Instrumente und Methoden zur Detektion von Gaslecks

Zu den berührungslosen Methoden zur Erkennung von Gaslecks gehören die chemische Gasdetektion, die Ultraschall-Lecksuche und die Leck- und Gasdetektion mit thermografischen (Wärmebild-)Geräten. Im Folgenden wird kurz auf die letzten beiden Technologien eingegangen.

Die Ultraschall-Lecksuche eignet sich zur Erkennung von Gas- und Dampflecks jeglicher Art. Je höher der Druck des austretenden Mediums ist, desto zuverlässiger und empfindlicher ist diese Technologie. Sie basiert auf der Erfassung von Ultraschall, der durch die Turbulenz des austretenden Gases entsteht. Dieser Ultraschall kann durch Transformation in den hörbaren Frequenzbereich für das menschliche Ohr hörbar gemacht oder numerisch bzw. als Spektrum ausgewertet werden. Zu den Vorteilen dieser Technologie zählen ihre Wirtschaftlichkeit, einfache Handhabung und nahezu vollständige Unabhängigkeit vom Wetter (kann im Winter und Sommer, Tag und Nacht eingesetzt werden). Nachteilig ist jedoch, dass sie bei größeren Entfernungen nicht eingesetzt werden kann und es schwierig sein kann, bei mehreren Lecks gleichzeitig die genaue Lokalisierung der Fehlerstellen vorzunehmen. Es ist auch zu beachten, dass die detektierte Ultraschallstärke in vielen Fällen nicht proportional zur Größe des Lecks steht (daher ist diese Methode für quantitative Schätzungen ungeeignet). Im Gegensatz dazu sind thermografiebasierte Lecksuchtechnologien in der Lage, bei mehreren Fehlerstellen (auch aus größerer Entfernung) die genaue Lokalisierung der Lecks vorzunehmen. Die für solche Zwecke geeigneten thermografischen Geräte (Wärmebildkameras, Infrarotkameras) können jedoch nur für ein spezifisches Gas (oder für "ähnliche" Gase basierend auf ihren Absorptionseigenschaften) verwendet werden, je nach ihrer Messwellenlängenbereich. Daher gibt es keine universelle thermografische Lecksuchtechnologie. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, dass die Einhaltung strenger Umgebungsbedingungen für die Messung erforderlich ist: Trockenes, wind- und sonnenlichtfreies Wetter ist erforderlich. Je nach Art der thermografischen Untersuchung, die durchgeführt werden soll, sind unterschiedliche Messgeräte und Umgebungsbedingungen erforderlich. Wenn beispielsweise die physikalische Tatsache ausgenutzt werden soll, dass das austretende Hochdruckgas an der Leckstelle dekomprimiert (und dadurch abgekühlt) wird und somit die Leckstelle kühlt, sind eine Wärmebildkamera mit einer möglichst guten thermischen (30mK oder besser) und einer möglichst hohen geometrischen Auflösung (320x240 oder höher) im langwelligen (8 ... 12μm) Bereich erforderlich. Es müssen auch viele Umgebungsbedingungen beachtet werden: trockenes, windstilles Wetter, sonnenfreie Zeit (nachts). Die Messung kann am besten von Frühling bis Herbst in den warmen Abendstunden durchgeführt werden. Wenn jedoch jeder Gas bestimmte Strahlung (elektromagnetische Wellen) einer bestimmten Wellenlänge absorbieren (absorbieren) oder emittieren kann, muss eine Wärmebildkamera mit der entsprechenden Wellenlänge entsprechend den Absorptions-/Emissionsmerkmalen des Gases ausgewählt werden. Wenn beispielsweise Ammoniak detektiert werden soll, sind Wärmebildkameras im langwelligen Bereich mit einem 10 ... 11 μm breiten Infrarotfilter am besten geeignet, wenn sie über eine minimale thermische Auflösung von 35 ... 50 mK verfügen. Für Erdgas ist Methan der dominierende Gasbestandteil, dessen Absorptionsspektren im Bereich von 1 ... 2,5 μm liegen. Leider liegt dieser Wellenlängenbereich knapp am Rand des kurzwelligen atmosphärischen Fensters, und da die Emission von kurzwelliger Strahlung nur bei hohen Temperaturen zu erwarten ist (Plancksches Strahlungsgesetz), sollte eine Wärmebildkamera mit einer Erfassungswellenlänge von 1 ... 1,5 μm (anstatt der üblichen 2 μm) und einer ungewöhnlich guten thermischen Auflösung (35 mK oder besser) gewählt werden.

Abbildung: Methan-Absorptionsspektren im Bereich der ultrakurzen Infrarotstrahlung (Quelle: Koichi Ichimura: Faseroptisches Methangas-Erkennungssystem)

Bei Messungen, die auf den Absorptions- (bzw. Emissions-)Eigenschaften von Gasen basieren, muss jedoch berücksichtigt werden, dass diese Messung nur zuverlässige Ergebnisse liefert, wenn die folgenden Umgebungsbedingungen erfüllt sind:

Version „A“:

Es steht eine ausreichend gleichmäßige - vorzugsweise auch im kurzwelligen Bereich - strahlende Hintergrundquelle zur Verfügung - in diesem Fall kann die Absorption des austretenden Gases genutzt werden, und das Gas erscheint als kühler Nebel vor dem Hintergrund

Version „B“:

Das austretende Gas hat eine deutlich unterschiedliche Temperatur im Vergleich zur Umgebungsluft - in diesem Fall kann die Emission des austretenden Gases genutzt werden, und das Gas erscheint wärmer oder kälter als seine Umgebung

Die als „B“-Version bezeichnete Messung zur Erfassung von Lecks in Hochdruckgasleitungen kann voraussichtlich nur in den Sommermonaten durchgeführt werden, da das bei etwa 5°C transportierte Gas durch die Dekompression beim Austritt weiter abkühlt und dadurch im Vergleich zur Umgebungsluft (im Sommer) deutlich kälter wird, während im Winter (bei nächtlichen Messungen) der Temperaturunterschied zur Luft zu gering ist.

Abbildung: Häufige (typische) Anwendung der Thermografie: Flammentemperaturerkennung mit einer mittelwelligen Wärmebildkamera, 4,25 µm NBP-Spektralfilter (Quelle: Infratec GmbH)

Weitere Anmerkung: Bei Außenthermografie-Messungen sollte direktes Sonnenlicht vermieden werden (>6000°C Strahlungswärme!), da die Auswertung der Messungen aufgrund starker Reflexionen auf den zu messenden Objekten praktisch unmöglich ist. Darüber hinaus müssen alle Verkleidungen von den zu messenden Objekten entfernt werden (da Infrarotstrahlung nicht durch die meisten Materialien dringt). In den meisten Fällen kann mit Thermografiegeräten nicht überprüft werden, ob Gasabsperrventile ordnungsgemäß schließen, da die geringe Menge an ausströmendem Gas aufgrund der geringen Abkühlung beim Dekomprimieren keine messbare oder bewertbare Temperaturdifferenz an der Außenverkleidung des Ventils oder der Rohre erzeugt, aufgrund ihrer Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität. In solchen Fällen wird die Anwendung von Leckdetektoren auf Ultraschallbasis empfohlen.

 

Abbildung: Innenraum-Thermografie-Anwendung: Erkennung von austretendem Gas (CO2) mit einer kurzwelligen Wärmebildkamera, 4,25 µm NBP-Spektralfilter (Quelle: Infratec GmbH)

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Suche nach Gaslecks (insbesondere im Freien) am besten mit Leckdetektoren (oder Gaskonzentrationsmessgeräten) basierend auf chemischer Gaserkennung durchgeführt werden kann. Als Ergänzung kann die Anwendung der Ultraschall-Leckdetektion in Betracht gezogen werden. Thermografische Methoden sind aufgrund hoher Investitionskosten (im Vergleich zu den zuvor genannten Technologien bis zu mehr als das Hundertfache) und ihrer sehr begrenzten Anwendbarkeit nicht zu empfehlen (unwirtschaftlich).

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

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