СИСТЕМА И СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ УТЕЧКИ
LEAKAGE DETECTION SYSTEM AND METHOD

Это изобретение относится к системе и способу для обнаружения утечки. В частности, изобретение относится к обнаружению утечки газа, неспецифического к выделяющемуся газу.
Предпосылки к созданию изобретения
Во многих отраслях промышленности, связанных с использованием газообразных материалов, важность проблем повышения производительности и удовлетворения требований по охране труда и технике безопасности обусловливает возрастание потребностей в технических средствах обнаружения утечки газа. Примеры областей применения, в которых обнаружение утечек имеет решающее значение, включают в себя линии подвода бутана на аэрозольных заводах и трубопроводы природного газа, где последствия утечки для безопасности являются самоочевидными.
В устройствах обнаружения утечек или детекторах утечек предшествующего уровня техники непосредственное обнаружение наличия или измерение концентрации утекающего газа осуществлялось с помощью одной из ряда методик типа фотоионизации, ионизации в пламени, фотоакустических эффектов или поглощения инфракрасного (ИК) излучения. Эти методики имеют несколько недостатков, в том числе необходимость создания и приобретения специального детектора для каждого используемого газа. Кроме того, некоторые газы по своей природе являются неподходящими для использования в определенных методиках обнаружения вследствие недостаточного поглощения ими инфракрасного излучения или наличия поглощения в области, маскируемой другими материалами, характеризующимися более сильным поглощением.
Сущность изобретения
Согласно первому объекту настоящего изобретения предлагается устройство обнаружения утечки, выполненное с возможностью обнаружения утечки первого материала путем обнаружения изменения физического и/или химического свойства второго материала.
Физическое свойство может быть концентрацией, и/или давлением, и/или свойством, зависимым от концентрации или давления, типа поглощения ИК излучения или изменения формы линии поглощения ИК излучения.
Устройство обнаружения утечки может быть предназначено для обнаружения утечки первого материала путем обнаружения уменьшения концентрации второго материала, вызываемого его вытеснением (перемещением) вследствие утечки первого материала.
Путем непрерывного контроля концентрации, например, газа вокруг трубы, в которой находится текучая среда или другой газ, обнаружение утечек из трубы может осуществляться путем определения перемещения (вытеснения) окружающего газа. Это обеспечивает непрямую, но очень эффективную методику для обнаружения утечек.
Использование непрямого определения утечки путем обнаружения перемещения, а не прямого детектирования выделяющегося материала имеет несколько преимуществ, в том числе обеспечение возможности осуществлять с помощью детектора непрерывный контроль любого утекающего материала независимо от предполагаемого материала, неспецифический к определенному выделяющемуся материалу. Эта методика имеет ценовые преимущества, так как позволяет производителю датчиков создавать или иметь в наличии меньшее число типов датчиков и обеспечивает пользователям возможность замещения нескольких устройств обнаружения утечки, каждое из которых является специфическим для определенного материала, одним универсальным устройством обнаружения утечки.
Обнаружение второго материала может включить в себя измерение его концентрации или непрерывный контроль свойства, зависимого от его концентрации. Второй материал может находиться вне резервуара, например трубы. Первый материал может находиться внутри резервуара, например трубы.
Устройство обнаружения может быть предназначено для обнаружения, по меньшей мере, частичного перемещения второго материала под действием первого материала в случае утечки.
Первый материал может быть текучей средой, например газом, или паром, или жидкостью. Первый материал может включать в себя кислород, и/или азот, и/или гелий, и/или природный газ, и/или бутан. Второй материал может быть газом, например углекислым газом, или паром, например водяным паром.
Использование устройства обнаружения, являющегося примером осуществления изобретения, обеспечивает возможность обнаружения утечки материалов с использованием методик, являющихся неприемлемыми для обнаружения этих материалов. Например, кислород, азот и гелий не поглощают на длинах волн ИК излучения, и поэтому их обнаружение с помощью традиционных датчиков утечек на основе поглощения ИК излучения является невозможным. Однако обнаружение изменения концентрации составляющих атмосферного воздуха типа углекислого газа или воды, обладающих сильным поглощением на длинах волн ИК излучения, позволяет использовать устройство обнаружения этого типа для измерения утечек материалов со слабым или полным отсутствием поглощения ИК излучения.
Даже в случае, когда устройство обнаружения используется для обнаружения утекающих материалов с поглощением на длинах волн ИК излучения, соответствующий выбор второго материала, позволяющего осуществлять обнаружение материала, обладающего более сильным поглощением ИК излучения, чем у утекающего материала, может быть использован для повышения чувствительности устройства обнаружения. Кроме того, возможен выбор материала с поглощением на длинах волн, позволяющих использовать в устройстве обнаружения недорогие компоненты.
Устройство обнаружения утечки может использоваться для определения утечки в двух или более положениях. По меньшей мере, одно определяемое положение может находиться на другом расстоянии от места действительной или потенциальной утечки, чем, по меньшей мере, другое определяемое положение. Устройство обнаружения утечки может быть адаптировано для обнаружения утечки путем сравнения сигнала, зависимого от концентрации второго материала в первом положении, по меньшей мере, с одним соответствующим сигналом, зависимым от концентрации второго материала в одном или более других положениях.
Устройство обнаружения утечки может включать в себя один или более датчиков для измерения изменения концентрации второго материала. Датчик может включить в себя источник ИК излучения и средство для измерения поглощения ИК излучения. Устройство обнаружения утечки может быть адаптировано для обнаружения утечки первого материала путем обнаружения изменения поглощения ИК излучения второго материала. Источник излучения может быть лазером, в предпочтительном варианте - квантовым каскадным (QC) лазером, а в наиболее предпочтительном варианте - импульсным QC лазером.
В другом варианте изобретения или дополнительно устройство обнаружения утечки может включать в себя средство для определения формы линии поглощения ИК излучения, соответствующей второму материалу. Дополнительное средство может быть предназначено для анализа изменений формы линии поглощения и, следовательно, для обнаружения утечки.
Использование импульсного QC лазера позволяет осуществлять измерения со сверхвысокой скоростью. Вариант выбора перемещения материала, а не ограничения материала, подлежащего обнаружению, позволяет осуществлять выбор материалов для измерения, имеющих линии поглощения на длинах волн, для которых имеются дешевые и подходящие доступные лазеры.
Согласно второму объекту настоящего изобретения предлагается способ обнаружения утечки, включающий в себя этап определения утечки первого материала путем обнаружения изменения физического свойства второго материала.
Обнаруживаемое физическое свойство может быть концентрацией, и/или давлением, и/или свойством, зависимым от концентрации или давления, типа поглощения ИК излучения или изменения формы линии поглощения ИК излучения.
Способ может быть способом для измерения утечки газа, где первый и второй материалы являются газами. Первый материал может находиться в резервуаре типа трубы, контейнера или бака. Второй материал может находиться вне резервуара. Определение утечки может заключаться в обнаружении, по меньшей мере, частичного перемещения второго материала под действием первого материала.
Способ может включать в себя этап измерения концентрации второго материала в двух или более положениях. Обнаружение утечки может осуществляться путем сравнения концентрации второго материала в первом положении с концентрацией второго материала в одном или более вторых положениях. По меньшей мере, одно определяемое положение может находиться на другом расстоянии от места действительной или потенциальной утечки, чем, по меньшей мере, другое определяемое положение.
Обнаружение утечки первого материала может осуществляться путем измерения поглощения излучения на одной или более длинах волн ИК излучения вторым материалом. Измерение может осуществляться путем измерения поглощения выходного излучения лазера, в предпочтительном варианте - квантового каскадного (QC) лазера, в наиболее предпочтительном варианте - импульсного QC лазера.
Длительность каждого прикладываемого импульса может составлять более 150 нс, в частности более 200 нс. Длительность каждого прикладываемого импульса составляет 150-300 нс, а в предпочтительном варианте - 200-300 нс. Это позволяет обеспечить диапазон регулирования, составляющий приблизительно 60 ГГц.
Длительность каждого прикладываемого импульса может составлять более 150 нс, в частности более 200 нс. Длительность каждого прикладываемого импульса составляет 150-300 нс, а в предпочтительном варианте - 200-300 нс.
В другом варианте изобретения или дополнительно, обнаружение утечки может осуществляться путем непрерывного контроля изменений формы линии поглощения ИК излучения, соответствующей второму материалу.
Краткое описание чертежей
Ниже приводится описание настоящего изобретения исключительно в качестве примера со ссылками на фиг.1, на которой представлена система обнаружения утечки.
Предпочтительный вариант реализации изобретения
На фиг.1 представлена система 1 обнаружения утечки газа, имеющая в своем составе лазер 5. Выходное излучение лазера 5 делится светоделителем 20 на два пучка 10, 15. Лазер 5 представляет собой импульсный квантовый каскадный (QC) лазер. По открытому оптическому каналу оба пучка проходят через зоны 25 и 30 измерений, каждый из них поступает в детектор 35. Расстояние между местом утечки и каждой зоной измерений должно быть различным. Детектор может быть любым удовлетворяющим предъявляемым требованиям детектором, известным специалистам в данной области техники, типа детектора на ПЗС, на теллуриде ртути-кадмия (MCT) или КМОП-структуре.
В качестве лазера может быть использован любой удовлетворяющий предъявляемым требованиям лазер 5. Однако в предпочтительном примере осуществления лазер представляет собой QC лазер с линейной модуляцией частоты, описываемый в публикации WO 03/087787, содержание которой включено в данный документ в виде ссылки. Линейная частотная модуляция длины волны излучения импульсного QC лазера может использоваться для обеспечения сканирования длин волн. Линейная частотная модуляция длины волны вызывается тепловым воздействием в течение всей длительности прикладываемого возбуждающего импульса тока/напряжения.
Для QC лазеров была продемонстрирована непрерывная линейная частотная модуляция длины волны. Линейная частотная модуляция длины волны может быть в высшей степени линейной по времени, что позволяет осуществлять регистрацию всей спектральной области в пределах каждого или одного импульса. Это заключается в отборе детектируемых импульсов по его всей длине для получения диапазона спектральных элементов из одного импульса. Это позволяет осуществлять измерения с более высокой скоростью, поскольку вся или существенная часть спектра может быть измерена в течение длительности отдельного импульса. С целью обеспечения увеличенного отношения сигнал/шум в течение данного времени измерений по сравнению с измерениями, проводимыми с использованием лазера, в котором за импульс может быть измерен только один спектральный элемент, возможно проведение повторных измерений. Измерения со сверхвысокой скоростью, достигаемой с QC лазером, обеспечивают возможность проведения одновременных измерений в каждой из зон 25, 30 измерений. Это минимизирует ошибки вследствие равномерных изменений, которые встречаются по всему пространству атмосферы измерений.
Лазер 5 выбирается для получения излучения с длиной волны, с легкостью поглощаемой составляющей атмосферного воздуха, находящейся в зонах 25, 30 измерений, типа воды или углекислого газа. Два пучка 15, 20 и соответствующие им зоны 25, 30 измерений перемещаются один относительно другой так, что каждый из них обеспечивает отбор проб в другой области по отношению к любому месту 40 потенциальной утечки. Зоны 25 и 30 размещены асимметрично по отношению к местам потенциальной, так что расстояние между местом(ами) потенциальной утечки и каждой зоной измерений является различным. Спектр передачи, получаемый от каждой зоны 25, 30 измерений, измеряется детектором 35, и затем один спектр вычитается из другого или делится на другой.
В случае отсутствия какой-либо утечки удовлетворяющее предъявляемым требованиям расположение зон 25, 30 измерений с естественными смесью составляющих атмосферного воздуха и сверхвысокой скоростью измерений, обеспечиваемой импульсными квантовыми каскадными лазерами, приводит к практически идентичным или подобным спектрам пропускания для зоны 25, 30 измерений. При этом наблюдается нулевая или близкая к нулю разность между этими двумя спектрами. В случае образования утечки выделяющийся газ, по меньшей мере, частично перемещает составляющие атмосферного воздуха. Это нарушает баланс естественной смеси с составляющими атмосферного воздуха в зоне 30 вблизи места утечки, перемещаемыми с опережением относительно составляющих атмосферного воздуха в зоне 25, удаленной от места утечки. Поэтому наличие отклика в разности этих двух спектров служит признаком положительного определения наличия утечки.
Наряду с определением утечки устройство обнаружения согласно изобретению может обеспечивать измерение скорости утечки. Это может осуществляться с использованием величины разности. На практике скорость утечки может быть определена путем сопоставления разности и предварительно сохраненных калибровочных данных. Поскольку система работает на основе обнаружения материала, отличного от выделяющегося материала, единственным набором калибровочных данных, которые могут быть использованы, является набор калибровочных данных по обнаруживаемой составляющей атмосферного воздуха, а не набор данных, требующих повторной калибровки для каждого выделяющегося материала.
Приведенное выше описание следует рассматривать исключительно в качестве примера, и в него могут быть внесены изменения, очевидные для специалиста в данной области техники, не выходящие за пределы объема изобретения. Например, несмотря на то, что в описываемой системе измерений используются два пучка 10, 15 и две зоны 25, 30 измерений, возможно использование трех или более пучков и зон измерений. Кроме того, описываемая система имеет в своем составе один лазер 5 и один детектор 35, однако это не исключает возможности использования нескольких лазеров и/или детекторов. В альтернативном примере возможно обнаружение или непрерывный контроль не изменений концентрации второго материала, а других свойств второго материала типа давления. Увеличение давления вызывает изменение формы линии поглощения ИК излучения, непрерывный контроль которой может затем осуществляться для обнаружения увеличения давления, соответствующего утечке. В другом варианте изобретения возможно осуществление непрерывного контроля или обнаружения изменений химических свойств. Таким образом, приведенное выше описание специфического примера осуществления следует рассматривать исключительно в качестве примера, а не в целях ограничений. Специалисту в данной области техники очевидна возможность незначительных модификаций изобретения, не вызывающих существенных изменений в описанном принципе его действия.