Gázszivárgás detektálása termográfiával (elmélete és gyakorlati háttere)

Gázszivárgás detektálás eszközei és módszerei

A gázszivárgás érzékelés érintés mentes módszerei közül felsorolandó a gáz vegyi érzékelése, az ultrahangos szivárgáskeresés és a termográfiai (termovíziós) eszközökkel végzett szivárgás- és gázérzékelés. Az utóbbi két technológiáról a következőkben röviden beszámolunk.

Az ultrahangos szivárgáskeresés mindenféle gáz és gőz szivárgásának kimutatására alkalmas, minél nagyobb nyomás alatt van a kiáramló közeg, annál megbízhatóbb és érzékenyebb ez a technológia. Alapja a repedésen kiáramló gáz turbulenciája révén keletkező ultrahang érzékelése, mely ezután a frekvenciatartományának letranszformálása révén emberi fül részére hallhatóvá tehető vagy számszerűen ill. akár spektrum formában értékelhető. Eme technológia előnyei közül kiemelhető, hogy nagyon gazdaságos, egyszerűen kezelhető és szinte majdnem teljesen időjárás-független (télen-nyáron, éjjel-nappal alkalmazható). Hátrányos viszont, hogy nagyobb távolságokból nem alkalmazható, több szivárgás egyidejű jelenléte esetén nehézzé válhat a hibahelyek pontos lokalizálása. Az is figyelembe veendő, hogy a detektált ultrahang-erősség sok esetben nem áll arányban a szivárgás nagyságával (mennyiségi becslésekre tehát ez a módszer alkalmatlan.

Ezzel szemben a termográfiai eszközökön alapuló szivárgáskereső technológiák több hibahely esetén (akár nagyobb távolságból) is a szivárgási helyek egzakt kimutatására képesek. Az ilyen célra alkalmazható termográfiai eszközök (hőkamerák, infrakamerák) mérési hullámhossz-tartományuk alapján viszont csak egy-egy specifikus gáz (vagy abszorpciós tulajdonsága alapján „hasonló” gázok érzékelésére) használhatók, ezért univerzális termográfiai szivárgáskereső nincs. További nehézség, hogy a méréshez szigorú környezeti feltételek betartása szükséges: száraz, széltől és napsugárzástól mentes időjárás szükséges.

Attól függően, hogy milyen elvű termográfiai vizsgálatot szeretnénk elvégezni, eltérő mérőeszközök és környezeti feltételek szükségesek. Amennyiben azt a fizikai tényt kívánunk kihasználni, hogy a kiáramló nagynyomású gáz a szivárgás helyén dekomprimálódik (ezáltal lehűl) és így hűti a szivárgás helyét, minél jobb termikus (30mK vagy jobb) és minél nagyobb geometriai felbontású (320×240 vagy nagyobb) hosszúhullámú (8 … 12μm) hőkamera szükséges, de a környezeti körülményekre nézve is sok minden betartandó: száraz, szélmentes időjárás, napsütésmentes napszak (éjjel). A mérés leginkább tavasztól őszig végezhető el kellően meleg időjárású esti órákban.

Amennyiben viszont kihasználjuk, hogy minden gáz bizonyos hullámhosszú sugárzást (elektromágneses hullámokat) képes elnyelni (abszorbeálni) ill. kibocsájtani (emittálni), a gáz abszorpciós/emissziós tulajdonságainak megfelelő hullámhosszú hőkamerát kell kiválasztanunk. Ha pl. ammóniumot szeretnénk detektálni, akkor leginkább 10 … 11 μm sávszélességű infraszűrővel felszerelt hosszúhullámú hőkamerák alkalmasak, amennyiben min. 35 … 50 mK termikus felbontással rendelkeznek. Földgáz esetén pedig a domináló gázösszetevő a metán, melynek abszorpciós sávjai a 1 … 2,5 μm tartományban találhatók. Sajnos ez a hullámhossz-tartomány éppen csak súrolja a rövidhullámú atmoszferikus ablak szélét, ezért – és mivel a rövidhullámú sugárzás kibocsájtása csak magas hőmérsékletű testek esetén várható (Planck féle törvény), olyan rövidhullámú hőkamera választandó, melynek érzékelési hullámhossz-tartománya már 1 … 1,5 μm-től kezdődik (a szokásos 2 μm helyett) és szokatlan jó termikus felbontással bír (35 mK vagy jobb).

Metán abszorpciós sávjai (forrás: Koichi Ichimura: Fiber optic methane gas detection system)
Ábra: metán abszorpciós sávjai az ultrarövid infrasugárzás tartományában
(forrás: Koichi Ichimura: Fiber optic methane gas detection system)

A gáz abszorpciós (ill. emissziós) tulajdonságán alapuló mérésnél viszont tudomásul kell venni, hogy ez a mérés csak akkor szolgáltat megbízható eredményt, ha a következő környezeti körülmények teljesülnek:

verzió „A”: kellően egyenletesen – lehetőleg rövidhullámú tartományban is – sugárzó háttér áll rendelkezésre
– ilyenkor a kiáramló gáz abszorpciója használható föl és a gáz hűvös felhőnek látszik a háttér előtt

verzió „B”: a kiáramló gáz lényegesen eltérő hőmérsékletű a környezeti gázhoz (levegőhöz) képest
– ilyenkor a kiáramló gáz emissziója használható ki és a gáz melegebbnek ill. hidegebbnek tűnik a környezeténél

A „B” verzióként említett mérés a nagynyomású gázvezetékek szivárgásainak felmérésére várhatóan csak a nyári hónapokban alkalmazható, ugyanis a kb. 5°C hőmérséklettel szállított gáz a kiáramlás során bekövetkező dekomprimálás miatt tovább lehűl, így a környezeti levegőnél lényegesen hidegebb lesz (nyáron), télen pedig (éjjeli mérést feltételezve) a hőmérséklet-különbség a levegőhöz képest túl kicsi lesz.

 

Lánghőmérséklet érzékelése (forrás: Infratec)
Ábra: gyakori (tipikus) termográfiai alkalmazás: lánghőmérséklet érzékelése
középhullámú hőkamerával, 4.25 µm NBP spektrális szűrővel (forrás: Infratec GmbH)

További megjegyzés: kültéri termográfiai mérések esetén kerülendő a közvetlen napsugárzás jelenléte (>6000°C-os hősugárzó!), mivel a mérések kiértékelése a mérendő tárgyakon fellépő erős reflexió miatt gyakorlatilag lehetetlen. Ezen kívül el kell távolítani mindenféle burkolatot a mérendő tárgyakról (ugyanis az infrasugarzás nem hatol át a legtöbb anyagon). A legtöbb esetben termográfiai eszközökkel nem vizsgálható meg, hogy gázelzáró szelepek jól zárnak-e, ugyanis a kis mennyiségű szivárgó gáz dekomprimálása olyan csekély lehűlést okoz, hogy a szelep ill. cső külső burkolaton annak hővezető-képességének és hőkapacitásának köszönhetően NEM jelenik meg semmilyen mérhető ill. értékelhető hőmérséklet-eltérés. Ilyen esetekben az ultrahang-detektáláson alapuló szivárgáskereső alkalmazása ajánlott.

 

CO2 szívárgás (forrás: Infratec)
Ábra: beltéri termográfiai alkalmazás: szivárgó gáz (CO2) érzékelése
rövidhullámú hőkamerával, 4.25 µm NBP spektrális szűrővel (forrás: Infratec GmbH)

Összefoglalva megállapítandó, hogy a gázszivárgás keresése (főleg szabadtéri alkalmazásoknál) leginkább a gázok kémiai érzékelésén alapuló szivárgás-detektáló (ill. gázkoncentrációs mérő) eszközökkel valósítható meg. Kiegészítésképpen elképzelhető az ultrahang-detektálás szivárgáskeresés alkalmazása. Hőkamerás módszerek a nagy beruházási költségek (az előbbi technológiákkal összehasonlítva akár több 100-szoros költség) és a nagyon korlátozott felhasználhatósága révén nem javasolható (gazdaságtalan).

 

Rahne Eric (PIM Kft.)
pim-kft.hu
termokamera.hu

 

Kapcsolatfelvétel

A publikáció tartalmát szerzői jogok védik, ennek (akár csak részben történő) felhasználása, elektronikus vagy nyomtatott tovább-publikálása csak a forrás és a szerző nevének feltüntetése mellett, valamint a szerző előzetes írásos engedélyének megléte esetén megengedett. A szerzői jogok (Copyright) megsértése jogi következményekkel jár.