Gas-Sensorik

Die bildgebende Gas-Sensorik basiert auf ungekühlten IR-Bildaufnehmern (IRFPAs = infrared focal plane arrays) und ermöglicht die kontaktlose und schnelle Detektion und Lokalisierung von Gasleckagen. Im Vergleich zu konventionellen Methoden, wie z. B. Gasspürgeräten lassen sich großflächige oder schwergängige Bereiche besonders gut durch ein bildgebendes Verfahren überwachen. Unerkannte Gasleckagen stellen nicht nur eine große Gefahr für Menschen, Umwelt und Anlagen dar, sondern führen auch zu zusätzlichen wirtschaftlichen Verlusten.

Große Industrieanlagen, Gasversorger aber auch Biogasanlagen nutzen weitverzweigte Rohrsysteme bzw. Gasleitungen. Dort stellen Leckagen z. B. bei Gasleitungen mit Methan, CO₂ oder CO nicht nur eine große Gefahr dar, sondern schädigen zusätzlich die Umwelt und verursachen wirtschaftliche Verluste durch den unerwünschten Gasaustritt. Bislang werden Gasspürgeräte oder schaumbildende Hilfsmittel zur Detektion und Lokalisierung von Gasleckagen eingesetzt. Diese Methoden erfordern allerdings einen direkten Kontakt mit der Austrittsstelle und insbesondere die Lokalisierung der Leckage bedeutet einen hohen zeitlichen und personellen Aufwand.

Mit Hilfe der bildgebenden Gas-Sensorik basierend auf ungekühlten IR-Bildaufnehmern (IRFPAs = infrared focal plane array) werden Leckagen kontaktlos, schnell und sicher lokalisiert. Durch bildgebende Verfahren lassen sich großflächige, aber auch schwer zugängliche Bereiche besonders gut überwachen. Mobile Kameras oder Drohnen können eine Plattform für die Erkennung und Lokalisierung von Gasleckagen bilden.

Die bildgebende Gas-Sensorik nutzt die Absorption in bestimmten Wellenlängenbereichen als spezifische Eigenschaft von Gasen aus. Die meisten technischen Gase weisen mehrere unterschiedlich ausgeprägte Absorptionslinien im mittleren Infrarotbereich zwischen 3µm und 5µm auf. Um diese messtechnisch zu erfassen, muss neben dem IR-Bildaufnehmer die entsprechende Hintergrundstrahlung vorhanden sein. Das kann zur Steigerung der Empfindlichkeit ein Schwarzkörperstrahler mit Temperaturen von beispielsweise 800K oder 450K sein, aber auch die natürlich vorhandene thermische IR-Strahlung kann genutzt werden. In ersten Bild  sind die thermische Strahlung von Schwarzkörperstrahlern bei zwei Temperaturen und relevante Absorptionslinien von den Beispielgasen CO (Kohlenmonoxid), CH₄ (Methan) und CO₂ (Kohlendioxyd) dargestellt.

Für die Beispielgase sind signifikante Absorptionslinien im IR-Bereich erkennbar. Mit theoretischen Berechnungen konnte gezeigt werden, dass in Kombination im einen Schwarzkörperstrahler Nachweisgrenzen von 15ppm – 20ppm für Kohlenmonoxyd und Methan erreicht werden können. Weitere Reduzierungen der Nachweisgrenzen um einen Faktor 10 lässt sich durch Mittelung über einen Zeitraum von 20s erreichen. Ein Messzeitraum von 20s ist typisch für kommerziell verfügbare Gassensoren.

Deutlich ist der Austritt von Kohlendioxyd aus einem Schlauch zu erkennen. Dieses Messergebnis ist mit dem Standard digitalen 17µm QVGA-IRFPA des Fraunhofer IMS entstanden. Dieses ist eigentlich für Anwendungen im langwelligen IR-Spektralbereich (Wellenlänge 8µm – 14µm) optimiert. Aktuell adaptiert das Fraunhofer IMS sein IFRPA für maximale Empfindlichkeit im MWIR-Bereich. Da in diesem Bereich die Absorptionslinien der meisten technischen Gase liegen, wird nach Abschluss der Entwicklungsarbeiten die Detektion von Gasaustritten weiter verbesser.

Auch ohne aktive Strahler lässt sich die thermische Strahlung, die nach dem Planck’schen Gesetz jeder Körper emittiert, nutzen. Da diese geringer ist als im Fall eines aktiven Strahlers, ergeben sich höhere Nachweisgrenzen. Aus theoretischen Berechnungen lässt sich zeigen, dass die Nachweisgrenzen von Methan ohne aktiven Strahler bei ca. 1700ppm liegt. Dieser Wert entspricht ca. 4% der unteren Explosionsgrenze, die im Fall von Methan bei ca. 4.4 Volumenprozent liegt.

Das Fraunhofer IMS optimiert aktuell seine IRFPAs für den mittleren Infrarotbereich und sucht Partner für Anwendungen dieser Technologie. Sprechen Sie uns gerne an!