Инфракрасный детектор открытого пути - Infrared open-path detector - Wikipedia

Инфракрасный открытый путь детекторы газа посылают луч инфракрасный свет, обнаруживающий газ в любом месте на пути луча. Этот линейный «датчик» обычно имеет длину от нескольких метров до нескольких сотен метров. Детекторы открытого пути можно противопоставить точечные инфракрасные датчики.

Они широко используются в нефть и нефтехимический отрасли, в основном для достижения очень быстрого обнаружение утечки газа для горючих газов при концентрациях, сопоставимых с нижний предел воспламеняемости (обычно несколько процентов по объему). Они также используются, но в меньшей степени, в других отраслях промышленности, где могут возникать легковоспламеняющиеся концентрации, например, в добыча угля и очистка воды. В принципе, этот метод также можно использовать для обнаружения токсичный газы, например сероводород при необходимых концентрациях в миллионных долях, но связанные с этим технические трудности до сих пор препятствовали широкому распространению токсичных газов.

Обычно на обоих концах прямого луча расположены отдельные блоки передатчика и приемника. В качестве альтернативы источник и приемник объединяются, и луч отражается от световозвращатель на дальнем конце пути измерения. Для портативного использования также были созданы детекторы, использующие естественный альбедо окружающих предметов вместо световозвращателя. Присутствие выбранного газа (или класса газов) определяется по его поглощение подходящей инфракрасной длины волны в луче. Дождь, туман и т. Д. На пути измерения также могут снизить мощность принимаемого сигнала, поэтому обычно проводят одновременное измерение на одной или нескольких опорных длинах волн. Затем количество газа, уловленного лучом, определяется из отношения потерь сигнала на измерительной и эталонной длинах волн. Расчет обычно выполняется микропроцессор который также выполняет различные проверки для подтверждения измерения и предотвращения ложных срабатываний.

Измеряемая величина - это сумма всего газа на пути луча, иногда называемая интегральная концентрация по траекториям газа. Таким образом, измерение имеет естественное смещение (желательное во многих приложениях) в сторону общего размера непреднамеренного выброса газа, а не концентрации газа, которая достигла какой-либо конкретной точки. В то время как естественные единицы измерения Инфракрасный точечный датчик части на миллион (ppm) или процент от нижнего предела воспламеняемости (% LFL), естественными единицами измерения для детектора открытого пути являются ppm.metres (ppm.m) или LFL.метры (LFL.m). Например, система пожарной и газовой безопасности на морская платформа в Северное море обычно детекторы настроены на показания полной шкалы 5LFL.m, при этом срабатывание сигнализации низкого и высокого уровня происходит при 1LFL.m и 3LFL.m соответственно.

Преимущества и недостатки по сравнению с детекторами с фиксированной точкой

Детектор открытого пути обычно стоит больше, чем одноточечный детектор, поэтому мало стимулов для приложений, которые играют на сильных сторонах точечного детектора: где точечный детектор может быть размещен в известном месте с самой высокой концентрацией газа, и приемлем относительно медленный отклик. Детектор открытого пути отлично подходит для наружных ситуаций, когда, даже если вероятный источник выделения газа известен, развитие развивающегося облака или шлейфа непредсказуемо. Газ почти наверняка попадет в протяженный линейный луч, прежде чем попадет в любую выбранную точку. Кроме того, точечные извещатели в открытых местах на открытом воздухе требуют установки погодозащитных экранов, что значительно увеличивает время отклика. Детекторы с открытым трактом также могут продемонстрировать экономическое преимущество в любом приложении, где для достижения такого же покрытия потребуется ряд точечных детекторов, например, мониторинг вдоль трубопровода или по периметру завода. Не только один извещатель 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 проходящего луча. На практике использовались следующие источники, всегда с некоторой формой модуляция для облегчения обработки сигнала на приемнике:

An лампа накаливания, модулируемый импульсным током, питающим нить, или механическим измельчитель. Для систем, используемых на открытом воздухе, источнику накаливания трудно конкурировать с интенсивностью Солнечный свет когда солнце светит прямо в приемник. Кроме того, трудно достичь частот модуляции, отличных от тех, которые могут быть получены естественным путем, например, с помощью мерцание тепла или солнечным светом, отражающимся от морских волн.

А газоразрядная лампа способен превышать спектральная мощность прямых солнечных лучей в инфракрасном диапазоне, особенно в импульсном режиме. В современных системах с открытым трактом обычно используется ксенон. вспышка питание от конденсатор увольнять. Такие импульсные источники по своей природе модулированы.

А полупроводниковый лазер обеспечивает относительно слабый источник, но он может модулироваться на высокой частоте по длине волны, а также по амплитуде. Это свойство позволяет использовать различные схемы обработки сигналов на основе Анализ Фурье, использования, когда поглощение газа слабое, но узкое в спектральная ширина линии.

Точный полосы пропускания длины волны используемые должны быть изолированы от широкого инфракрасного спектра. В принципе любой обычный спектрометр техника возможна, но NDIR техника с многослойный диэлектрик фильтры и светоделители. Эти компоненты, определяющие длину волны, обычно расположены в приемнике, хотя одна конструкция разделяет эту задачу с передатчиком.

На приемнике мощность инфракрасного сигнала измеряется с помощью некоторой формы инфракрасный детектор. В общем фотодиод детекторы предпочтительны и необходимы для более высоких частот модуляции, тогда как более медленные фотопроводящий детекторы могут потребоваться для более длинноволновых областей. Сигналы подаются на малошумящие усилители, то неизменно подчиняясь какой-либо форме цифровая обработка сигналов. В коэффициент поглощения газа будет варьироваться в зависимости от полосы пропускания, поэтому простой Закон Бера – Ламберта не может применяться напрямую. По этой причине при обработке обычно используется калибровочная таблица, применимые к конкретному газу, типу газа или газовой смеси, а иногда и настраиваемые пользователем.

Рабочие длины волн

Выбор длин волн инфракрасного излучения, используемых для измерения, во многом определяет пригодность детектора для конкретных приложений. Не только целевой газ (или газы) должен иметь подходящий поглощение спектра, длины волн должны лежать в спектральное окно поэтому воздух на пути луча сам по себе прозрачен. Эти области длин волн были использованы:

• Область 3,4 мкм. Все углеводороды и их производные сильно поглощают из-за режима растяжения C-H молекулярная вибрация. Обычно используется в точечные инфракрасные детекторы где длины пути обязательно короткие, а также для детекторов с разомкнутым трактом, требующих чувствительности миллионных долей. Недостатком для многих приложений является то, что метан относительно слабо поглощает по сравнению с более тяжелыми углеводородами, что приводит к большим несоответствиям калибровки. При обнаружении легковоспламеняющихся концентраций с открытым оптическим трактом поглощение неметановых углеводородов настолько велико, что измерения насыщаются, и значительное газовое облако выглядит «черным». Этот диапазон длин волн выходит за пределы диапазона пропускания боросиликатное стекло, поэтому окна и линзы должны быть сделаны из более дорогих материалов и, как правило, отверстие.
• Область 2,3 мкм. Все углеводороды и их производные имеют коэффициенты поглощения подходит для обнаружения открытого пути при легковоспламеняющихся концентрациях. Полезным преимуществом в практических приложениях является то, что реакция детектора на множество различных газов и паров относительно однородна, если выразить ее через нижний предел воспламеняемости. Боросиликатное стекло сохраняет полезное пропускание в этой области длин волн, что позволяет производить оптику с большой апертурой по умеренной цене.
• Область 1,6 мкм. Широкий спектр газов поглощает в ближнем инфракрасном диапазоне. Обычно коэффициенты поглощения относительно слабы, но легкие молекулы кажутся узкими, индивидуально решено спектральные линии, а не широкие полосы. Это приводит к относительно большим значениям градиент и кривизна поглощения по длине волны, что позволяет на основе полупроводникового лазера системы для очень точного различения молекул газа; например сероводород, или же метан за исключением более тяжелых углеводородов.

История

Первым детектором с открытым оптическим трактом, предложенным для повседневного промышленного использования, в отличие от исследовательских приборов, построенных в небольших количествах, был «Pathwatch» Райта и Райта в США в 1983 году. Приобретенный Det-Tronics (Detector Electronics Corporation) в 1992 году, он был детектор работал в области 3,4 мкм с мощным источником накаливания и механическим измельчитель. Он не добился больших объемов продаж, в основном из-за стоимости и сомнений в долгосрочной надежности движущихся частей. Начиная с 1985 года, Shell Research в Великобритании финансировалась Shell Natural Gas для разработки детектора открытого пути без движущихся частей. Были выявлены преимущества длины волны 2,3 мкм и продемонстрирован исследовательский прототип. Эта конструкция имела комбинированный передатчик-приемник с уголок-куб световозвращатель в 50 м. В нем использовалась импульсная лампа накаливания, PbS фоторезисторы детекторы в газовой и эталонных каналов, а также Intel 8031 ​​микропроцессор для обработки сигналов. В 1987 году Shell передала лицензию на эту технологию компании Sieger-Zellweger (позже Honeywell ), которые разработали и продавали свою промышленную версию как «Searchline», используя светоотражающую панель, состоящую из нескольких угловых кубов. Это был первый детектор открытого пути, сертифицированный для использования в опасные зоны и не иметь движущихся частей. В более поздних работах Shell Research использовались два поочередно импульсных источника накаливания в передатчике и один детектор PbS в приемнике, чтобы избежать дрейфа нуля, вызванного переменной отзывчивость детекторов PbS. Эта технология была предложена Sieger-Zellweger, а позже передана PLMS по лицензии. компания, частично принадлежащая Shell Ventures UK. PLMS GD4001 / 2 в 1991 году были первыми детекторами, которые достигли действительно стабильного нуля без движущихся частей или программной компенсации медленных дрейфов. Они также были первыми инфракрасными детекторами газа, прошедшими сертификацию. искробезопасный. Израильская компания Spectronix (также Spectrex) сделала важный шаг вперед в 1996 году со своим SafEye, первым, кто использовал источник лампы-вспышки, а затем Зигер-Зеллвегер со своим Searchline Excel в 1998 году. В 2001 году PLMS Pulsar, вскоре приобретенный Dräger как их Polytron Pulsar, был первым детектором, который включил сенсор для отслеживания взаимного совмещения передатчика и приемника как во время установки, так и во время повседневной эксплуатации.

Рекомендации

• Взрывоопасные среды - Часть 29-4: Детекторы газа - Требования к характеристикам детекторов открытого пути для горючих газов; МЭК 60079-29-4
• Взрывоопасные среды. Детекторы газа. Требования к характеристикам детекторов открытого пути горючих газов; EN 60079-29-4: 2010
• Исполнительный орган Великобритании по вопросам здравоохранения и безопасности, стратегия борьбы с пожарами и взрывами; http://www.hse.gov.uk/offshore/strategy/fgdetect.htm