt wird, wohingegen der Austritt eines ungefährlichen Gases lediglich zu einer Fehlermeldung führt und die Verfügbarkeit des Systems gegeben bleibt. Die ausgelöste Reaktion ist somit abhängig von der Art des austretenden Gases. Voraussetzung dafür ist, dass die beiden Gase zu unterschiedlichen Temperaturänderungen führen und dass der Unterschied dazwischen groß genug ist, um mit einer Wärmebildkamera detektiert zu werden, so dass eine ausreichende Trennschärfe gegeben ist.If, for example, gas A emerges, the thermal imaging camera at the exit point sees a different temperature than with gas B. The system can then react accordingly. Thus, it is conceivable that when an explosive gas exits a corresponding emergency reaction is carried out, whereas the escape of a harmless gas only leads to an error message and the availability of the system remains. The triggered reaction is thus dependent on the nature of the exiting gas. The prerequisite for this is that the two gases lead to different temperature changes and that the difference between them is large enough to be detected with a thermal imaging camera, so that a sufficient selectivity is given.
Ebenso ist eine unterschiedliche Reaktion der Steuereinheit denkbar, wenn das brennbare Gas an der Leckagestelle in Brand geraten ist, also eine starke Erwärmung erkannt wird.Likewise, a different reaction of the control unit is conceivable when the combustible gas has caught fire at the leakage point, so a strong warming is detected.
Das vorgestellte Verfahren ist grundsätzlich einsetzbar in Systemen, in denen Gase geführt werden, deren Temperatur sich durch Expansion ändert.The presented method is basically usable in systems in which gases are passed whose temperature changes by expansion.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the present invention.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Die Erfindung ist anhand einer Ausführungsform in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.The invention is illustrated schematically with reference to an embodiment in the drawings and will be described in detail below with reference to the drawing.
In
Es ist nunmehr Aufgabe, einen Austritt von Wasserstoff aus einem der Behälter
Bei der gezeigten Ausführung ist eine Wärmebildkamera
Grundsätzlich ist mindestens eine Wärmebildkamera vorgesehen, die zumindest ein Wärmebild aufnimmt. Eine Leckage kann dann anhand eines Wärmebilds erkannt werden, wenn ein Temperaturunterschied in einem Bereich, in dem die Leckage besteht, zu umliegenden Bereichen erkannt wird. Alternativ oder ergänzend kann eine Leckage auch anhand einer Reihe von insbesondere in zeitlicher Abfolge aufgenommener Wärmebilder erkannt werden. Die zeitliche Folge gestattet es zu erkennen, wenn es in einem Bereich, in dem eine Leckage vorliegt, im zeitlichen Rahmen der Aufnahme der Wärmebilder zu einer Temperaturänderung kommt.In principle, at least one thermal imaging camera is provided, which records at least one thermal image. Leakage can then be detected on the basis of a thermal image, if a temperature difference in an area in which the leak exists is detected to surrounding areas. Alternatively or additionally, a leak can also be detected by means of a series of thermal images recorded in particular in chronological sequence. The temporal sequence makes it possible to detect when there is a temperature change in an area in which there is a leak in the time frame of the recording of the thermal images.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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