Infračervený detektor otevřené dráhy - Infrared open-path detector - Wikipedia

Infračervená otevřená cesta detektory plynu vysílají paprsek infračervený světlo, detekující plyn kdekoli na dráze paprsku. Tento lineární „senzor“ je obvykle dlouhý několik metrů až několik set metrů. S detektory otevřené dráhy lze kontrastovat senzory infračerveného bodu.

Jsou široce používány v ropa a petrochemický průmyslová odvětví, většinou k dosažení velmi rychlého detekce úniku plynu pro hořlavé plyny v koncentracích srovnatelných s dolní mez hořlavosti (obvykle několik procent objemových). Používají se také, ale zatím v menší míře, v jiných průmyslových odvětvích, kde se mohou vyskytovat hořlavé koncentrace, například v těžba uhlí a úprava vody. V zásadě lze tuto techniku ​​použít také k detekci toxický plyny, například sirovodík, v nezbytných koncentracích na milion dílů, ale technické potíže s nimi dosud zabránily širokému přijetí toxických plynů.

Obvykle existují oddělené vysílací a přijímací jednotky na obou koncích přímé dráhy paprsku. Alternativně jsou zdroj a přijímač kombinovány a paprsek se odrazil od a odrazka na vzdáleném konci měřicí dráhy. Pro přenosné použití byly také vyrobeny detektory, které využívají přírodní albeda okolních předmětů namísto retroreflektoru. Přítomnost zvoleného plynu (nebo třídy plynů) je detekována z jeho vstřebávání vhodné infračervené vlnové délky v paprsku. Déšť, mlha atd. V měřicí dráze mohou také snížit sílu přijímaného signálu, takže je obvyklé provádět simultánní měření na jedné nebo více referenčních vlnových délkách. Množství plynu zachyceného paprskem je poté odvozeno z poměru ztrát signálu na měřené a referenční vlnové délce. Výpočet obvykle provádí a mikroprocesor který také provádí různé kontroly k ověření měření a prevenci falešných poplachů.

Měřené množství je součet veškerého plynu podél dráhy paprsku, někdy označovaného jako cesta-integrální koncentrace plynu. Měření tedy má přirozené předpětí (žádoucí v mnoha aplikacích) vůči celkové velikosti neúmyslného uvolňování plynu, spíše než ke koncentraci plynu, která dosáhla konkrétního bodu. Zatímco přirozené jednotky měření pro Senzor infračerveného bodu jsou částice na milion (ppm) nebo procento dolní meze hořlavosti (% LFL), jsou přirozené jednotky měření pro detektor otevřené cesty ppm. metrů (ppm.m) nebo LFL. Metry (LFL.m). Například požární a plynový bezpečnostní systém na pobřežní platforma v Severní moře typicky má detektory nastaveny na odečet v plném rozsahu 5LFL.m, s nízkým a vysokým alarmem spuštěným na 1LFL.m, respektive 3LFL.m.

Výhody a nevýhody oproti detektorům s pevným bodem

Detektor otevřené cesty obvykle stojí více než a jednobodový detektor, takže existuje malá motivace pro aplikace, které hrají na silné stránky detektoru bodů: kde může být detektor bodu umístěn na známé místo s nejvyšší koncentrací plynu a je přijatelná relativně pomalá odezva. Detektor otevřené dráhy vyniká ve venkovních situacích, kdy, i když je znám pravděpodobný zdroj úniku plynu, je vývoj vyvíjejícího se oblaku nebo oblaku nepředvídatelný. Plyn téměř jistě vstoupí do prodlouženého lineárního paprsku, než si najde cestu do kteréhokoli zvoleného bodu. Také bodové detektory na exponovaných venkovních místech vyžadují instalaci štítů proti povětrnostním vlivům, což výrazně zvyšuje dobu odezvy. Detektory otevřené cesty mohou také ukázat cenovou výhodu v jakékoli aplikaci, kde by bylo zapotřebí řady detektorů bodů k dosažení stejného pokrytí, například monitorování podél potrubí nebo po obvodu závodu. Nejen, že jeden detektor nahradí několik, ale náklady na instalaci, údržbu, kabeláž atd. Budou pravděpodobně nižší.

Součásti

V zásadě lze použít jakýkoli zdroj infračerveného záření společně s optickým systémem čoček nebo zrcadel pro vytvoření přenášeného paprsku. V praxi byly použity následující zdroje, vždy s nějakou formou modulace na podporu zpracování signálu na přijímači:

An žárovka, modulovaný pulzováním proudu napájejícího vlákno nebo mechanickým vrtulník. U systémů používaných venku je obtížné, aby žárovkový zdroj konkuroval intenzitě sluneční světlo když slunce svítí přímo do přijímače. Je také obtížné dosáhnout modulačních frekvencí odlišitelných od frekvencí, které mohou být produkovány přirozeně, například lesk tepla nebo slunečním světlem odrážejícím vlny na moři.

A výbojka je schopen překročit spektrální síla přímého slunečního záření v infračervené oblasti, zejména při pulzování. Moderní systémy otevřené cesty obvykle používají xenon flashtube poháněn a kondenzátor vybít. Takové pulzní zdroje jsou ze své podstaty modulovány.

A polovodičový laser poskytuje relativně slabý zdroj, ale ten, který lze modulovat při vysoké frekvenci vlnové délky i amplitudy. Tato vlastnost umožňuje různá schémata zpracování signálu založená na Fourierova analýza použití, když je absorpce plynu slabá, ale úzká spektrální šířka čáry.

Přesné vlnová délka pásma použitý musí být izolován od širokého infračerveného spektra. V zásadě jakýkoli konvenční spektrometr technika je možná, ale NDIR technika s vícevrstvé dielektrikum nejčastěji se používají filtry a rozdělovače paprsků. Tyto komponenty definující vlnovou délku jsou obvykle umístěny v přijímači, ačkoli jeden design sdílel úkol s vysílačem.

U přijímače jsou síly infračerveného signálu měřeny nějakou formou infračervený detektor. Obvykle fotodioda detektory jsou preferovány a jsou nezbytné pro vyšší modulační frekvence, zatímco pomalejší fotovodivý detektory mohou být vyžadovány pro oblasti s delší vlnovou délkou. Signály jsou přiváděny do nízkošumové zesilovače, pak vždy podléhá nějaké formě zpracování digitálních signálů. The absorpční koeficient plynu se bude v celém pásmu lišit, takže jednoduché Pivo – Lambertův zákon nelze použít přímo. Z tohoto důvodu zpracování obvykle využívá a kalibrační tabulka, použitelné pro konkrétní plyn, typ plynu nebo směs plynů a někdy konfigurovatelné uživatelem.

Provozní vlnové délky

Volba infračervených vlnových délek použitých pro měření do značné míry definuje vhodnost detektoru pro konkrétní aplikace. Cílový plyn (nebo plyny) musí mít nejen vhodný vstřebávání spektrum, vlnové délky musí ležet uvnitř a spektrální okno takže vzduch v cestě paprsku je sám o sobě průhledný. Byly použity tyto oblasti vlnové délky:

  • Oblast 3,4 μm. Všechno uhlovodíky a jejich deriváty silně absorbují kvůli režimu roztažení CH molekulární vibrace. Běžně se používá v detektory infračerveného bodu kde jsou délky dráhy nutně krátké, a pro detektory otevřené dráhy vyžadující citlivost na milion dílů. Nevýhodou pro mnoho aplikací je, že methan absorbuje relativně slabě ve srovnání s těžšími uhlovodíky, což vede k velkým nekonzistencím kalibrace. Pro detekci hořlavých koncentrací otevřenou cestou je absorpce nemethanových uhlovodíků tak silná, že měření nasycuje a výrazný oblak plynu se jeví jako „černý“. Tato oblast vlnové délky je mimo rozsah přenosu borosilikátové sklo, takže okna a čočky musí být vyrobeny z dražších materiálů a mají tendenci být malé clona.
  • Oblast 2,3 μm. Všechno uhlovodíky a jejich deriváty mají absorpční koeficienty vhodné pro detekci otevřené dráhy při hořlavých koncentracích. Užitečnou výhodou v praktických aplikacích je, že reakce detektoru na mnoho různých plynů a par je relativně jednotná, pokud je vyjádřena ve smyslu dolní mez hořlavosti. Borosilikátové sklo zachovává užitečný přenos v této oblasti vlnové délky, což umožňuje vyrábět optiku s velkou clonou za mírnou cenu.
  • Oblast 1,6 μm. Široká škála plynů absorbuje v blízké infračervené oblasti. Typicky absorpční koeficienty jsou relativně slabé, ale světelné molekuly vykazují jednotlivě úzké vyřešen spíše než široká pásma. To má za následek relativně velké hodnoty spád a zakřivení absorpce vzhledem k vlnové délce, umožňující polovodičový laser systémy k velmi specifickému rozlišení molekul plynu; například sirovodík nebo metan s vyloučením těžších uhlovodíků.

Dějiny

Prvním otevřeným detektorem nabízeným pro běžné průmyslové použití, na rozdíl od výzkumných přístrojů vyráběných v malém počtu, byly Wright a Wright 'Pathwatch' v USA, 1983. Získané Det-Tronics (Detector Electronics Corporation) v roce 1992, detektor provozovaný v oblasti 3,4 μm s výkonným žárovkovým zdrojem a mechanickým vrtulník. Nedosáhlo se velkého objemu prodeje, zejména kvůli nákladům a pochybnostem o dlouhodobé spolehlivosti pohyblivých dílů. Počínaje rokem 1985 byl Shell Research ve Velké Británii financován společností Shell Natural Gas, aby vyvinul detektor otevřené dráhy bez pohyblivých částí. Byly identifikovány výhody vlnové délky 2,3 μm a byl předveden prototyp výzkumu. Tento design měl kombinovaný vysílač-přijímač s rohová kostka odrazka na 50 m. Používal pulzní žárovku, PbS fotovodivé detektory v plynovém a referenčním kanálu a mikroprocesor Intel 8031 ​​pro zpracování signálu. V roce 1987 společnost Shell poskytla licenci na tuto technologii společnosti Sieger-Zellweger (později Honeywell ), kteří svou průmyslovou verzi navrhli a uvedli na trh jako „Searchline“ pomocí reflexního panelu složeného z několika rohových krychlí. Jednalo se o první detektor otevřené cesty, který byl certifikován pro použití v nebezpečné oblasti a mít žádné pohyblivé části. Pozdější práce společnosti Shell Research použila dva střídavě pulzní žárovkové zdroje ve vysílači a jeden detektor PbS v přijímači, aby se zabránilo nulovým driftům způsobeným proměnnou citlivost detektorů PbS. Tato technologie byla nabídnuta společnosti Sieger-Zellweger a později licencována pro PLMS. společnost částečně vlastněná společností Shell Ventures UK. PLMS GD4001 / 2 v roce 1991 byly prvními detektory, které dosáhly skutečně stabilní nuly bez pohyblivých částí nebo softwarové kompenzace pomalých driftů. Byli také prvními infračervenými detektory plynů jakéhokoli druhu, které byly certifikovány jiskrově bezpečný. Izraelská společnost Spectronix (také Spectrex) dosáhla v roce 1996 významného pokroku se svým SafEye, prvním používajícím zdroj zábleskové trubice, následovaný Sieger-Zellwegerem s jejich Searchline Excel v roce 1998. V roce 2001 PLMS Pulsar, brzy poté získal Dräger jako jejich Polytron Pulsar, byl prvním detektorem, který zahrnoval snímání pro sledování vzájemného vyrovnání vysílače a přijímače během instalace i rutinního provozu.

Reference

  • Výbušné atmosféry - Část 29-4: Detektory plynů - Požadavky na výkon detektorů otevřené dráhy pro hořlavé plyny; IEC 60079-29-4
  • Výbušné atmosféry. Detektory plynů. Požadavky na výkon detektorů otevřené dráhy pro hořlavé plyny; EN 60079-29-4: 2010
  • Výkonný ředitel pro zdraví a bezpečnost ve Velké Británii, strategie pro požár a výbuch; http://www.hse.gov.uk/offshore/strategy/fgdetect.htm