DE19744164A1

DE19744164A1 - Bildgebendes Verfahren zur Detektion von Gasverteilungen in Echtheit

Info

Publication number: DE19744164A1
Application number: DE19744164A
Authority: DE
Inventors: Werner Gross; Hans Scheuerpflug; Oliver Schreer; Thomas Hierl; Max Prof Dr Schulz
Original assignee: ZAE Bayern Bayerisches Zentrum fuer Angewandte Energieforschung eV
Current assignee: ZAE Bayern Bayerisches Zentrum fuer Angewandte Energieforschung eV
Priority date: 1997-10-07
Filing date: 1997-10-07
Publication date: 1999-04-08

Description

Ziel

Die vorliegende Patentanmeldung betrifft eine Methode zum Nachweis von Gasverteilungen mit einem berührungsfreien, bildgebenden infrarotoptischen Verfahren. Mit diesem Verfahren ist es möglich, verschiedene Gasen wie z. B. das gefährliche oder gesundheitsschädliche Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff oder Methan zu detektieren und die Gasverteilungen in Echtzeit sichtbar zu machen. Am Beispiel von Methan wird erläutert, wie dieses Verfahren zur Auffindung von Leckagen in Erdgasleitungen eingesetzt werden kann.

Einleitung

Bei schadhaften in der Erde verlegten Erdgasleitungen strömt Erdgas, das zu 80% aus Methan besteht, in das Erdreich und von dort in die Atmosphäre. Bei asphaltierten oder gepflasterten Oberflächen gelangt das Erdgas durch Spalten und Risse an die Atmosphäre. Mit dem hier vorgestellten bildgebenden infrarotoptischen Verfahren wird das ausströmende Gas in Echtzeit sichtbar gemacht und der Bereich einer Leckstelle kann lokalisiert werden.

Beschreibung des Meßverfahrens

Die physikalische Grundlage des Verfahrens beruht auf der Eigenschaft verschiedener (im sichtbaren Wellenlängenbereich transparenter) Gase, bei typischen Spektrallinien im infraroten Wellenlängenbereich Strahlung zu absorbieren. Dies bedeutet, daß Infrarotstrahlung mit der Wellenlänge einer Absorptionsbande beim Durchdringen eines solchen Gases abgeschwächt wird. Die hier eingesetzte hochauflösende FPA-Infrarotkamera detektiert Strahlung im Wellenlängenbereich von 3-5 µm. Für den Nachweis von Methan wurde in die Kamera zusätzlich ein schmalbandiger Transmissionsfilter für eine Absorptionsbande des Methans bei 3,46 µm Wellenlänge eingebaut. Dadurch trägt nur Infrarotstrahlung genau dieser Wellenlänge zum Infrarotbild der Kamera bei und ermöglicht somit den spezifischen Nachweis von Methangas und die bildmäßige Darstellung der Gasverteilung ("Methan-Bild"). Zum Ausgleich der durch den Spektralfilter eingeschränkten Empfindlichkeitsbereichs der Infrarotkamera muß die zu analysierende Szene mit einer Infrarotstrahlungsquelle aktiv beleuchtet werden. Bei dem hier beschriebenen Meßverfahren wird dazu ein handelsüblicher Halogenstrahler verwendet, der einen Einsatz im Freien ohne besondere Sicherheitsmaß nahmen gestattet.

Der zu untersuchende Bereich wird mit dem Halogenstrahler ausgeleuchtet. Die IR-Kamera wird mit Blickwinkel von oben auf die beleuchtete Szene so abgeglichen, daß die Kamera ein homogenes Infrarotbild liefert. Dabei wirkt der Erdboden (oder ein anderer geeigneter Hintergrund) als Reflektor für die IR-Strahlung des Halogenstrahlers. Nach dem Abgleich zeigt das bildgebende System austretendes Methangas kontinuierlich und in Echtzeit als dynamische Strömung vor homogenem Hintergrund. In diesem "Methan-Film", in dem keine anderen störenden Bildkontraste vorhanden sind, wird aufgrund der schnellen Bilddarstellung in Echtzeit austretendes Methangas - auch in geringen Mengen - als sich bewegende, flackernde Flächen erkannt. Eine Zerstäubung von austretendem Gas (z. B. durch Windeinflüsse) wird in erster Ordnung durch die dann größeren Flächen und damit höheren Nachweisempfindlichkeit ausgeglichen. Die Anordnung von IR-Kamera und Halogenstrahler ist in Abb. 1 dargestellt.

Eine Möglichkeit die Nachweisempfindlichkeit des Verfahrens weiter zu steigern, besteht darin, statt des Erdbodens einen Infrarotreflektor (z. B. eine Metallplatte) zu verwenden, um die Reflexion der IR-Strahlung und damit die Meßgröße der IR-Kamera zu erhöhen, und 1 oder die IR-Strahlungsquelle so zu positionieren, daß sie über den IR-Reflektor von der IR-Kamera abgebildet wird (z. B. nahe der optischen Achse der IR-Kamera), um einen doppelten Durchgang der IR-Strahlung durch das absorbierende Gas und damit einen höheren Bildkontrast zu erhalten. Die Anordnung der Geräte für diese Variante zeigt Abb. 2. Der zu untersuchende Abschnitt befindet sich zwischen IR-Kamera und IR-Reflektor. Ebenso wie bei der oben beschriebenen ersten Variante wird die IR-Kamera auf die statische Szene, hier ist es der beleuchtete Spiegel, abgeglichen, so daß das System ein homogenes IR-Bild darstellt. Im ansonsten homogenen IR-Bild des Systems werden Methangasverteilungen in Echtzeit als Bildkontrast dargestellt. Vorteil dieser Variante ist es, daß bei einer Verschiebung des ganzen Systems (z. B. beim Freiland-Einsatz) der Abgleich auf den beleuchteten IR-Reflektor nur einmal erfolgen muß, wenn die relativen Positionen von Reflektor, Strahlungsquelle und IR-Kamera zueinander nur wenig verändert werden.

Mit letzterer, aber auch mit der zuerst beschriebenen Variante lassen sich aufgrund der Echtzeit-Darstellung des infrarotbildgebenden Systems in kurzer Zeit Stellen lokalisieren, aus denen Methangas auch in geringen Konzentrationen austritt. Der Einsatz im Freien ist bei ungünstiger Witterung (z. B. Wind, Regen) mit zusätzlichen Vorkehrungen (Wetterschutz) möglich. Eine Integration solcher Komponenten ist jedoch bei den hier beschriebenen Aufbauten kein Problem.

Die hohe Empfindlichkeit des Verfahrens beruht auf der Echtzeit-Darstellung der sich bewegenden Methangasverteilungen vor einem homogenen Hintergrund, der durch Abgleich des System erreicht wird, so daß zeitlich nicht veränderliche Teile einer Szene im homogenen IR-Bild nicht erscheinen. Das Verfahren ist dadurch besonders gut zur Erkennung zeitlich sich ändernder Methangasverteilungen aufgrund der Strömung von aus der Erdoberfläche austretenden Gases geeignet.

Gegenüber bekannten Verfahren [1][2][3] zeichnet sich das hier beschriebene Verfahren dadurch aus, daß als IR-Strahlungsquelle kein Laser erforderlich ist und das bildgebende System - nach dem oben beschriebenen Abgleich - bewegte Gasverteilungen kontinuierlich in Echtzeit und nicht nur als Einzelbilder in langsamer Folge darstellen kann. Während der Einsatz von IR-Lesern im Freien nicht unerhebliche Sicherheitsmaßnahmen erfordert, erleichtert die kontinuierliche Echtzeit-Darstellung der sich von der Leckstelle wegbewegenden Gasverteilungen das Auffinden des Ursprungs der Gasbewegung und damit der Bereiche von Leckstellen erheblich.

Der hohe Nutzen des hier beschriebenen Verfahrens für den praktischen Einsatz wird zudem noch dadurch unterstützt, daß sowohl das menschliche Auge als auch digitale Bildver arbeitungssystem (die direkt mit der volldigitalen IR-Kamera gekoppelt werden können) besonders sensibel auf bewegte Flächen sind.

Literatur

[1] Ljungberg, Kulp, McRae, "State-of-the-Art and Future Plans for IR Imaging of Gaseous Fugitive Emission", SPIE Proceedings AeroSense 97, Vol. 3061, Infrared Technology and Applications XXIII.
[2] Kulp, Powers, Kennedy, "Design of a Mid-IR Active Imaging System for Gas Detection using a Pulsed Laser Source", CLEO/QELS 96, paper CWB3, Anaheim, CA, 1996.
[3] Kanagawa, Ueda, Sumida, Nishio, "Flaminable Gas Imaging System using Infrared Absorption", Proceedings International Gas Research Conference 1995, Vol. 1, p. 539

Claims

1. Abbildendes infrarotoptisches Verfahren zum spezifischen Nachweis und zur Darstellung von Gasverteilungen in Echtzeit, gekennzeichnet dadurch, daß hierfür eine hochauflösende Infrarotkamera, ein schmalbandiger Spektralfilter, dessen Transmission auf spezifische Absorptionslinien der zu detektierenden Gase eingestellt ist, eine Halogenstrahlungsquelle zur aktiven Infrarot-Beleuchtung der Untersuchungsstelle und ein Infrarotreflektor verwendet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, um die Nachweisempfindlichkeit von Gasen zu erhöhen, gekennzeichnet dadurch, daß sich die Gasverteilungen zwischen Infrarotkamera und Infrarotreflektor befinden und die Infrarotkamera auf den mit dem Halogenstrahler beleuchteten Infrarotreflektor abgeglichen wird, so daß zeitlich nicht veränderliche Teile der Szene nicht zum Bildkontrast beitragen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, um die Nachweisempfindlichkeit von Gasen weiter zu erhöhen, gekennzeichnet dadurch, daß ein diffus reflektierender Infrarot-Reflektor (z. B. eine eloxierte Aluminiumplatte), verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 3: Konstruktion und Realisierung eines Meßplatzes, auf dem Infrarotkamera, Halogenstrahler und Spiegel angebracht sind, um Methan aus Lecks in Erdgasleitungen aufzuspüren.