Тепловизионные камеры на базе QWIP-детекторов для поиска утечек газа

Природный газ не имеет цвета и запаха, поэтому его утечки всегда опасны. Чтобы человек мог вовремя обнаружить опасность и принять меры, в состав смеси добавляют специальные вещества — одоранты. Благодаря этому газ приобретает характерный запах, по которому можно обнаружить утечку. 

Но поставить по контроллеру на каждом километре газопроводов или в каждом помещении с газовым оборудованием не представляется возможным. А утечки газа не только могут спровоцировать пожар и взрыв, но и снижают общую эффективность тепловых магистралей.

Установка газоанализаторов позволяет частично решить эту проблему, но они не могут локализовать место утечки. В настоящее время на рынке присутствуют тепловизоры, способные визуализировать газовый факел, невидимый для других типов устройств. Они позволяют обнаруживать утечки не только природного, но и других используемых в промышленности газов.

 

 

Как с помощью тепловизора обнаружить утечку газа

 

В нашем блоге мы уже не раз писали о тепловизионных камерах различных спектральных диапазонов, способных видеть сквозь пыль, дым и туман. Зная об этих свойствах, вы можете справедливо задаться вопросом, как же с помощью тепловизора обнаружить утечку невидимых веществ.

 

 

Однако газы, использующиеся в химической промышленности, а также в качестве хладагентов и энергоносителей, обладают свойством поглощать инфракрасное излучение на определенной длине волны. Благодаря этому они успешно обнаруживаются чувствительной к соответствующему диапазону камерой.

Для визуализации утечек метана и других углеводородов применяются камеры со спектральным диапазоном 3,2-3,5 мкм. Утечку гексафторида серы (элегаза), диоксида хлора, аммиака и прочих вредных для окружающей среды газов определяют с помощью камер, работающих в спектральном диапазоне 10,2-10,5 мкм.

В отличие от камер, предназначенных для мониторинга и охраны, тепловизоры для контроля за утечками газа являются узкоспециализированными устройствами и чувствительны в ограниченном диапазоне длин волн.

Для ограничения диапазона спектральной чувствительности камеры оснащаются фильтрами. В приборах, сконструированных на базе детекторов на квантовых ямах (QWIP — Qantum Well Infrared Photodetector), ширина спектра определяется самой технологией.

 

 

Устройство QWIP-детектора

 

QWIP-детектор состоит из нескольких полупроводниковых слоев. Полупроводник с узкой запрещенной зоной помещают между полупроводниками с широкой запрещенной зоной. В результате электроны, оказавшиеся в центральном слое, оказываются запертыми в нем, что приводит к эффекту квантования энергии в поперечном направлении.

 

 

Эти структуры выращиваются на подложке из арсенида галлия. Спектральная чувствительность прибора зависит от ширины и глубины квантовой ямы, которая, в свою очередь, определяется толщиной слоя полупроводника с узкой запрещенной зоной.

Использование технологии квантово-размерных эффектов позволяет увеличить спектральный диапазон детекторов на квантовых точках и даже реализовать схему с двумя окнами спектральной чувствительности, но для задач обнаружения утечек газа эти функции являются избыточными.

Принцип действия детектора на квантовых ямах требует обязательного охлаждения матрицы до криогенных температур, поскольку при комнатной температуре у электронов может оказаться достаточно тепловой энергии для преодоления запрещенной зоны и конечное изображение сильно пострадает из-за шумов.

Охлаждение до криогенных температур снижает тепловую энергию электронов, и преодолеть запрещенную зону они могут, только будучи возбужденными попавшими на приемник фотонами.

Еще одним важным нюансом работы QWIP-детектора является необходимость поляризации падающего излучения вдоль слоя с квантовыми ямами. Как правило, для ввода излучения в поляризационный слой используют двумерную поляризационную решетку.

 

 

Важность точной и быстрой локализации утечек газа

 

Современная промышленность — как добывающая, так и перерабатывающая — производит и потребляет большое число разнообразных газов. Их утечка может привести к ряду негативных последствий:

• угроза отравления людей;
• угроза пожара или взрыва;
• загрязнение окружающей среды;
• усиление парникового эффекта;
• экономические потери;
• и другие.

 

Поэтому необходимость своевременного обнаружения и устранения утечек очевидна.

В настоящее время применяется несколько методов, отличающихся сложностью реализации и стоимостью:

1. Обмыливание мест возможной утечки. Этот метод позволяет обнаружить точное место утечки, а также локализовать сразу несколько утечек на одном участке. Но мыльный раствор приводит к коррозии металлов, что снижает срок эксплуатации оборудования. Этот метод неприменим на объектах, находящихся в местах с минусовой температурой. Также он трудозатратный и малоэффективный.

2. Установка газоанализатора. Этот метод не позволяет точно определить место утечки и лишь дает информацию о превышении концентрации определенного газа. Детектор прибора настроен на регистрацию определенного газа и не сможет зарегистрировать утечку другого. К плюсам можно отнести компактность и возможность использования каждым сотрудником персонального прибора.

3. Акустические детекторы. Определяют утечку различных типов газов, но действуют на небольшом расстоянии, а интерпретация их показаний может представлять сложность даже для опытного специалиста.

4. Оптические детекторы. Самый дорогой из представленных вариантов. Однако позволяет определять утечку большинства используемых в промышленности газов на безопасном для человека расстоянии. За счет детектирования инфракрасного излучения есть возможность определить температуру газового факела.

 

 

Преимущества использования тепловизоров для поиска утечек газа

 

Несмотря на относительно высокую стоимость газодетекторных тепловизионных камер, их использование для контроля газового оборудования и магистралей может принести выгоду в долгосрочной перспективе.

Во-первых, принцип действия газодетекторной тепловизионной камеры с QWIP-сенсором делает ее очень чувствительной — вплоть до регистрации единичных фотонов. Благодаря этому можно осуществлять мониторинг утечек на безопасном для человека расстоянии.

Во-вторых, помощью тепловизора можно обнаружить утечку в кратчайшие сроки и без остановки производственного процесса, что особенно критично на производствах, остановка которых может привести к большим финансовым потерям.

В-третьих, дистанционное наблюдение и особенности работы с ИК-диапазоном дают возможность проверять труднодоступные соединения.

В-четвертых, своевременный контроль и устранение утечек упрощают соблюдение экологического законодательства и минимизируют вероятность получения штрафов.

В-пятых, мониторинг температуры соединений и деталей позволяет осуществлять профилактику утечек.

 

 

Где используются газодетекторные тепловизионные камеры

 

Существуют как стационарные исполнения для непрерывного наблюдения за наиболее опасными и критически важными объектами, так и переносные варианты для проведения плановых или экспресс-инспекций. Тепловизоры для поиска утечек газа используются на:

• Крупных нефтехимических производствах. Большое число мест потенциальных утечек делают работу газоанализаторов неэффективной. С помощью тепловизоров локализовать утечку быстрее и проще.
• Сталелитейных заводах. Утечка угарного газа может представлять серьезную угрозу для персонала и окружающей среды.
• На ТЭЦ и АЭС. Своевременное обнаружение утечки охлаждающего водорода — важное условие предотвращения серьезной аварии.
• Для визуализации токсичных хладагентов.
• На высоковольтных линиях для предотвращения утечек элегаза из высоковольтных выключателей и КРУО.

 

 

Как выбрать тепловизор для поиска утечек газа

 

Первое, с чем нужно определиться — это с видом газа, утечку которого предполагается детектировать. Для повышения видимости определенных газов на газодетекторные камеры устанавливается фильтр, ограничивающий диапазон спектральной чувствительности. Спектры поглощения большинства используемых в промышленности газов лежат в двух окнах: 3,2-3,5 мкм и 10,2-10,5 мкм.

Тепловизор с чувствительностью в диапазоне 3,2-3,5 мкм подойдет для регистрации утечек:

• Бензола;
• Этанола;
• Этилбензола;
• Гептана;
• Изопрена;
• МЕК;
• МИБК;
• и других газов.

 

Тепловизор с чувствительностью в диапазоне 10,2-10,5 мкм подойдет для регистрации утечек:

• SF6;
• Аммиака;
• Этилена;
• Фреона 11 и 12;
• Ацетилхлорида;
• Фурана;
• Гидразина;
• и других.

 

С типом матрицы все проще: большинство представленных на рынке моделей оснащены QWIP-детекторами. Альтернативой им являются КРТ-устройства. Но из-за более сложной эксплуатации и более высокой стоимости они существенно уступают по распространенности. Устройства на квантовых ямах имеют более низкую эффективность преобразования и более высокую чувствительность к темновому току, однако для эффективного обнаружения утечек газа их характеристик достаточно.

Поле зрения влияет на размер контролируемой области. Если вам необходимо наблюдать за относительно большим помещением, стоит обратить внимание на этот параметр.

Фокусное расстояние влияет на дистанцию, с которой можно обнаружить утечку. Для большинства представленных на рынке моделей фокусное расстояние колеблется между 0,25 и 0,8 м.

Также стоит обратить внимание на дополнительные возможности: наличие дисплея, возможности записи информации на сменный носитель, совместимость сохраняемых данных со стандартными форматами и другие.

В каталоге нашей компании представлены несколько моделей газодетекторных тепловизионных камер, предназначенных для визуализации большинства используемых в промышленности газов. Они оснащены современными охлаждаемыми детекторами на квантовых ямах и обладают большим количеством дополнительных функций.

Тепловизионная камера модели GF706 предназначена для быстрой регистрации утечек SF6 и имеет диапазон спектральной чувствительности 10,3-10,7 мкм с пиком на 10,55 мкм. Она оснащена охлаждаемым QWIP-детектором с разрешением 320х256 пикселей, видеокамерой с разрешением 5 Мп, цветным OLED микродисплеем и 5-дюймовым LCD-экраном.

 

 

Несколько режимов работы, регулируемые яркость и контраст, настраиваемая цветовая палитра и другие дополнительные функции позволяют решать широкий спектр задач. Объем встроенной памяти (SD) варьируется от 8 до 32 Гб, данные можно сохранять в формате jpeg-изображений или MPEG-4 (для видео).

 

Тепловизионная камера модели FG-106 имеет широкий набор дополнительных функций: коррекция изображений, плавный зум, изотермия, термография и другие. Помимо регистрации утечек элегаза способна обнаруживать другие опасные и вредные газы.

 

 

Для определения утечек на нефтехимическом производстве мы предлагаем газодетекторные тепловизионные камеры моделей Gl1000 и FG-100. Они способны быстро визуализировать большинство взрывоопасных летучих органических соединений, осуществить точное определение температуры газа, оснащены видоискателем высокой точности и дисплеем с высоким разрешением.

 

 

Все приборы являются компактными, переносными, могут использоваться в полевых условиях и эксплуатироваться в широком диапазоне температур окружающей среды.

 

 

Заключение

 

На сегодняшний день газодетекторные тепловизионные камеры являются самым надежным и эффективным способом обнаружения утечек. Традиционные методы также обладают рядом преимуществ и в сочетании с инфракрасным детектированием способны свести вероятность серьезной аварии к минимуму. 

Технология производства детекторов для тепловизионных камер достаточно сложна, что делает эти устройства дорогими. Тем не менее, польза, которую они приносят в деле профилактики и своевременного обнаружения утечек взрывоопасных и вредных газов, в долгосрочной перспективе компенсирует затраты на приобретение оборудования.

Число видов газов, применяемы в промышленности, исчисляется десятками. Но в большинстве случаев их спектр поглощения лежит в двух узких областях, что упрощает выбор оборудования для обнаружения утечек.

Если у вас есть вопросы по выбору газодетекторной тепловизионной камеры, то свяжитесь с нами по телефону или e-mail, и наши специалисты с радостью вам помогут.