Оптические методы определения утечек промышленных газов и их перспективное развитие
Известно, что ещё около 100 лет назад шахтёры, спускаясь в забой, часто брали с собой клетку с канарейкой. Дело в том, что лёгкие этой птички гораздо более чувствительны к выбросам таких опасных газов как метан (CH₄) и углекислый газ (СО2), чем дыхательная система человека, и по состоянию канарейки можно было безошибочно определить присутствие в атмосфере шахты этих веществ ещё до того, как их концентрация станет критичной. Возможно, это и был один из первых методов оптического газоанализа.
Необходимость газодетекции продиктована прежде всего тем, что большинство газов и газовых смесей, используемых как энергоносители и хладагенты, а также газы, участвующие в различных технологических процессах химической промышленности, невидимы невооружённым глазом, хотя многие из них, попадая в воздух, могут нести смертельную опасность для человека или представлять собой угрозу для экологии. Главным этапом предотвращения аварий, связанных с выбросами промышленных газов, является своевременное определение места их утечки, а также получение информации о её интенсивности и распределении газовых потоков. При этом давно было замечено, что многие газы, не обнаруживаемые в видимом диапазоне, имеют определённый спектральный отклик в инфракрасном (ИК) спектре:
Однако основной проблемой при прямой оптической детекции этих газов с помощью тепловидения, помимо очень короткого промежутка их спектральной интенсивности, была их низкая тепловая контрастность на фоне окружающих объектов. По этой причине классические
оптические газоанализаторы используют ИК подсветку для определения концентрации
газообразных веществ в определённом объёме:
Но метод ИК подсветки газов на дистанции далее нескольких метров малоэффективен, и лишь по прошествии определённого времени появились высокочувствительные ИК сенсоры с показателем разницы температур, эквивалентной шуму (NETD) менее 25мК, позволяющие напрямую дистанционно визуализировать утечки промышленных газов с применением специальных алгоритмов обработки детектируемого оптического сигнала:
ОБНАРУЖЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ ГАЗОВ ТЕПЛОВИЗОРОМ
| Тип газа | Спектральный диапазон обнаружения, мкм | Тип детектора | NETD при + 30°C, мК |
| Углеводороды (СхНх) | 3,2 - 3,4 | Охлаждаемый InSb (антимонид индия) | <20 |
| Диоксид серы (SО2), оксид азота (N2O) | 7 - 8,5 | Неохлаждаемый Микроболометр α-Si (аморфный кремний) | <25 |
| Хладагенты (RX) | 8 - 8,6 | Охлаждаемый QWIP (GaAs – арсенид галия) | <15 |
| Гексафторид серы (SF6), аммиак (NH3) | 10,3 - 10,7 | Охлаждаемый QWIP (GaAs – арсенид галия) | <15 |
| Угарный (СО) и углекислый (СО2) газы | 4,52 - 4,57 (СО) / 4,2 - 4,4 (СО2) | Охлаждаемый InSb (антимонид индия) | <20 |
Из приведённых выше в таблице типов ИК детекторов (фотоприёмных устройств) особую роль в развитии технологий прямой визуализации газовых утечек сыграли детекторы на основе эффекта квантовых ям (QWIP). Такие фотоприёмники стали первыми ИК детекторами барьерного типа, которые помимо высокой чувствительности обладали высокой стабильностью и высокой межпиксельной однородностью, а также имели количество работоспособных пикселей, близкое к 100% и широкий диапазон поглощения ИК лучей при соответствующих настройках (3-20мкм). Можно сказать, что именно появление QWIP фотоприёмников на коммерческом рынке дало толчок развитию такой области тепловидения, как газодетекция.
В настоящее время всё большее распространение в области визуализации газовых утечек получает новое поколение ИК детекторов барьерного типа – это фотоприёмные матрицы на основе полупроводниковых структур, именуемых сверхрешётками II типа (Type-II superlattice – T2SL). Их главными преимуществами, по сравнению с QWIP детекторами, являются большая энергоэффективность, более высокая тепловая чувствительность (показатель NETD менее 10 мК), а также потенциально более низкая стоимость производства. Современные тепловизионные газодетекторные камеры, построенные на базе таких фотоприёмников, представляют собой целый измерительный комплекс, позволяющий не только локализовать утечку газа, но также измерить её температуру с высокой точностью (± 1°C) и определить количественные показатели её объёма. Кроме того, в таких камерах доступен режим высокой частоты кадров (до 60Гц) и последовательное определение нескольких видов газовых утечек при смене оптических фильтров (метан (CН4), более 400 видов летучих органических соединений (VOCs), углекислый газ (СО2)). В ближайшей перспективе возможно появление универсальных газодетекторных камер с т.н. «двухцветными», т.е. двухдиапазонными детекторами с переключаемой длиной волны, работающими попеременно как в средневолновом (MWIR), так и в длинноволновом (LWIR) ИК диапазоне. Такой тип тепловизионных камер потенциально может визуализировать почти все виды промышленных газов, заменяя собой сразу несколько газоанализаторных оптических приборов.
Помимо использования специализированных тепловизионных камер, другим перспективным методом обнаружения газовых утечек является лазерная спектрометрия. В настоящее время уже широко применяются врезные газоанализаторы на основе метода абсорбционной спектроскопии с использованием перестраиваемого лазерного диода (TDLAS). Принцип действия такой лазерной системы заключается в пропускании через поток газа излучения полупроводникового лазера, которое на противоположной стороне достигает фотоприёмного устройства, фиксирующего лазерный луч и преобразующего его энергию в электрический сигнал. Далее вычислительное устройство определяет спектр поглощения измеряемого газового компонента, вычисляет площадь пика спектра, преобразует её в количественный показатель концентрации и выводит в качестве аналогового сигнала 4…20 мА:
Принципиальная схема работы газоанализатора TDLAS
Газоанализатор TDLAS может работать при давлениях до 2MПa и температуре до +1500°C, имеет быстрый отклик (6с) и свободен от влияния загрязняющих примесей в большинстве применений. С помощью данного метода возможно последовательное определение концентрации таких промышленных газов, как O2, HСl, NН3, HF, H2S, HCN, CO, CО2, H2O, CН4 за счёт использования в качестве излучателя перестраиваемого лазерного модуля.
Однако методика дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии (ДАОС) может применяться не только во врезных системах с входным и выходным окном, но и в газоанализаторах на основе модуляции лазерного излучения, подразумевающей детектирование не прямого, а отражённого оптического сигнала. Использование метода модуляционной спектроскопии ИК диапазона позволяет создавать компактные устройства для дистанционного обнаружения утечки заданного газа и определения его концентрации. Также для этой цели, помимо модуляционной спектроскопии, возможно применение принципа кросскорреляционной спектроскопии, при котором сравниваются сигналы, полученные с двух разных детекторов. Данные методы дистанционного обнаружения газовых утечек базируются на различных явлениях, происходящих в атмосфере при распространении в ней монохроматического оптического излучения (рассеяние Рэлея, рассеяние Ми, рассеяние Рамана и др.). Подобные приборы уже существуют в виде систем лазерного сканирования (LiDAR), которые используются для экологического мониторинга атмосферы или для фиксации наличия в ней боевых отравляющих веществ (БОВ), но их широкое применение для определения утечек промышленных газов требует определённой конструкционной доработки, в частности им необходима адаптация для установки на БПЛА и схема работы в полностью автоматическом режиме. В любом случае, появление подобных газоаналитических систем лазерного сканирования уже давно назрела.