Инфракрасный детектор открытого пути

Инфракрасные детекторы газа с открытым трактом излучают луч инфракрасного света, обнаруживая газ в любом месте на пути луча. Этот линейный «датчик» обычно имеет длину от нескольких до нескольких сотен метров. Детекторы открытого типа можно противопоставить точечным инфракрасным датчикам .

Они широко используются в нефтяной и нефтехимической промышленности, в основном для очень быстрого обнаружения утечек горючих газов в концентрациях, сравнимых с нижним пределом воспламеняемости (обычно несколько процентов по объему). Они также используются, но пока в меньшей степени, в других отраслях промышленности, где могут возникать легковоспламеняющиеся концентрации, например, в добыче угля и очистке воды . В принципе, этот метод также можно использовать для обнаружения токсичных газов, например сероводорода , в необходимых концентрациях в миллионных долях, но связанные с этим технические трудности до сих пор не позволяют широко использовать токсичные газы.

Обычно на обоих концах прямого пути луча имеются отдельные блоки передатчика и приемника. Альтернативно источник и приемник объединяются, и луч отражается от ретрорефлектора на дальнем конце пути измерения. Для портативного использования также были созданы детекторы, в которых используется естественное альбедо вместо ретрорефлектора окружающих объектов. Присутствие выбранного газа (или класса газов) обнаруживается по его поглощению подходящей инфракрасной длины волны в луче. Дождь, туман и т. д. на пути измерения также могут снизить мощность принимаемого сигнала, поэтому обычно измерения проводятся одновременно на одной или нескольких эталонных длинах волн. Количество газа, перехваченного лучом, затем определяется по соотношению потерь сигнала на измерительной и опорной длинах волн. Расчет обычно выполняется микропроцессором , который также выполняет различные проверки для подтверждения измерений и предотвращения ложных срабатываний.

Измеряемая величина представляет собой сумму всего газа на пути луча, иногда называемую интегральной по траектории концентрацией газа, . Таким образом, измерение имеет естественную погрешность (желательную во многих случаях) в сторону общего размера непреднамеренного выброса газа, а не концентрации газа, достигшей какой-либо конкретной точки. В то время как естественными единицами измерения для точечного инфракрасного датчика являются части на миллион (ppm) или процент нижнего предела воспламеняемости (%LFL), естественными единицами измерения для детектора с открытым трактом являются ppm.метры (ppm. м) или LFL.метры (LFL.m). Например, система пожарной и газовой безопасности на морской платформе в Северном море обычно имеет детекторы, настроенные на полномасштабное показание 5LFL.m, при этом сигналы тревоги нижнего и верхнего уровня срабатывают при 1LFL.m и 3LFL.m соответственно.

Преимущества и недостатки по сравнению с детекторами с фиксированной точкой

Детектор с открытым трактом обычно стоит дороже, чем одноточечный детектор , поэтому мало стимулов для приложений, которые используют сильные стороны точечного детектора: когда точечный детектор можно разместить в известном месте с наибольшей концентрацией газа и относительно медленным откликом. приемлемо. Детектор с открытым трактом превосходно работает на открытом воздухе, где, даже если известен вероятный источник выброса газа, развитие развивающегося облака или шлейфа непредсказуемо. Газ почти наверняка войдет в протяженный линейный луч, прежде чем достигнет какой-либо одной выбранной точки. Кроме того, точечные извещатели, расположенные на открытом воздухе, требуют установки погодозащитных экранов, что значительно увеличивает время отклика. Детекторы с открытым трактом также могут показать экономическое преимущество в любом приложении, где для достижения одинакового покрытия потребуется ряд точечных детекторов, например, мониторинг вдоль трубопровода или по периметру завода. Один детектор не только заменит несколько, но и затраты на установку, обслуживание, прокладку кабелей и т. д., вероятно, будут ниже.

Составные части

В принципе можно использовать любой источник инфракрасного излучения вместе с оптической системой линз или зеркал для формирования передаваемого луча. На практике использовались следующие источники, всегда с той или иной формой модуляции для облегчения обработки сигнала в приемнике:

Лампа накаливания , модулируемая импульсным током, питающим нить накала, или механическим прерывателем . Для систем, используемых вне помещения, источнику накаливания трудно конкурировать с интенсивностью солнечного света , когда солнце светит прямо в приемник. Кроме того, трудно добиться частот модуляции, отличных от тех, которые могут быть созданы естественным путем, например, за счет теплового мерцания или отражения солнечного света от волн на море.

Газоразрядная лампа способна превосходить спектральную мощность прямого солнечного света в инфракрасном диапазоне, особенно в импульсном режиме. В современных системах с открытым трактом обычно используется ксеноновая лампа-вспышка, питаемая от разряда конденсатора . Такие импульсные источники по своей сути являются модулированными.

представляет Полупроводниковый лазер собой относительно слабый источник, но его можно модулировать на высокой частоте как по длине волны, так и по амплитуде. Это свойство позволяет использовать различные схемы обработки сигналов, основанные на анализе Фурье , когда поглощение газа слабое, но узкая по ширине спектральной линии .

Используемые точные полосы пропускания длины волны должны быть изолированы от широкого инфракрасного спектра. любой обычный спектрометрический В принципе возможен метод NDIR с многослойными диэлектрическими метод, но чаще всего используется фильтрами и светоделителями. Эти компоненты, определяющие длину волны, обычно расположены в приемнике, хотя одна конструкция разделяет эту задачу с передатчиком.

В приемнике мощность инфракрасного сигнала измеряется каким-либо инфракрасным детектором . Обычно фотодиодные детекторы являются предпочтительными и необходимы для более высоких частот модуляции, тогда как более медленные фотопроводящие детекторы могут потребоваться для более длинноволновых областей. Сигналы подаются на малошумящие усилители , а затем неизменно подвергаются той или иной форме цифровой обработки сигнала . Коэффициент поглощения газа будет меняться в зависимости от полосы пропускания, поэтому простой закон Бера-Ламберта не может быть применен напрямую. По этой причине при обработке обычно используется калибровочная таблица , применимая для конкретного газа, типа газа или газовой смеси и иногда настраиваемая пользователем.

Рабочие длины волн

Выбор длин волн инфракрасного излучения, используемых для измерения, во многом определяет пригодность детектора для конкретных применений. Целевой газ (или газы) не только должен иметь подходящий спектр поглощения , но и длины волн должны лежать в пределах спектрального окна , чтобы воздух на пути луча сам был прозрачным. Были использованы следующие диапазоны длин волн:

Область 3,4 мкм. Все углеводороды и их производные сильно поглощают энергию из-за валентной моды молекулярных колебаний CH . Он обычно используется в точечных инфракрасных детекторах, где длина пути обязательно мала, а также в детекторах с открытым пути, требующих чувствительности на уровне частей на миллион. Недостатком многих применений является то, что метан поглощается относительно слабо по сравнению с более тяжелыми углеводородами, что приводит к большим несоответствиям калибровки. При обнаружении горючих концентраций на открытом тракте поглощение неметановых углеводородов настолько сильное, что измерение выходит за пределы насыщения, при этом значительное газовое облако выглядит «черным». Эта область длин волн находится за пределами диапазона пропускания боросиликатного стекла , поэтому окна и линзы должны быть изготовлены из более дорогих материалов и иметь небольшую апертуру .
Область 2,3 мкм. Все углеводороды и их производные имеют коэффициенты поглощения, подходящие для обнаружения на открытом пути при легковоспламеняющихся концентрациях. Полезным преимуществом в практическом применении является то, что реакция детектора на множество различных газов и паров относительно однородна, если выражать ее через нижний предел воспламеняемости . Боросиликатное стекло сохраняет полезное пропускание в этом диапазоне длин волн, что позволяет производить оптику с большой апертурой при умеренных затратах.
Область 1,6 мкм. Широкий спектр газов поглощается в ближнем инфракрасном диапазоне. Обычно коэффициенты поглощения относительно слабы, но легкие молекулы демонстрируют узкие, индивидуально разрешенные спектральные линии, а не широкие полосы. Это приводит к относительно большим значениям градиента и кривизны поглощения по отношению к длине волны, что позволяет системам на основе полупроводниковых лазеров очень точно различать молекулы газа; например , сероводород или метан, исключая более тяжелые углеводороды.

История

Первым детектором с открытым трактом, предложенным для повседневного промышленного использования, в отличие от исследовательских приборов, выпускаемых в небольших количествах, был «Pathwatch» Райта и Райта в США в 1983 году. Приобретенный Det-Tronics (Detector Electronics Corporation) в 1992 году, Детектор работал в диапазоне 3,4 мкм с мощным источником накаливания и механическим прерывателем . Он не достиг больших объемов продаж, в основном из-за стоимости и сомнений в долгосрочной надежности движущихся частей. Начиная с 1985 года компания Shell Natural Gas финансировала Shell Research в Великобритании для разработки детектора открытого типа без движущихся частей. Были выявлены преимущества длины волны 2,3 мкм и продемонстрирован исследовательский прототип. Эта конструкция имела комбинированный передатчик-приемник с угловым ретрорефлектором на дальности 50 м. В нем использовались импульсная лампа накаливания, фотопроводящие детекторы PbS в газовом и опорном каналах, а также микропроцессор Intel 8031 для обработки сигналов. В 1987 году Shell передала лицензию на эту технологию Зигеру-Зеллвегеру (позже Honeywell ), которые разработали и продали свою промышленную версию под названием Searchline, в которой использовалась светоотражающая панель, состоящая из нескольких угловых кубов. Это был первый детектор открытого типа, сертифицированный для использования во взрывоопасных зонах и не имеющий движущихся частей. В более поздней работе Shell Research использовались два поочередно импульсных источника накаливания в передатчике и один детектор PbS в приемнике, что позволило избежать дрейфа нуля, вызванного переменной чувствительностью детекторов PbS. Эта технология была предложена Зигеру-Зеллвегеру, а позже передана по лицензии PLMS. компания, частично принадлежащая Shell Ventures UK. PLMS GD4001/2 в 1991 году были первыми детекторами, достигшими по-настоящему стабильного нуля без движущихся частей или программной компенсации медленного дрейфа. Они также были первыми инфракрасными детекторами газа, сертифицированными как искробезопасные . Израильская компания Spectronix (также Spectrex) добилась важного прогресса в 1996 году со своим SafEye, первым, кто использовал источник импульсной лампы, за ней последовала Sieger-Zellweger со своей Searchline Excel в 1998 году. В 2001 году PLMS Pulsar, вскоре после этого приобретенная Dräger под названием Polytron Pulsar был первым детектором, оснащенным датчиками для контроля взаимного выравнивания передатчика и приемника как во время установки, так и во время повседневной эксплуатации.

Ссылки

Взрывоопасные среды. Часть 29-4. Детекторы газа. Требования к характеристикам детекторов открытого типа для горючих газов; МЭК 60079-29-4
Взрывоопасная атмосфера. Детекторы газа. Требования к характеристикам открытых детекторов горючих газов; ЕН 60079-29-4:2010
Исполнительный директор Великобритании по охране труда и технике безопасности, Стратегия пожарной и взрывобезопасной деятельности; http://www.hse.gov.uk/offshore/strategy/fgdetect.htm