Infraröd öppen-väg detektor

gasdetektorer med öppen bana skickar ut en stråle av infrarött ljus och detekterar gas var som helst längs strålens väg. Denna linjära "sensor" är vanligtvis några meter upp till några hundra meter lång. Öppna-vägsdetektorer kan kontrasteras med infraröda punktsensorer .

De används i stor utsträckning inom petroleum- och petrokemisk industri, mest för att uppnå mycket snabb gasläckagedetektering för brandfarliga gaser vid koncentrationer som är jämförbara med den nedre brandfarlighetsgränsen (vanligtvis några volymprocent). De används också, men än så länge i mindre omfattning, i andra industrier där brandfarliga koncentrationer kan förekomma, såsom vid kolbrytning och vattenrening . Tekniken kan i princip även användas för att detektera giftiga gaser, till exempel svavelväte , i nödvändiga miljondelar, men de tekniska svårigheterna har hittills förhindrat en utbredd användning av giftiga gaser.

Vanligtvis finns det separata sändar- och mottagarenheter i vardera änden av en rak strålbana. Alternativt kombineras källan och mottagaren, och strålen studsar av en retroreflektor längst ut på mätbanan. För portabel användning har det även gjorts detektorer som använder den naturliga albedo för omgivande föremål i stället för retroreflektorn. Närvaron av en vald gas (eller klass av gaser) detekteras från dess absorption av en lämplig infraröd våglängd i strålen. Regn, dimma etc. i mätbanan kan också minska styrkan på den mottagna signalen, så det är vanligt att göra en samtidig mätning vid en eller flera referensvåglängder. Mängden gas som fångas upp av strålen härleds sedan från förhållandet mellan signalförlusterna vid mät- och referensvåglängderna. Beräkningen utförs vanligtvis av en mikroprocessor som också utför olika kontroller för att validera mätningen och förhindra falsklarm.

Den uppmätta kvantiteten är summan av all gas längs strålens bana, ibland kallad gasens banintegralkoncentration . Således har mätningen en naturlig förspänning (önskvärt i många tillämpningar) mot den totala storleken av ett oavsiktligt gasutsläpp, snarare än koncentrationen av gasen som har nått någon speciell punkt. Medan de naturliga måttenheterna för en infrarödpunktssensor är delar per miljon (ppm) eller procentandelen av den undre brandfarlighetsgränsen (%LFL), är de naturliga måttenheterna för en detektor med öppen väg ppm.meters (ppm. m) eller LFL.meter (LFL.m). Till exempel har brand- och gassäkerhetssystemet på en offshoreplattform i Nordsjön vanligtvis detektorer inställda på en fullskalig avläsning på 5LFL.m, med låga och höga larm utlösta vid 1LFL.m respektive 3LFL.m.

Fördelar och nackdelar kontra fixpunktsdetektorer

En öppen vägdetektor kostar vanligtvis mer än en enda punktdetektor , så det finns lite incitament för applikationer som spelar på en punktdetektors styrkor: där punktdetektorn kan placeras på den kända platsen för den högsta gaskoncentrationen och ett relativt långsamt svar är acceptabelt. Den öppna vägdetektorn utmärker sig i utomhussituationer där, även om den troliga källan till gasutsläppet är känd, utvecklingen av det utvecklande molnet eller plymen är oförutsägbar. Gas kommer med största sannolikhet att komma in i en utökad linjär stråle innan den hittar sin väg till någon enskild vald punkt. Dessutom kräver punktdetektorer på utsatta platser utomhus att vädersköldar monteras, vilket ökar svarstiden avsevärt. Öppen vägdetektorer kan också visa en kostnadsfördel i alla tillämpningar där en rad punktdetektorer skulle krävas för att uppnå samma täckning, till exempel övervakning längs en rörledning eller runt omkretsen av en anläggning. Inte bara kommer en detektor att ersätta flera, utan kostnaderna för installation, underhåll, kablage etc. kommer sannolikt att bli lägre.

Komponenter

I princip kan vilken som helst källa för infraröd strålning användas tillsammans med ett optiskt system av linser eller speglar för att bilda den sända strålen. I praktiken har följande källor använts, alltid med någon form av modulering för att underlätta signalbehandlingen vid mottagaren:

En glödlampa , modulerad genom att pulsera strömmen som driver glödtråden eller av en mekanisk chopper . För system som används utomhus är det svårt för en glödlampa att konkurrera med intensiteten av solljus när solen skiner direkt in i mottagaren. Det är också svårt att uppnå moduleringsfrekvenser som kan skiljas från de som kan produceras naturligt, till exempel genom värmeskimmer eller av solljus som reflekteras från vågor till havs.

En gasurladdningslampa kan överskrida spektraleffekten av direkt solljus i det infraröda, speciellt när den är pulsad. Moderna öppna vägsystem använder vanligtvis ett xenon- blixtrör som drivs av en kondensatorurladdning . Sådana pulsade källor är i sig modulerade.

En halvledarlaser ger en relativt svag källa, men en som kan moduleras vid hög frekvens i såväl våglängd som amplitud. Denna egenskap tillåter olika signalbehandlingsscheman baserade på Fourier-analys , som kan användas när absorptionen av gasen är svag men smal i spektral linjebredd .

De exakta våglängdspassbanden som används måste isoleras från det breda infraröda spektrumet. I princip är vilken konventionell spektrometerteknik som helst möjlig, men NDIR -tekniken med dielektriska flerskiktsfilter och stråldelare används oftast. Dessa våglängdsdefinierande komponenter är vanligtvis placerade i mottagaren, även om en design har delat uppgiften med sändaren.

Vid mottagaren mäts den infraröda signalstyrkan av någon form av infraröd detektor . Generellt fotodioddetektorer och är väsentliga för de högre modulationsfrekvenserna, medan långsammare fotokonduktiva detektorer kan krävas för längre våglängdsområden. Signalerna matas till lågbrusförstärkare , sedan alltid föremål för någon form av digital signalbehandling . Gasens absorptionskoefficient kommer att variera över passbandet, så den enkla Beer-Lambert-lagen kan inte tillämpas direkt . Av denna anledning använder bearbetningen vanligtvis en kalibreringstabell , tillämplig för en viss gas, typ av gas eller gasblandning, och ibland konfigurerbar av användaren.

Verksamma våglängder

Valet av infraröda våglängder som används för mätningen definierar till stor del detektorns lämplighet för en viss applikation. Inte bara måste målgasen (eller gaserna) ha ett lämpligt absorptionsspektrum , våglängderna måste ligga inom ett spektralfönster så att luften i strålbanan i sig själv är transparent. Dessa våglängdsområden har använts:

• 3,4 μm region. Alla kolväten och deras derivat absorberas starkt på grund av CH-sträckningssättet för molekylär vibration . Det används ofta i infraröda punktdetektorer där väglängderna nödvändigtvis är korta, och för öppna-vägsdetektorer som kräver ppm-känslighet. En nackdel för många applikationer är att metan absorberar relativt svagt jämfört med tyngre kolväten, vilket leder till stora inkonsekvenser i kalibreringen. För detektering av brandfarliga koncentrationer i öppen bana är absorptionen av icke-metankolväten så stark att mätningen mättas, ett betydande gasmoln ser ut som "svart". Detta våglängdsområde ligger utanför överföringsområdet för borosilikatglas , så fönster och linser måste vara gjorda av dyrare material och tenderar att ha små bländare .
• 2,3 μm region. Alla kolväten och deras derivat har absorptionskoefficienter som är lämpliga för detektering av öppen väg vid brandfarliga koncentrationer. En användbar fördel i praktiska tillämpningar är att detektorns reaktion på många olika gaser och ångor är relativt enhetlig när den uttrycks i termer av den nedre brandfarlighetsgränsen . Borosilikatglas bibehåller användbar transmission i detta våglängdsområde, vilket gör att optik med stor öppning kan produceras till måttlig kostnad.
• 1,6 μm region. Ett brett utbud av gaser absorberas i det nära-infraröda. Typiskt absorptionskoefficienterna relativt svaga, men lätta molekyler visar smala, individuellt upplösta spektrallinjer snarare än breda band. Detta resulterar i relativt stora värden på gradienten och krökningen av absorptionen med avseende på våglängd, vilket gör det möjligt för halvledarlaserbaserade system att särskilja gasmolekyler mycket specifikt; till exempel svavelväte eller metan med undantag för tyngre kolväten.

Historia

Den första öppen-vägsdetektorn som erbjöds för rutinmässig industriell användning, till skillnad från forskningsinstrument byggda i små antal, var Wright och Wright 'Pathwatch' i USA, 1983. Förvärvad av Det-Tronics (Detector Electronics Corporation) 1992, detektor som drivs i 3,4 μm-regionen med en kraftfull glödlampa och en mekanisk chopper . Det uppnådde ingen stor volymförsäljning, främst på grund av kostnader och tvivel om långsiktig tillförlitlighet med rörliga delar. Från och med 1985 finansierades Shell Research i Storbritannien av Shell Natural Gas för att utveckla en öppen detektor utan rörliga delar. Fördelarna med våglängden på 2,3 μm identifierades och en forskningsprototyp demonstrerades. Denna design hade en kombinerad sändare-mottagare med en hörnkub retroreflektor på 50 m. Den använde en pulsad glödlampa, PbS fotokonduktiva detektorer i gas- och referenskanalerna och en Intel 8031 ​​mikroprocessor för signalbehandling. 1987 licensierade Shell denna teknik till Sieger-Zellweger (senare Honeywell ) som designade och marknadsförde sin industriella version som "Searchline", med hjälp av en retroreflekterande panel som består av flera hörnkuber. Detta var den första öppen-vägsdetektorn som certifierades för användning i farliga områden och som inte har några rörliga delar. Senare arbete av Shell Research använde två växelvis pulsade glödlampor i sändaren och en enda PbS-detektor i mottagaren, vilket undviker nolldrift orsakad av PbS- detektorernas variabla responsivitet . Denna teknik erbjöds Sieger-Zellweger och licensierades senare till PLMS. ett företag som delägs av Shell Ventures UK. PLMS GD4001/2 1991 var de första detektorerna som uppnådde en verkligt stabil nolla utan rörliga delar eller mjukvarukompensation för långsamma drifter. De var också de första infraröda gasdetektorerna av något slag som certifierades som egensäkra . Det israeliska företaget Spectronix (även Spectrex) gjorde ett viktigt framsteg 1996 med deras SafEye, den första som använde en blixtrörskälla, följt av Sieger-Zellweger med deras Searchline Excel 1998. 2001 PLMS Pulsar, kort därefter förvärvad av Dräger som deras Polytron Pulsar, var den första detektorn som inkorporerade avkänning för att övervaka den inbördes inriktningen av sändaren och mottagaren under både installation och rutindrift.

• Explosiva atmosfärer – Del 29-4: Gasdetektorer – Prestandakrav för öppen-vägsdetektorer för brandfarliga gaser; IEC 60079-29-4
• Explosiva atmosfärer. Gasdetektorer. Prestandakrav för öppen-vägsdetektorer för brandfarliga gaser; EN 60079-29-4:2010
• UK Health and Safety Executive, Brand and Explosion Strategy; http://www.hse.gov.uk/offshore/strategy/fgdetect.htm