KR101454007B1 - 누출 검출 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

제 2 물질의 물리적/화학적 변화를 검출하여 제 1 물질의 누출(40)을 검출하도록 적용되는 누출 검출기(1)가 제공된다. 이 누출 검출기는 양자 종속 레이저(5) 및 검출기(35)를 포함한다.
누출 검출기, 양자종속 레이저

Description

누출 검출 시스템 및 방법{Leak Detection System and Method}
본 발명은 누출 검출을 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 누출된 가스에 국한되지 않는 가스 누출 검출에 관한 것이다.
기상 물질(gaseous materials)을 취급하는 많은 산업에 있어서, 효율성의 향상 및 건강과 안전에 대한 요구들과 같은 고려사항들은 가스누출 검출 기술에 대한 필요성의 증가를 불러일으키고 있다. 부탄(butane)이 에어로졸 설비들과 천연 가스 수송관에서 라인들에 채워져 있는 경우같이 가스 누출이 치명적인 적용사례에서, 안전이 누출과 밀접한 관련성이 있음은 자명하다.
종래의 가스누출 검출기에서는, 누출 가스의 존재 여부 또는 농도가 광 이온화, 불꽃이온화, 광 음향 효과들 또는 적외선(IR) 흡수와 같은 다양한 기술들 중 하나에 의해서 직접적으로 검출 또는 측정되었다. 이러한 기술들은 몇 가지 단점을 갖는데, 그 중 하나가 사용되는 각 가스를 위한 전용 검출기의 생산 및 구매의 필요성이다. 게다가, 몇몇 가스들은 적외선을 강력하게 흡수하지 않거나 더 강력한 흡수 특성을 갖는 다른 물질들에 의해 가려진 영역에서 흡수가 일어나기 때문에 그 속성상 어떤 검출 기술들은 사용하기에 부적합하다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 제 2 가스 또는 증기의 물리적 특성의 변화를 검출하여 제 1 가스 또는 증기의 누출을 검출하도록 적용되고, 상기 제 2 가스 또는 증기의 상기 물리적 특성의 상기 변화를 검출하기 위한 센서를 포함하되, 상기 센서는 복사선 소스를 포함하며 상기 제 2 가스 또는 증기에 의한 복사선 흡수를 측정하기 위한 수단을 포함하는 누출 검출기가 제공된다.
물리적 특성은 농도 및/또는 압력 및/또는 적외선 흡수 또는 적외선 흡수 선모양의 변화와 같은 농도 또는 압력에 의존하는 특성들이 될 수 있다.
누출 검출기는 제 1 가스 또는 증기의 누출에 따른 치환(displacement)에 의해 유발되는 제 2 가스 또는 증기의 농도의 감소를 검출하여 제 1 가스 또는 증기의 누출을 검출하도록 배치될 수 있다.
예를 들어 유체 또는 다른 가스를 포함하는 도관을 에워싸는 가스의 농도를 감시함으로써, 상술한 에워싸는 가스들의 치환을 식별함으로써 도관으로부터의 유출들을 검출할 수 있다. 이는 간접적이지만, 매우 효과적인 누출 검출기술을 제공한다.
누출하는 물질을 직접 검출하는 대신에 치환을 검출하여 누출을 간접적으로 식별하는 것은 어떤 검출된 물질에 특정되기보다는 어떤 물질이든 상관없이 검출기가 어떠한 누출물질에 대해서도 감시가 가능 하다는 것을 포함한 몇 가지 장점을 제공한다. 이로써 센서 생산자들은 더 적은 수의 센서 타입들을 생산 또는 비축할 수 있으며 사용자들은 어떠한 물질들에 대해 각각 전용의 다수의 누출 검출기들을 하나의 다용도 누출 검출기로 대체할 수 있는 비용적 장점들을 갖는다.
제 2 가스 또는 증기의 검출은 그 농도를 측정하는 단계 또는 그 농도에 의존하는 특성을 감시하는 단계를 포함할 수 있다. 이 제 2 가스 또는 증기는 예를 들어 도관과 같은 용기 외부에 위치할 수 있다. 제 1 가스 또는 증기는 예를 들어 도관 같은 용기 안에 위치할 수 있다.
이 검출기는 누출이 발생할 때 제 1 가스 또는 증기에 의한 제 2 가스 또는 증기의 적어도 부분적 치환을 검출하도록 배치될 수 있다.
이 제 1 가스 또는 증기는 산소(Oxygen), 질소(Nitrogen), 천연가스(natural gas) 및 부탄(butane) 중 적어도 하나일 수 있다. 상술한 제 2 가스 또는 증기는 예를 들어 이산화탄소(carbon dioxide)일 수 있다.
본 발명이 구체화된 본 검출기의 사용은 상술한 물질들을 검출하기에 적합하지 않은 기술들을 사용하여 누출물질의 검출을 가능하게 한다. 예를 들면, 산소(Oxygen), 질소(Nitrogen) 및 헬륨(Helium)은 적외선 파장에서 흡수가 일어나지 않으며, 따라서 누출 센서들의 종래의 적외선 흡수에 의한 검출은 부적합하다. 그러나, 적외선 파장에서의 흡수가 강하게 일어나는 이산화탄소(carbon dioxide) 또는 물과 같은 대기 조성성분의 농도의 변화를 검출함으로써, 이러한 방식의 검출기는 적외선 흡수가 별로 일어나지 않거나 아예 일어나지 않는 물질들의 누출을 측정하는데 이용될 수 있다.
검출기가 적외선 파장을 흡수하는 물질의 누출을 검출하는데 사용되는 경우에도, 상술한 제 2 가스 또는 증기를 적절하게 선택하면 누출 물질에 의해 나타나는 것보다 더 강한 적외선 흡수를 가진 물질들의 검출이 가능하며, 이는 검출기의 감도를 증가시키기 위해서 이용될 수 있다. 또, 낮은 비용의 검출기 부품들이 사용될 수 있는 파장들에서 흡수를 일으키는 물질이 선택될 수 있다.
누출 검출기는 둘 또는 그 이상의 위치들에서의 누출을 감지하는 동작이 가능하도록 할 수 있다. 적어도 하나의 감지 위치는 누출 또는 잠재적 누출위치로부터 적어도 다른 감지위치에 비해 다른 거리가 될 수 있다. 상술한 누출 검출기는 제 1 위치에서의 제 2 가스 또는 증기의 농도에 따른 신호를 하나 또는 그 이상의 다른 위치에서의 제 2 가스 또는 증기의 농도에 따른 적어도 하나의 대응하는 신호와 비교함으로써 누출을 검출하도록 적용될 수 있다.
상술한 센서는 누출 검출기에 하나 또는 그 이상 포함될 수 있다. 이 센서는 복사선 소스로서 적외선 소스를 포함할 수 있다. 상술한 적외선 소스는 레이저, 바람직하게는 양자 종속(QC: Quantum cascade) 레이저, 그리고 가장 바람직하게는 펄스 양자 종속 레이저일 수 있다.
선택적으로 또는 부가적으로, 상술한 누출 검출기는 제 2 가스 또는 증기에 관한 적외선 흡수 선모양을 결정하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 흡수 선모양의 변화를 분석하여 누출을 검출하기 위한 수단이 더 제공될 수 있다.
펄스 양자 종속 레이저의 사용은 초고속 측정들의 수행을 가능하도록 한다. 치환물질의 취사선택은, 검출되기 위한 전술한 물질로 제한되는 대신에 값싸고 편리하게 이용할 수 있는 레이저들이 있는 파장들에서 흡수특성들을 갖는 측정물질들의 선택을 가능하게 한다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 제 2 가스 또는 증기에 의한 복사선의 흡수의 변화를 측정하거나 모니터링 해서 상기 제 2 가스 또는 증기의 적어도 물리적 특성의 변화를 검출하여 제 1 가스 또는 증기의 누출을 검출하는 단계를 포함하는 누출 검출 방법이 제공된다.
위의 검출되는 물리적 특성은 농도 및/또는 압력 및/또는 적외선 흡수 또는 적외선 흡수 선모양의 변화와 같이 농도 또는 압력에 의존하는 특성들이 될 수 있다.
상술한 방법은 가스 누출을 검출하는 방법이 될 수 있으며, 이 제 1 가스 또는 증기는 예를 들어 도관, 컨테이너 또는 탱크와 같은 용기 내에 위치할 수 있다. 제 2 가스 또는 증기는 용기의 밖에 위치할 수 있다. 누출의 식별은 적어도 제 1 가스 또는 증기에 의한 제 2 가스 또는 증기의 부분적 치환을 검출하는 단계를 수반할 수 있다.
상술한 방법은 적어도 둘 또는 그 이상의 위치들에서 제 2 가스 또는 증기의 농도를 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 누출의 검출은 제 1위치에서의 제 2 가스 또는 증기의 농도를 하나 또는 그 이상의 제 2 위치들에서의 제 2 가스 또는 증기의 농도와 비교하는 단계에 의할 수 있다. 적어도 하나의 감지위치는 누출 또는 잠재적인 누출지점으로부터 적어도 하나의 다른 감지위치에 비해 다른 거리를 가질 수 있다.
상술한 제 1 가스 또는 증기의 누출의 검출은 제 2 가스 또는 증기에 의한 하나 또는 그 이상의 적외선 파장에서의 복사선의 흡수를 측정하는 단계에 의할 수 있다. 상술한 측정은 레이저, 바람직하게는 양자 종속 레이저, 그리고 가장 바람직하게는 펄스식 처프(chirped) 양자 종속 레이저의 출력의 흡수를 측정하는 단계에 의할 수 있다.
인가된 펄스 각각은 150나노초보다 긴, 특히 200나노초보다 긴 지속시간을 가질 수 있다. 인가된 펄스 각각은 150 내지 300나노초, 바람직하게는 200 내지 300나노초 범위의 지속시간을 가질 수 있다. 이는 대략 60GHz의 튜닝 범위를 제공할 수 있다.
검출된 펄스 각각은 150나노초보다 긴, 특히 200나노초보다 긴 지속시간을 가질 수 있다. 검출된 펄스 각각은 150 내지 300나노초, 바람직하게는 200 내지 300나노초 범위의 지속시간을 가질 수 있다.
선택적으로 또는 부가적으로, 누출 검출은 제2 가스 또는 증기에 관한 적외선 흡수 선모양에서의 변화를 감시하는 단계에 의할 수 있다.
도 1은 누출 감지 시스템을 나타낸다.
본 발명은 누출 감지 시스템을 나타내는 도 1을 참고하여 단지 예시적으로 설명될 것이다.
도 1은 레이저(5)를 갖는 가스 누출 검출 시스템(1)을 나타낸다. 레이저(5)의 출력은 빔 분할기(20)에 의해 두 개의 빔들(10, 15)로 분리된다. 이 레이저(5)는 펄스 양자 종속(QC) 레이저이다. 양쪽의 빔들은 개방경로로 구성된 빛을 각 측정 지역들(25, 30)을 통해 검출기(35)로 전송한다. 누출지점 및 각 측정 지역 간의 거리는 달라야 한다. 상술한 검출기는 CCD, MCT 또는 CMOS 검출기와 같은, 관련 기술분야에서 공지된 어떤 적합한 검출기로도 될 수 있다.
적합한 어떤 레이저(5)든 사용될 수 있다. 그러나, 바람직한 실시예에서, 이 레이저는 WO03/087787에서 설명된 바와 같은 처프 양자 종속 레이저이다. 상술한 펄스 양자 종속 레이저에 의해 나타나는 파장 업-처프는 파장 스캔을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 이 파장 업-처프는 인가된 전류/전압 구동 펄스의 전체 지속시간 동안 발생하는 열 효과에 의해 유도된다.
양자 종속 레이저들의 경우, 파장 업-처프(up-chirp)는 연속되도록 나타내었다. 이 파장 업-처프는 시간에 대해 거의 선형적으로 될 수 있으며, 이는 전체 스펙트럼 영역이 각 개별적 또는 하나의 펄스에 기록되도록 한다. 이는 상술한 단일 펄스로부터 스펙트럼 요소들의 범위를 얻기 위해 상술한 검출된 펄스를 그 전체 길이를 따라 샘플링하는 단계를 수반한다. 이는, 더 빠른 측정들의 경우, 스펙트럼 전체 또는 주요한 부분들이 개별 펄스를 위해 측정될 수 있도록 한다. 반복된 측정들은 펄스당 오직 하나의 스펙트럼 요소가 측정될 수 있는 레이저를 이용하여 얻어지는 측정치들에 대해 주어진 측정시간 동안 증가한 노이즈 비율당 신호를 공급하도록 만들어질 수 있다. 전술한 초고속 측정들이 양자 종속 레이저로 수행 가능함에 따라, 근접 동시 측정이 각각의 측정지역들(25, 30)에서 수행될 수 있다. 이는 측정 대기의 부피 전체에서 발생하는 동질의 변화들로 인한 오차를 최소화한다.
레이저(5)는 물이나 이산화탄소와 같이 측정 지역들(25, 30)에서 나타나는 대기 조성성분들에 의해 즉시 흡수되는 파장을 출력하기 위해서 선택된다. 상술한 두 빔들(15, 20) 그리고 측정 구역들(25, 30)은 어떤 잠재적인 누출지점(40)에 관하여 다른 지역을 샘플링하도록 서로에 대해 치환된다. 이 측정 지역들(25, 30)은 잠재적 누출지점(들)과 각 측정 지역 간의 거리가 다르도록 잠재적인 누출지점에 관하여 비대칭으로 위치한다. 각각의 측정 지역(25, 30)으로부터 수집된 전송 스펙트럼은 검출기(35)에서 측정되고 하나의 스펙트럼이 다른 것들에 의해 감해지거나 나누어진다.
누출이 없는 경우, 자연 대기 혼합물과 결합하는 측정 지역들(25, 30)의 적합한 위치 설정 및 펄스 양자 종속 레이저들로서 가능한 상술한 초고속 측정은 각 측정 지역들(25, 30)에 대해 실질적으로 동일하거나 유사한 전송 스펙트럼들을 발생시킨다. 이는 상기 두 스펙트럼 간에 0 또는 0에 근접한 차이를 유발한다. 누출 발생시, 탈출 가스는 대기 조성성분들을 적어도 부분적으로 치환할 것이다. 이는 위 누출지점에서 더 가까운 측정 지역(30)에서의 대기 조성성분들이 상술한 누출지점으로부터 더 먼 측정 지역(25)의 대기 조성성분들보다 먼저 치환됨에 따라서 자연적 혼합물의 균형을 뒤엎는다. 그러므로 전술한 두 스펙트럼 간의 차이에 대한 응답의 발생은 누출의 발생의 명확한 징후로서의 역할을 한다.
누출을 검출하는 단계와 마찬가지로, 본 발명의 검출기는 누출비율을 측정할 수 있다. 이는 상술한 차이의 크기를 이용함으로써 가능하다. 실제로, 이 누출비율은 미리 저장된 눈금 데이터와의 차이의 크기를 참조함으로써 결정될 수 있다. 시스템이 상기 누출 물질들을 제외한 물질을 검출하기 때문에, 각각의 누출 물질들을 다시 재는 대신, 검출되는 대기 조성물질에 대한 하나의 눈금 데이터 세트가 사용될 수 있다.
위 설명들은 단지 예시적으로 이루어진 것이며 해당 기술분야의 당업자에게는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 변경이 가능함이 명백할 것이다. 예를 들면, 상기 측정 시스템은 두 개의 빔들(10, 15) 및 두 개의 측정 지역들(25, 30)을 갖는다고 설명하였으나, 세 개 또는 그 이상의 빔들과 측정 지역들이 사용될 수 있다. 또, 본 시스템은 하나의 레이저(5) 및 하나의 검출기(35)를 갖는다고 설명하였으나, 다수의 레이저 및/또는 검출기들이 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 검출 또는 감시되는 제 2 물질의 농도의 변화 대신에, 압력과 같은 제 2 물질의 다른 특성들이 검출 또는 감시될 수 있다. 압력의 증가는 상술한 누출과 관련된 압력 증가를 검출하기 위하여 감시되는 적외선 흡수 선모양의 변화를 가져온다. 대신에 화학적 변화들이 감시 또는 검출될 수 있다. 따라서 구체적인 실시예에 관한 위 설명은 단지 하나의 예시일 뿐이고 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 해당 기술분야의 당업자들에게, 설명된 본 동작에 대한 중대한 변화 없이 약간의 변경은 가능함이 자명하다.

Claims (25)

  1. 제 2 가스 또는 증기의 물리적 특성의 변화를 검출하여 제 1 가스 또는 증기의 누출을 검출하도록 적용되고, 상기 제 2 가스 또는 증기의 상기 물리적 특성의 상기 변화를 검출하기 위한 센서를 포함하되, 상기 센서는 복사선 소스를 포함하며 상기 제 2 가스 또는 증기에 의한 복사선 흡수를 측정하기 위한 수단을 포함하는 누출 검출기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출된 물리적 특성은 농도, 압력, 그리고 농도, 압력 또는, 농도 및 압력에 의존하는 특성 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 누출 검출기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 누출 검출기는 상기 제 1 가스 또는 증기의 누출로 인한 치환에 의해 발생한 상기 제 2 가스 또는 증기의 농도의 감소를 검출하여 상기 제 1 가스 또는 증기의 누출을 검출하도록 배열된 것을 특징으로 하는 누출 검출기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 가스 또는 증기는 용기 외부에 위치하고 상기 검출기는 용기 안으로부터의 상기 제 1 가스 또는 증기의 누출을 검출하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 누출 검출기.
  5. 삭제
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 가스 또는 증기는 물 또는 이산화탄소인 것을 특징으로 하는 누출 검출기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 가스 또는 증기는 산소, 질소, 헬륨, 천연 가스 및 부탄 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 누출 검출기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 누출 검출기는 둘 또는 그 이상의 위치들에서 누출을 감지하도록 동작할 수 있는 것을 특징으로 하는 누출 검출기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 누출 검출기는 제 1 위치에서의 상기 제 2 가스 또는 증기의 물리적 특성에 따른 신호를 하나 또는 그 이상의 다른 위치에서의 상기 제 2 가스 또는 증기의 물리적 특성에 따른 적어도 하나의 대응되는 신호와 비교함으로써 누출을 검출하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 누출 검출기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 센서는 상기 누출 검출기에 하나 또는 그 이상 포함되는 것을 특징으로 하는 누출 검출기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 센서는 상기 복사선 소스로서 적외선 소스를 포함하는 것을 특징으로 하는 누출 검출기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 복사선 소스는 양자 종속(QC) 레이저인 것을 특징으로 하는 누출 검출기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 레이저는 펄스식 처프 양자 종속(QC) 레이저인 것을 특징으로 하는 누출 검출기.
  14. 제 2 가스 또는 증기에 의한 복사선의 흡수의 변화를 측정하거나 모니터링 해서 상기 제 2 가스 또는 증기의 적어도 물리적 특성의 변화를 검출하여 제 1 가스 또는 증기의 누출을 검출하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 검출된 물리적 특성은 농도, 압력, 그리고 농도 또는 압력에 의존하는 특성 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 삭제
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 1 가스 또는 증기는 용기 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 2 가스 또는 증기는 상기 용기의 외부에 위치하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 1 가스 또는 증기에 의한 상기 제 2 가스 또는 증기의 적어도 부분적 치환을 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    둘 또는 그 이상의 위치에서 상기 제 2 가스 또는 증기의 물리적 특성을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    제 1 위치에서의 상기 제 2 가스 또는 증기의 물리적 특성을 하나 또는 그 이상의 제 2위치에서의 상기 제 2 가스 또는 증기의 물리적 특성과 비교하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 제 1 가스 또는 증기의 검출은 상기 제 2 가스 또는 증기의 흡수 특성들 또는 흡수 선모양의 변화를 측정 또는 감시하는 단계를 수반하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 흡수 특성들 또는 흡수 선모양은 하나 또는 그 이상의 적외선 파장들에서 측정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    양자 종속(QC) 레이저 출력의 흡수를 측정하는 단계를 수반하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 레이저는 펄스 양자 종속 레이저인 것을 특징으로 하는 방법.
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