DE102022105056A1

DE102022105056A1 - Mobiler Gassensor und Verfahren zur Detektion und Abbildung von Gasemissionen

Info

Publication number: DE102022105056A1
Application number: DE102022105056.4A
Authority: DE
Inventors: Peter Maas; René Braun
Original assignee: Grandperspective GmbH
Current assignee: Grandperspective GmbH
Priority date: 2022-03-03
Filing date: 2022-03-03
Publication date: 2023-09-07
Also published as: WO2023166124A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen mobilen optischen Gassensor zur Detektion und Abbildung von Gasemissionen, mit einem spektroskopischen Infrarotdetektor (6) zur ortsaufgelösten Aufnahme von Infrarotspektren, mit einer optischen Kamera (18), wobei die Ausrichtungen des spektroskopischen Infrarotdetektors (6) und der optischen Kamera (18) zueinander korreliert sind, mit einer Datenverarbeitungseinheit (22) zum Aufnehmen und Auswerten der gemessenen Infrarotspektren und der optischen Bilder, zur Bestimmung von Gassignaturen und gegebenenfalls von Säulendichten von detektierten Gasen und zum Kombinieren der Gassignaturen und gegebenenfalls der Säulendichten mit dem aufgenommenen Kamerabild und mit einer Datenschnittstelle (24) für eine Anzeigevorrichtung (25). Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren. Die Erfindung löst das technische Problem, einen mobilen Gassensor zur Detektion von Gasemissionen sowie das Verfahren zur Detektion von Gasemissionen mit einem mobilen Gassensor weiter zu verbessern und den Einsatz des mobilen Gassensors einfacher und effizienter zu gestalten.

Description

Die Erfindung betrifft einen mobilen Gassensor zur Detektion und Abbildung von Gasemissionen sowie ein Verfahren zur Detektion und Abbildung von Gasemissionen mit einem mobilen Gassensor.
Unter einem mobilen Gassensor wird ein Gassensor verstanden, der von einer Person getragen und an verschiedene Orte gebracht werden kann. Für die Durchführung einer oder mehrerer Messungen kann der mobile Gassensor weiterhin getragen, mittels einer Tragekonstruktion gehalten oder auf einem Stativ angeordnet sein.
Insbesondere dient der mobile Gassensor der Detektion, Abbildung und somit Lokalisation von Gasleckagen und potenziell gefährlichen Gaswolken in industrietechnischen Anlagen. Dabei werden besonders Rohrleitungen und Ventile von Gasleitungen überwacht, um austretende Gase zuverlässig zu detektieren, abzubilden und so zu lokalisieren.
Denn aus den genannten Anlagen können durch Undichtigkeiten oder Fehlfunktionen von Anlagen Gase austreten, die für die Umwelt schädlich sind, zu Unfällen mit weitreichenden Folgen führen können und Gefahren für Gesundheit und Leben der sich auf dem Gelände aufhaltenden Personen darstellen können.
Eine gängige Überwachung eines Geländes erfolgt mit chemo-elektrischen Sensoren, die jeweils nur für ein Gas oder eine geringe Anzahl von chemischen Gasen empfindlich sind. Zudem müssen die Sensoren dort angeordnet sein, wo die Gase in der Umgebungsluft vorhanden sind. Daher ist die Anzahl der einzusetzenden Sensoren hoch.
Weiterhin ist die Anwendung von Fourier-Transform-Infrarot-Spektrometern (FTIR) bekannt, die in kurzen Zeitabständen die Zusammensetzung des beobachteten Raumwinkels oberhalb des Geländes auf das Vorhandensein verschiedener chemischer Gase bestimmen können. Damit kann das ungewollte Austreten von Gasen detektiert werden und mittels Triangulation der Ort ermittelt werden. Jedoch können bei den bekannten Verfahren mit festen Sensorpositionen Verschattungen auftreten, so dass sich in den genannten Anlagen Teilbereiche einer Überwachung mit den bekannten Verfahren entziehen, insbesondere bei Leitungen und Ventilen innerhalb komplexer Anordnungen.
Ein aus dem Stand der Technik bekanntes FTIR-Spektrometer dient dabei als optischer Sensor. Das Spektrometer selbst ist ortsfest ausgebildet und dessen Infrarot-Optik ist in einem nach oben gerichteten Winkel ausgerichtet. Mit einem schwenkbaren Spiegel wird das Umgebungslicht auf die Infrarot-Optik gerichtet und somit die Umgebung gescannt. Der Überwachungsbereich ist dabei allerdings auf einen geringen Raumwinkelbereich beschränkt.
Weiterhin sind mobile Gassensoren zur manuellen Lecksuche, Ultraschallkameras für eine akustische Lecksuche (Acoustic Leak Imaging, ALI), Backscatter Absorption Gas Imaging (BAGI) Kameras oder Passive Gas Imaging Systeme (OGI).
Derartige Detektoren werden beispielsweise bei Leak Detection And Repair - LDAR - Managementprogrammen für flüchtige Emissionen als mobile Gassensoren verwendet, mit denen manuell, d.h. in absoluter räumlicher Nähe die direkte Atmosphäre rund um das Untersuchungsobjekt, beispielsweise Rohre in einer ausgedehnten Industrieanlage, untersucht werden. Daher müssen viele Meter bis hin zu Kilometern von Rohrleitungen und eine Vielzahl von bis zu beispielsweise tausenden Anlagenkomponenten teils an schwer zugänglichen und gefährlichen Orten in der Industrie abgelaufen werden. Die Messungen und die Überwachung sind somit zeitaufwändig und kostenintensiv.
Darüber hinaus sind die eingesetzten Sensoren häufig nur für die Messung einzelner Stoffe eingerichtet und leisten keine oder nur eine geringe Selektivität in Bezug auf verschiedene Gase. Unterschiedliche Gase können daher nicht voneinander getrennt werden, so dass Querempfindlichkeiten mit einigen häufig auftretenden Störkomponenten, wie z.B. Wasserdampf, auftreten. Eine eindeutige Identifikation eines Gases aus einer Vielzahl von Gasen ist nicht möglich. Außerdem sind die Verfahren zur Quantifizierung der austretenden Gasmengen sehr ungenau, da sie sich aus der Abbildung des Strömungsverhaltens der beobachteten Gasaustritte ableiten.
Daher liegt der vorliegenden Erfindung das technische Problem zugrunde, einen mobilen Gassensor zur Detektion und Abbildung von Gasemissionen sowie das Verfahren zur Detektion und Abbildung von Gasemissionen mit einem mobilen Gassensor weiter zu verbessern und den Einsatz des mobilen Gassensors einfacher und effizienter zu gestalten.
Das zuvor aufgeführte technische Problem wird erfindungsgemäß durch einen mobilen Gassensor zur Detektion und Abbildung von Gasemissionen gelöst mit einem spektroskopischen Infrarotdetektor zur ortsaufgelösten Aufnahme von Infrarotspektren, mit einer optischen Kamera, wobei die Ausrichtungen des spektroskopischen Infrarotdetektors und der optischen Kamera zueinander korreliert sind, mit einer Datenverarbeitungseinheit zum Aufnehmen und Auswerten der gemessenen Infrarotspektren und der optischen Bilder, zum Bestimmung von Gassignaturen und gegebenenfalls von Säulendichten von detektierten Gasen und zum Kombinieren der Gassignaturen und gegebenenfalls der Säulendichten mit dem aufgenommenen Kamerabild und mit einer Anzeigevorrichtung zur Darstellung des kombinierten Bildes.
Für das Durchführen der verschiedenen Funktionen ist die Datenverarbeitungseinheit dazu eingerichtet, mittels Schnittstellen die Datensignale aufzunehmen und gegebenenfalls in digitale Signale umzuwandeln, auf Speichermittel und/oder Arbeitsspeichern zu speichern, mittels geeigneter Prozessoren zu verarbeiten und errechnete Ergebnisse wiederum zu speichern und für eine graphische Präsentation auf den Anzeigemitteln aufzuarbeiten. Die Datenverarbeitungseinheit ist zudem eingerichtet, Daten über eine Datenschnittstelle auf andere Datenverarbeitungseinheiten oder Server zu übertragen.
Der erfindungsgemäße mobile Gassensor kann von einer Person in eine Umgebung einer technischen Anlage getragen werden, um damit diese Umgebung von einem Standort aus zu überprüfen. Dazu richtet die Person den Gassensor auf die zu überprüfenden technischen Anlagenteile wie Gasleitungen und ggf. Ventile mittels des auf der Anzeigevorrichtung angezeigten optischen Kamerabildes aus. Gleichzeitig nimmt der Infrarotdetektor ortsaufgelöst Infrarotspektren in dem Raumwinkel auf, der von dem optischen Kamerabild aufgenommen wird. Die Infrarotspektren werden fortlaufend von der Datenverarbeitungseinheit analysiert und auf spezifische Spektren des Absorptionskoeffizienten von bekannten Gasmolekülen untersucht. Wenn die spektrale Signatur eines Gases gefunden wird, werden die Raumwinkelbereiche ermittelt, in denen das Gas nachgewiesen wurde und diese Raumwinkelbereiche werden mit dem Kamerabild verknüpft. Die Anzeigevorrichtung zeigt dann das verknüpfte Bild und die Person kann anhand des kombinierten Bildes erkennen, ob und, wenn ja, wo eine Gasleckage detektiert wurde. Dazu sind die optischen Achsen des Infrarotdetektors und der optischen Kamera im Wesentlichen auf die gleiche optische Achse ausgerichtet. Durch manuelles Schwenken und Neigen des Gassensors werden Infrarotspektren und Videobilder auch aus benachbarten Raumwinkeln aufgenommen. Aus den benachbarten Einzelaufnahmen werden mittels Bilderkennung größere, zusammenhängende Bilder zusammengesetzt („stitching“). Durch die Verknüpfung der Raumwinkelbereiche, in denen ein Gas gefunden wurde, zu den jeweiligen Einzelaufnahmen des Videobildes, lassen sich auch in den zusammengesetzten Bildern ausgedehnte Gaswolken visualisieren.
Auf der Anzeigevorrichtung können neben dem verknüpften Bild auch kumulativ oder alternativ weitere Daten angezeigt werden, beispielsweise Datum, Uhrzeit, Position auf der Karte, das detektierte Gas bzw. mehrere detektierte Gase und/oder dessen bzw. deren Säulendichteverteilung.
In bevorzugter Weise wird das verknüpfte Bild fortlaufend - wie bei einer normalen Video- oder Fotokamera - angezeigt, ohne abgespeichert zu werden. Die Person kann bei einer detektierten Leckage eine oder mehrere Fotoaufnahmen, also eine oder mehrere Momentaufnahmen, oder eine Videoaufnahme auslösen, um das Vorhandensein der Leckage zu dokumentieren. Alternativ kann auch der gesamte Datenstrom in einer Datenbank gespeichert werden. Als Einzelaufnahme kommt auch ein Panoramabild durch Schwenken der Kamers und Stitchen der Bilder in Frage. Durch eine Mehrzahl von Fotoaufnahmen oder durch eine Videoaufnahme kann das zeitliche Verhalten der Gasleckage festgehalten werden.
Der Infrarotdetektor zur ortsaufgelösten Aufnahme von Infrarotspektren ist vorzugsweise als Interferometer, insbesondere als Michelson-Interferometer ausgebildet. Man spricht auch von einem Fourier-Transform Infrarot (FTIR) Spektrometer. Das FTIR-Spektrometer empfängt Infrarotstrahlung, die mittels einer Infrarot-Optik, beispielsweise ein Cassegrain-Teleskop oder eine Linsenoptik, oder ein Eintrittsfenster empfangen, in das FTIR-Spektrometer eingekoppelt, durch ein Michelson-Interferometer geleitet und auf die Detektorebene fokussiert wird. Der Detektor kann als Einzelelement, oder als Matrixdetektor (Focal Plane Array, FPA) ausgebildet sein. Mittels des Interferometers wird an jeder Detektorposition ein Interferogramm gemessen, welches durch Fourier-Transformation in ein Infrarotspektrum umgerechnet wird. Der Bewegungsbereich des Scanspiegels innerhalb des Interferometers liegt typischerweise im Bereich von 0,75 bis 10 mm.
Zur radiometrischen Kalibrierung der Infrarotspektren kann der Gassensor einen eingebauten temperaturgeregelten Schwarzkörper aufweisen, der zur Durchführung der radiometrischen Kalibrierung vor die Infrarotoptik, bzw. in den Strahlengang geschwenkt wird. Auf Grundlage der radiometrischen Kalibrierung wird das gemessene Infrarotspektrum in ein kalibriertes Strahlungstemperaturspektrum umgerechnet, welches Eingang in den spektralen Auswertealgorithmus findet, der von der Auswerteeinheit angewendet wird.
Zur spektralen Auswertung werden die spektralen Signaturen des Gases und von omnipräsenten atmosphärischen Stoffen, wie z.B. Wasser, CO₂ und anderen Gasen, sowie mathematische Funktionen zur Modellierung des Hintergrundes berechnet. Im Ergebnis an diese Anpassungsrechnung werden die berechnete Signalhöhe und der Korrelationskoeffizient der berechneten Zielstoffsignatur mit stoffspezifischen Grenzwerten verglichen. Bei Überschreitung von vorgegebenen Grenzwerten gilt der Zielstoff als identifiziert, was automatisch erfolgt.
Das Prinzip der passiven IR-Fernerkundung arbeitet unabhängig von künstlichen Strahlungsquellen und funktioniert sowohl tagsüber als auch nachts, unabhängig von Ort, Messrichtung und der Jahreszeit, indem die von der Umgebung emittierte Wärmestrahlung in der Peilrichtung des Spektrometers analysiert wird. Die notwendige Bedingung zur Identifikation eines Gases ist das Vorhandensein eines zumindest geringen Temperaturunterschiedes zwischen der Strahlungstemperatur des zu messenden Gases und der Strahlungstemperatur des Hintergrundes in Blick- bzw. Peilrichtung. Ist das Gas wärmer als der Hintergrund in Messrichtung, erscheint die spektrale Signatur in Emission, ist es kälter als der Hintergrund, in Absorption.
Die passive Infrarot-Fernerkundung verwendet den langwelligen Spektralbereich infraroter Strahlung, beispielsweise im Wellenzahl-Bereich von ca. 690- 1.440 cm^-1. Innerhalb dieses atmosphärischen Fensters sind Messungen auf große Entfernungen von einigen Hundert Metern oder bis zu mehreren Kilometern möglich, ohne dass die Atmosphäre eine zu starke Abschwächung des Signals bewirkt. Als begrenzende Faktoren für die maximale Messreichweite sind allgemein zu berücksichtigen: das Gesichtsfeld des Detektors durch vorhandene Hindernisse, die Größe der zu messenden Leckagewolke und die Abschwächung des Signals entlang der optischen Messstrecke durch die Atmosphäre, wobei eine direkte Sichtlinie stets Voraussetzung ist.
Ein geeignetes FTIR-Spektrometer verwendet beispielsweise gekühlte Mercury-Cadmium-Tellurid (MCT) Einzeldetektoren, vorzugsweise Cryo-,Stirling-, oder stickstoffgekühlt. Anstelle des Einzeldetektors kann auch ein Matrixdetektor (Focal Plane Array, FPA) eingesetzt werden, so dass mit einer räumlichen Ausrichtung des Detektors eine Mehrzahl von Raumrichtungen separat erfasst und Infrarotspektren aufgenommen werden können.
Als spektroskopischer Infrarotdetektor kann auch eine multispektrale Kamera verwendet werden. Eine multispektrale Kamera weist einen Zeilensensor oder einen zweidimensionalen Sensor auf, bei dem die einfallende Infrarotstrahlung spektral durch ein Beugungsgitter oder ein Prisma aufgefächert und auf eine Mehrzahl von Pixeln des Sensors geleitet wird. Über die Mehrzahl der Pixel des Sensors wird somit eine Intensitätsverteilung und somit ein Infrarotspektrum aufgenommen.
Wie zuvor beschrieben, kann der spektroskopische Infrarotdetektor mit einem Einzeldetektorelement den räumlichen Beobachtungsbereich der optischen Kamera scannen, insbesondere durch Bewegen des Infrarotdetektors. Die Zuordnung und Abbildung der spektral gemessenen Positionen kann dann über die Videobildaufnahmen erfolgen.
Wie ebenfalls zuvor beschrieben, kann der spektroskopische Infrarotdetektor mit einem Matrixdetektor den räumlichen Beobachtungsbereich der optischen Kamera an einer Vielzahl von Messpunkten aufnehmen und somit effektiver den Raumwinkel nach austretenden Gasemissionen untersuchen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des mobilen Gassensors ist ein Positionsbestimmungsmittel, insbesondere ein Satelliten-basiertes oder ein WLAN-basiertes Positionsbestimmungsmittel, vorgesehen und die Datenverarbeitungseinheit verknüpft das kombinierte Bild mit mindestens einer Positionsinformation. Somit können die aufgenommenen kombinierten Bilder als Momentaufnahmen oder als Videosequenzen ortsaufgelöst ermittelt und gespeichert werden.
Darüber hinaus kann ein Richtungssensor, insbesondere ein Kompass oder ein Gyroskop, zur Bestimmung der räumlichen Ausrichtung des Infrarotdetektors und der optischen Kamera vorgesehen sein. Somit kann die räumliche Ausrichtung des mobilen Gassensors festgestellt und mit den gemessenen Daten verknüpft werden.
Des Weiteren kann die Datenverarbeitungseinheit aus mindestens zwei Messungen von Infrarotspektren und zugehörigen Kamerabildern sowie aus den gemessenen Positionen und Ausrichtungen eine räumliche Ortung der Gasemission durchführen. Durch die mindestens zwei Messungen aus unterschiedlichen Raumrichtungen kann mittels Triangulation oder anderen Methoden der räumliche Bereich der Gasemission bestimmt werden.
Alternativ dazu kann der Gassensor eine 3D-Kamera zum Erfassen von Entfernungsinformationen aufweisen und die Datenverarbeitungseinheit kann die gemessenen Entfernungswerte mit den aufgenommenen Spektren und den Videobildern verknüpfen. Die Kamera weist bevorzugt zwei Videokameras nach dem Prinzip der Stereo-Videokamera auf. Alternative 3D-Kameras können z.B. als Triangulationssystem ausgeführt sein (Bestimmung der Distanz mittels der Projektion eines Musters und der Bestimmung dessen Verzerrung), Time-of-Flight Kameras (Distanzermittlung mittels Laufzeitmessung des Lichtes), oder Lichtfeldkameras (Erfassung der Lichtrichtung mittels Mikrolinsenarrays). Die 3D-Kamera kann die Entfernung zu den abgebildeten Objekten anzeigen und messen. Aus den Werten kann dann sowohl die Entfernung zu den Objekten im Hintergrund als auch näherungsweise die Entfernung zur Gasleckage bestimmt werden. Das ist in vorteilhafter Weise eine weiter verwertbare Information für die Quantifizierung der gemessenen Gasmengen.
Als weitere Alternative ist vorzugsweise ein Entfernungsmesser, insbesondere ein Laser-Entfernungsmesser vorgesehen und die Datenverarbeitungseinheit verknüpft die gemessenen Entfernungswerte mit den kombinierten Bildern. Dazu kann bevorzugt vorgesehen sein, dass die Ausrichtung des Lasers mittig im Sichtfeld der optischen Kamera liegt. Wird dann die eingeblendete Säulendichteverteilung des kombinierten Bildes berücksichtigt, kann der mobile Gassensor so ausgerichtet werden, dass der Laserstrahl in dem Bereich der Säulendichteverteilung liegt und somit die Entfernung der Quelle des Gasaustritts gemessen werden kann.
Aus der Verteilungsfunktion der Säulendichte kann in situ die Gasmenge errechnet werden, die sich in der Luft befindet. Dazu wird mit der Information der Distanz zum Freisetzungspunkt die Ausdehnung der Gaswolke bestimmt, die sich über dem Freisetzungspunkt befindet. Das Integral über die Säulendichteverteilung liefert die Gesamtmenge des in der Luft befindlichen Gases. In Verbindung mit der Information über die Windrichtung und Windgeschwindigkeit ist in einem zweiten mathematischen Verarbeitungsschritt auch eine automatische Berechnung des Gasflusses möglich, der aus dem Freisetzungspunkt austritt. Die Information zum Wind kann per Datenverbindung automatisch ausgelesen werden.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn ein Schwarzkörper zur Erhöhung des thermischen Kontrastes zwischen der Strahlungstemperatur des Gases und des Hintergrundes vorgesehen ist. Dazu kann der Schwarzkörper als separates Bauteil vorhanden sein und im beobachteten Bereich hinter der zu messenden Anlagenkomponente angeordnet werden.
Das oben aufgezeigte technische Problem wird auch durch ein Verfahren zur Detektion und Abbildung von Gasemissionen mit einem mobilen Gassensor, insbesondere einem zuvor beschriebenen Gassensor gelöst, bei dem mittels eines spektroskopischen Infrarotdetektors ortsaufgelöst Infrarotspektren aufgenommen werden, bei dem mit einer optischen Kamera mindestens ein optisches Bild aufgenommen wird, wobei die Ausrichtungen des spektroskopischen Infrarotdetektors und der optischen Kamera zueinander korreliert sind, bei dem mit einer Datenverarbeitungseinheit die gemessenen Infrarotspektren aufgenommen und ausgewertet werden, bei dem Gassignaturen und gegebenenfalls Säulendichten von detektierten Gasen bestimmt werden, bei dem die Gassignaturen und gegebenenfalls die Säulendichten mit dem mindestens einen aufgenommenen Kamerabild kombiniert werden und bei dem das kombinierte Bild angezeigt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zuvor - auch anhand der bevorzugten Ausgestaltungen im Detail beschrieben worden, worauf an dieser Stelle Bezug genommen wird.
Bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Verfahrensschritte,
bei dem das kombinierte Bild mit mindestens einer gemessenen Positionsinformation verknüpft wird und/oder
bei dem das kombinierte Bild mit einer gemessenen räumlichen Ausrichtung des Infrarotdetektors und der optischen Kamera verknüpft wird und/oder
bei dem aus mindestens zwei Messungen von Infrarotspektren und zugehörigen Kamerabildern sowie aus den gemessenen Positionsinformationen und den gemessenen räumlichen Ausrichtungen des Infrarotdetektors und der optischen Kamera eine räumliche Ortung der Gasemission bestimmt wird und/oder
bei dem mittels einer Kamera ein Kamerabild mit Entfernungsinformationen erzeugt und mit den Gassignaturen und gegebenenfalls den Säulendichten kombiniert wird und/oder
bei dem Entfernungswerte gemessen und mit den aufgenommenen Spektren und den Kamerabildern verknüpft werden und/oder
bei dem mittels eines Schwarzkörpers der thermische Kontrast zwischen der Strahlungstemperatur des Gases und des Hintergrundes erhöht wird.
Insbesondere ist das zuvor beschriebene Verfahren weiter derart ausgebildet, dass aus der Entfernungsinformation zur gemessenen Gasemission die quantitative Information der Säulendichte der Gaswolke entlang der Sichtachse in eine Volumeninformation umgerechnet wird. Mittels der Information über die Gaszusammensetzung kann dann die Masse der in der Luft befindlichen Gasmenge ermittelt und dem Benutzer in Echtzeit angezeigt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen mobilen Gassensors,
2 eine schematische dreidimensionale Darstellung eines erfindungsgemäßen mobilen Gassensors,
3 eine schematische dreidimensionale Darstellung eines erfindungsgemäßen mobilen Gassensors zur Befestigung an einem Tragegestell,
4 eine schematische dreidimensionale Darstellung eines erfindungsgemäßen mobilen Gassensors zur Befestigung auf einem Stativ,
5 ein Ausführungsbeispiel einer Anzeige von Informationen auf einer Anzeigevorrichtung und
6 eine schematische Darstellung eines spektroskopischen Sensors mit einem Matrixdetektor.

In der nachfolgenden Beschreibung der verschiedenen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele werden Bauteile und Elemente mit gleicher Funktion und gleicher Wirkungsweise mit denselben Bezugszeichen versehen, auch wenn die Bauteile und Elemente bei den verschiedenen Ausführungsbeispielen in ihrer Dimension oder Form Unterschiede aufweisen können.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen mobilen Gassensors 2 zur Detektion und Abbildung von Gasemissionen. In einem Gehäuse 4 ist zum einen ein spektroskopischer Infrarotdetektor 6 zur ortsaufgelösten Aufnahme von Infrarotspektren angeordnet. Der dargestellte Infrarotdetektor 6 weist grundsätzlich eine Infrarotoptik 8 in Form eines Infrarot (IR)-Teleskops mit Parabolspiegel 10 und Sekundärspiegel 12 und ein Fourier-Transform-Infrarotspektrometer (FTIR)-Spektrometer 14 auf. Das FTIR-Interferometer ist vorzugsweise als Michelson-Interferometer ausgebildet und ermöglicht die Aufnahme von IR-Spektren der in Richtung der optischen Achse 16 des Infrarotdetektors 6 einfallenden Infrarotstrahlung.
Alternativ, aber nicht dargestellt, kann der spektroskopische Infrarotdetektor 6 auch als eine multispektrale IR-Kamera ausgebildet sein.
Des Weiteren kann der Infrarotdetektor 6 einen IR-empfindlichen Matrixdetektor (Focal Plane Array) aufweisen, um über ein Blickfeld an einer Vielzahl von räumlichen Positionen IR-Spektren aufzunehmen. Dadurch wird eine hohe Zahl gleichzeitiger Messungen sowie durch deren räumliche Anordnung die Abbildung von Gaswolken erreicht.
Alternativ kann der Infrarotdetektor auch mit einem Einzelelementdetektor ausgebildet sein. Um dann eine räumliche Verteilung zu vermessen, ist eine scannende Bewegung des Infrarotdetektors notwendig.
Der Matrixdetektor und der Einzelelementdetektor können dabei als Quecksilber-Kadmium-Tellur-Detektorelement, als Mercury Cadmium Telluride (MCT)-Detektor oder auch als Mikrobolometer ausgebildet sein.
Des Weiteren weist der in 1 dargestellte mobile Gassensor 2 eine optische Kamera 18 auf. Die optische Achse 20 der Kamera 18 ist korreliert, insbesondere parallel zur optischen Achse 16 der Infrarotdetektors 6 ausgerichtet, um eine Überlagerung der aufgenommenen räumlichen Informationen zu erleichtern.
Der mobile Gassensor 2 weist weiterhin eine Datenverarbeitungseinheit 22 zum Aufnehmen und Auswerten der gemessenen Infrarotspektren des Infrarotdetektors 6 und der optischen Bilder der optischen Kamera 18, zur Bestimmung von Gassignaturen und gegebenenfalls von Säulendichten von detektierten Gasen aus den gemessenen IR-Spektren und zum Kombinieren der Gassignaturen und gegebenenfalls der Säulendichten mit dem aufgenommenen Kamerabild. Gegebenenfalls dient die Datenverarbeitungseinheit 22 auch zur Steuerung des Infrarotdetektors 6 und der optischen Kamera 16.
Des Weiteren ist eine Datenschnittstelle 24 für eine Anzeigevorrichtung 25 vorgesehen. Im in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Anzeigevorrichtung 25 in dem Gehäuse 4 integriert und bildet mit den anderen Bestandteilen des mobilen Gassensors 2 eine Einheit.
Alternativ kann die Datenschnittstelle 24 auch mit einem Kommunikationsmittel versehen sein, um die anzuzeigenden Informationen auf einer separaten Anzeigevorrichtung anzuzeigen. Die Kommunikation erfolgt dabei bevorzugt drahtlos, beispielsweise mittels WLAN oder Bluetooth. Die separate Anzeigevorrichtung kann dabei ein Notebook oder ein Smart Device sein.
Die Datenverarbeitungseinheit 22 ist für die genannten Aufgaben entsprechend eingerichtet und weist mindestens einen Mikroprozessor, mindestens ein Speicherelement und Schnittstellen zu verschiedenen Dateneingängen und Datenausgängen auf. Die genannten Elemente sind herkömmliche Elemente.
Wenn der spektroskopische Infrarotdetektor 6 mit einem Einzeldetektorelement ausgestattet ist, dann scannt der Infrarotdetektor 6 den räumlichen Beobachtungsbereich der optischen Kamera 18 beispielsweise durch manuelles Bewegen des Infrarotdetektors. An jedem vorgegebenen räumlichen Überwachungswinkelbereich wird dann ein Spektrum und ein Videobild aufgenommen und der Auswertung zugeführt. Durch die Verknüpfung von Spektrum und Videobild ist die Zuordnung der Position des Spektrums im zusammengesetzten Bild mittels Bilderkennung möglich. Auf diese Weise lassen sich auch ausgedehnte Gaswolken abtasten und darstellen.
Ist der spektroskopische Infrarotdetektor 6 mit einem Matrixdetektor ausgestattet, so wird der räumliche Beobachtungsbereich der optischen Kamera 18 an einer Vielzahl von Messpunkten (Pixeln) aufgenommen. Infrarotlicht, welches entlang der zentralen Achse durch das Interferometer tritt, trifft das Zentrum des Matrixdetektors. Benachbarte Pixel des Matrixdetektors, die auch als Einzeldetektoren betrachtet werden können, empfangen Licht, aus einem anderen Raumwinkelbereich. Somit kann der räumliche Beobachtungsbereich ortsaufgelöst und in jedem Pixel separat spektroskopisch vermessen werden.
Des Weiteren weist der mobile Gassensor 2 ein Positionsbestimmungsmittel 26 auf, das als ein Satelliten-basiertes oder ein WLAN-basiertes Positionsbestimmungsmittel ausgebildet ist. Das Ausgangssignal des Positionsbestimmungsmittels 26 wird auf die Datenverarbeitungseinheit 22 übertragen und die Datenverarbeitungseinheit 22 verknüpft das kombinierte Bild, das aus durch Infrarotspektren gewonnenen Informationen und mindestens einem optisch aufgenommenen Bild erzeugt worden ist, mit mindestens einer Positionsinformation. Somit kann eine Folge von Aufnahmen auch anhand des Positionssignals ausgewertet und/oder dargestellt werden.
Zusätzlich ist bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ein Richtungssensor 28 vorgesehen, der beispielsweise als Kompass oder als Gyroskop ausgebildet ist und der zur Bestimmung der räumlichen Ausrichtung des Infrarotdetektors 6 und der optischen Kamera 18 vorgesehen ist. Somit kann zu jeder Aufnahme zusätzlich oder alternativ die genaue Blickrichtung des mobilen Gassensors 2 festgehalten werden.
Weiterhin kann die Datenverarbeitungseinheit 22 aus mindestens zwei Messungen von Infrarotspektren und zugehörigen Kamerabildern sowie aus den gemessenen Positionen und Ausrichtungen eine räumliche Ortung der Gasemission durchführen. Somit kann ausgehend von zwei oder mehr Aufnahmen der Ort der Gasemission festgestellt werden.
Alternativ kann die Kamera 18 auch als eine Stereokamera zum Erstellen von dreidimensionalen Kamerabildern ausgebildet sein. Eine solche Ausgestaltung ist in 2 zu erkennen, die nachfolgend beschrieben wird.
Zusätzlich oder alternativ kann ein Entfernungsmesser 30, beispielsweise ein Laser-Entfernungsmesser vorgesehen sein, der auf die Achsen 16 und 20 ausgerichtet ist und dessen Messwerte ebenfalls auf die Datenverarbeitungseinheit 22 übertragen werden. Die Datenverarbeitungseinheit 22 verknüpft dann die gemessenen Entfernungswerte mit den aus den aufgenommenen Spektren gewonnenen Informationen und den Kamerabildern. Der Entfernungsmesser 30 kann daher die Entfernungsinformation in der Richtung der Achsen 16 und 20 bestimmen, ohne dass es einer räumlichen Auflösung von zwei oder mehreren Aufnahmen bedarf.
2 zeigt eine schematische dreidimensionale Darstellung eines erfindungsgemäßen mobilen Gassensors 2 mit dem Gehäuse 4. An einer Stirnseite des Gehäuses 4 sind die Öffnungen des Infrarotdetektors 6 sowie zwei Kameras 18a und 18b der Kamera 16 dargestellt. Die Kamera 18 ist also Stereokamera ausgebildet, die bei jeder Aufnahme eine Auswertung als stereoskopisches Bild ermöglicht. Weiterhin ist der Ausgang des Entfernungsmessers 30 zu erkennen.
Die Mobilität des Gassensors 2 wird durch einen Handgriff 32 unterstützt, so dass der Gassensor 2 einfach und handgetragen bedienbar ist. Am in 2 hinteren Ende des Gehäuses 4 ist noch ein Batteriespeicher 34 zur Stromversorgung der Komponenten vorgesehen.
3 zeigt eine schematische dreidimensionale Darstellung eines erfindungsgemäßen mobilen Gassensors 2 nach 2 zur Befestigung an einem Tragegestell 36, das für eine Benutzung einer Kamera als Steadicam geeignet ist. Das Tragegestell 36 weist ein Stativteil 38 und einen Halterung 40 auf. Die Halterung 40 wird von einer Person getragen und das Stativteil 38 wird in bekannter Weise mit der Haltung 40 verbunden. Durch die Nutzung des Steadicam-Traggestells 36 wird die Handhabung des mobilen Gassensors 2 weiter verbessert.
4 eine schematische dreidimensionale Darstellung des erfindungsgemäßen mobilen Gassensors 2 nach 2 zur Befestigung auf einem mobilen Stativ 42. Für eine Aufnahmeserie Vorort kann der mobile Gassensor 2 zeitweise stationär angeordnet werden, um die notwendigen Aufnahmen an einem Standort zu machen. Am Stativ ist in diesem Fall eine Halterung 44 für ein Notebook 46 vorgesehen, das mit der Schnittstelle 24 (siehe 1) verbunden ist und für eine bildliche Darstellung der aufgenommenen Bilder geeignet ist. Somit kann Vorort eine zumindest vorläufige Auswertung der Messergebnisse erfolgen. Gegebenenfalls kann das Notebook 46 auch für eine Datenspeicherung dienen.
Alternativ zur in dem Gehäuse 4 angeordneten Auswerteeinheit 22 (siehe 1) kann bei einer Anbindung eines Notebooks die Funktionalität der Auswerteeinheit 22 durch das Notebook zumindest teilweise oder auch ganz übernommen werden. In einer solchen Anordnung reduziert sich die Anzahl der im Gehäuse anzuordnenden Teile.
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand der beschriebenen Ausführungsbeispiele der mobilen Gassensoren erläutert, wobei in 5 ein Beispiel der Darstellung der aufgenommenen und ausgewerteten Daten in einem Bildschirmbereich gezeigt ist.
Das Verfahren zur Detektion und Abbildung von Gasemissionen mit einem der zuvor erläuterten mobilen Gassensoren 2 beginnt damit, dass mittels eines spektroskopischen Infrarotdetektors 6 ortsaufgelöst Infrarotspektren aufgenommen werden. Gleichzeitig werden mit einer optischen Kamera 18 mindestens optische Bilder aufgenommen. Dabei sind die Ausrichtungen des spektroskopischen Infrarotdetektors 6 und der optischen Kamera 18 zueinander korreliert, vorliegend sind die beiden optischen Achsen 16 und 20 parallel zueinander ausgerichtet.
Mit einer Datenverarbeitungseinheit 22 werden die gemessenen Infrarotspektren aufgenommen und ausgewertet, woraus Gassignaturen und gegebenenfalls Säulendichten von detektierten Gasen bestimmt werden.
Des Weiteren werden die Gassignaturen und gegebenenfalls die Säulendichten mit dem mindestens einen aufgenommenen Kamerabild kombiniert und das kombinierte Bild wird auf einem Bildschirm angezeigt.
5 zeigt ein Beispiel einer kombinierten Darstellung im Abschnitt A. Im Hintergrund ist das optische Bild der Kamera 18 zu erkennen, während damit überlagert ein Fadenkreuz und eine farbige Darstellung der Gasverteilung in Form einer Säulendichte in der Mitte des Abschnittes A gezeigt wird.
Bei der Aufnahme des optischen Bildes gibt es die Möglichkeit eines einzelnen Bildes oder eines Panoramabildes, das durch Schwenken des mobilen Gassensors 2 und durch Stitchen der aufgenommenen optischen Bilder erzeugt werden kann.
Weiterhin wird bei dem Verfahren das kombinierte Bild (Abschnitt A) mit mindestens einer gemessenen Positionsinformation verknüpft. Dadurch kann der Weg aufgenommen und festgehalten werden, der mit dem mobilen Gassensor abgegangen worden ist. Der Weg ist in Abschnitt B in 5 eingezeichnet, und entlang des Weges sind mit Punkten die Orte eingezeichnet, an denen eine Messung durchgeführt worden ist.
Des Weiteren ist in 5 im Abschnitt C die zeitliche Entwicklung zu vorgegebenen emittierten Gasen eingezeichnet. Die x-Achse gibt dabei die zurückgelegte Wegstrecke ein und die Intensität wird in y-Richtung aufgetragen.
Im Abschnitt D wird zudem eine zeitliche Abfolge von Ereignissen mit nachgewiesenen Gasemissionen aufgelistet.
In 6 ist eine schematische Darstellung eines spektroskopischen Sensors 2 mit einem Matrixdetektor (FPA) 60 mit Strahlengang dargestellt. Zunächst ist ein Ausschnitt 50 eines Kamerabildes der optischen Kamera 18 gemäß 1 dargestellt. Der Sensor 2 weist ein Fourier-Transform-Infrarotspektrometer (FTIR)-Spektrometer 14 auf, das einen ersten Spiegel 52 und einen zweiten Spiegel 54, einen dazwischen angeordneten Strahlteiler 56 und den Matrixdetektor (FPA) 60 aufweist. Ein nicht dargestellter Spiegelantrieb erzeugt eine Bewegung des Spiegels 52, die mit dem Doppelpfeil 58 dargestellt ist, so dass durch eine abwechselnde Vorwärts- und Rückwärtsbewegung mit konstanter Geschwindigkeit kontinuierlich der Abstand der Spiegel 52 und 54, auch Interferometerspiegel genannt, verändert wird.
In 6 von links einfallendes Infrarotlicht wird am Strahlteiler 56 in zwei Teilstrahlen aufgeteilt und in Richtung der beiden Spiegel 52 und 54 gelenkt. Die an den Spiegeln 52 und 54 reflektierten Strahlen werden am Strahlteiler 56 erneut in Teilstrahlen aufgeteilt, von denen zwei nach unten verlaufen. Mittels einer Optik 58 werden diese beiden Teilstrahlen dann auf einem Matrixdetektor 60 (FPA) abgebildet. Das vom Matrixdetektor gemessene Signal wird zeitlich erfasst und für eine weitere Verarbeitung zwischengespeichert.
Bei dem in 6 dargestellten Sensor 2 sind exemplarisch zwei Lichtstrahlen hervorgehoben. Einerseits verläuft ein erster Lichtstrahl 62 ausgehend von einer im Bildausschnitt markierten Stelle entlang der optischen Achse (mittig) durch den Sensor 2, dieser ist mit einer durchgezogenen Linie dargestellt. Andererseits verläuft ein weiterer Lichtstrahl 64, dargestellt mit einer gestrichelten Linie, ausgehend von einem benachbarten Bereich in dem Bildausschnitt 50 in einem schrägen Winkel zum ersten Lichtstrahl 62 und wird zeitgleich auf ein anders Pixel, bzw. Detektorelement des Matrixdetektors 60 abgebildet.
Nach der Fokussierung durch die Optik 58 treffen die den beiden Lichtstrahlen 62 und 64 zugeordneten Teilstrahlen auf den Matrixdetektor 60, aber an verschiedenen Positionen. Somit ist der Matrixdetektor 60 in der Lage, mit verschiedenen Pixeln seiner Matrix getrennt zeitliche Überlappungssignale bzw. Interferogramme zu messen. Mit anderen Worten kann der Matrixdetektor 60 Interferogramme für unterschiedliche Bildbereiche eines Bildausschnitts 50 gleichzeitig erfassen, die mittels Fourier-Transformation in Infrarotspektren umgerechnet werden. Auf diese Weise lassen sich mit einem Spiegeldurchgang in Abhängigkeit der Anzahl der Detektorelemente des Matrixdetektors 60 (Pixel des FPA) zeitgleich mehrere tausend Interferogramme messen, was eine direkte abbildende spektroskopische Aufnahme zur Folge hat.
In 6 sind unterhalb des Matrixdetektors 60 schematisch die den beiden Lichtstrahlen 62 und 64 zugeordneten Interferogramme 70 und 72 dargestellt. Diese zeitlich aufgelösten Interferogramme 70 und 72 werden mittel Fast Fourier Transformation (FFT) in den Frequenzraum transformiert. Die entsprechenden zugeordneten Infrarotspektren 74 und 76 sind in 6 jeweils neben den Interferogrammen 70 und 72 dargestellt.
Bei einem Vergleich der beiden Infrarotspektren 74 und 76 fällt auf, dass im Infrarotspektrum 76 eine Absorptionslinie bzw. eine Absorptionssignatur 78 zu erkennen ist, die im Infrarotspektrum 74 nicht auftritt. Der Grund dafür liegt darin, dass an der Bildposition, an der die Absorptionssignatur 78 gemessen wurde, ein Gas vorhanden ist, an einer anderen Stelle im Bild mit der Absorptionssignatur 76 dagegen nicht vorhanden ist. Das Vorhandensein der spektralen Absorptionssignatur 78 ist ein eindeutiges Identifikationsmerkmal für das Vorhandensein eines Gases.
Die Funktionsweise des Sensors nach 6 ist mittels zweier Lichtstrahlen 62 und 64 erläutert worden. Grundsätzlich kann der Matrixdetektor 60 mit sämtlichen Pixeln Interferogramme aufnehmen, so dass eine hohe Parallelität in der Erfassung von Stoffen einer Gasemission, bzw. eine hohe Ortsauflösung (vergleichbar digitale Videokamera) realisiert werden kann.

Claims

Mobiler optischer Gassensor zur Detektion und Abbildung von Gasemissionen, - mit einem spektroskopischen Infrarotdetektor (6) zur ortsaufgelösten Aufnahme von Infrarotspektren, - mit einer optischen Kamera (18), - wobei die Ausrichtungen des spektroskopischen Infrarotdetektors (6) und der optischen Kamera (18) zueinander korreliert sind, - mit einer Datenverarbeitungseinheit (22) zum Aufnehmen und Auswerten der gemessenen Infrarotspektren und der optischen Bilder, zur Bestimmung von Gassignaturen und gegebenenfalls von Säulendichten von detektierten Gasen und zum Kombinieren der Gassignaturen und gegebenenfalls der Säulendichten mit dem aufgenommenen Kamerabild und - mit einer Datenschnittstelle (24) für eine Anzeigevorrichtung (25).
Mobiler optischer Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine integrierte Anzeigevorrichtung (25) zur Darstellung des kombinierten Bildes vorgesehen ist.
Mobiler optischer Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine separate mobile Anzeigevorrichtung (46) zur Darstellung des kombinierten Bildes vorgesehen ist.
Mobiler optischer Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der spektroskopische Infrarotdetektor (6) mit einem Einzeldetektorelement den räumlichen Beobachtungsbereich der optischen Kamera (18) scannt, insbesondere durch Bewegen des Gassensors.
Mobiler optischer Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der spektroskopische Infrarotdetektor (6) mit einem Matrixdetektor den räumlichen Beobachtungsbereich der optischen Kamera (18) an einer Vielzahl von Messpunkten (Pixeln) aufnimmt.
Mobiler optischer Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, - dass ein Positionsbestimmungsmittel (26), insbesondere ein Satelliten-basiertes oder ein WLAN-basiertes Positionsbestimmungsmittel, vorgesehen ist und - dass die Datenverarbeitungseinheit (22) das kombinierte Bild mit mindestens einer Positionsinformation verknüpft.
Mobiler optischer Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Richtungssensor (28), insbesondere ein Kompass oder ein Gyroskop, zur Bestimmung der räumlichen Ausrichtung des Infrarotdetektors (6) und der optischen Kamera (18) vorgesehen ist.
Mobiler optischer Gassensor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinheit (22) aus mindestens zwei Messungen von Infrarotspektren und zugehörigen Kamerabildern sowie aus den gemessenen Positionen und/oder Ausrichtungen eine räumliche Ortung der Gasemission durchführt.
Mobiler optischer Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (18) in Form einer 3D- Kamera(18a, 18b) zum Erfassen von Entfernungsinformationen ausgebildet ist und - dass die Datenverarbeitungseinheit (22) die gemessenen Entfernungswerte mit den aufgenommenen Spektren und den Kamerabildern verknüpft.
Mobiler optischer Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, - dass ein Entfernungsmesser (30), insbesondere ein Laser-Entfernungsmesser vorgesehen ist und - dass die Datenverarbeitungseinheit (22) die gemessenen Entfernungswerte mit den aufgenommen Spektren und den Kamerabildern verknüpft.
Verfahren zur Detektion und Abbildung von Gasemissionen mit einem mobilen Gassensor, insbesondere einem Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, - bei dem mittels eines spektroskopischen Infrarotdetektors ortsaufgelöst Infrarotspektren aufgenommen werden, - bei dem mit einer optischen Kamera mindestens ein optisches Bild aufgenommen wird, - wobei die Ausrichtungen des spektroskopischen Infrarotdetektors und der optischen Kamera zueinander korreliert sind, - bei dem mit einer Datenverarbeitungseinheit die gemessenen Infrarotspektren aufgenommen und ausgewertet werden, - bei dem Gassignaturen und gegebenenfalls Säulendichten von detektierten Gasen bestimmt werden, - bei dem die Gassignaturen und gegebenenfalls die Säulendichten mit dem mindestens einen aufgenommenen Kamerabild kombiniert werden und - bei dem das kombinierte Bild angezeigt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das kombinierte Bild mit mindestens einer gemessenen Positionsinformation verknüpft wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem das kombinierte Bild mit einer gemessenen räumlichen Ausrichtung des Infrarotdetektors und der optischen Kamera verknüpft wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem aus mindestens zwei Messungen von Infrarotspektren und zugehörigen Kamerabildern sowie aus den gemessenen Positionsinformationen und den gemessenen räumlichen Ausrichtungen des Infrarotdetektors und der optischen Kamera eine räumliche Ortung der Gasemission bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei dem mittels einer Kamera ein Kamerabild mit Entfernungsinformationen erzeugt und mit den Gassignaturen und gegebenenfalls den Säulendichten kombiniert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, bei dem Entfernungswerte gemessen und mit den aufgenommenen Spektren und den Kamerabildern verknüpft werden.