Vorteile und Grundprinzipien der optischen Gasbildkamera

Vorteile und Grundprinzipien der optischen Gasbildkamera

Mit der fortschreitenden Industrialisierung sind entflammbare, explosive und giftige Gase in verschiedenen Bereichen unseres Lebens allgegenwärtig geworden, entweder als Produkte, Rohstoffe oder Nebenprodukte der industriellen Produktion. Einmal ausgetreten, verschmutzen diese Gase nicht nur die Umwelt, sondern stellen auch eine erhebliche Gefahr für Menschenleben und Eigentum dar, da sie Vergiftungen, Brände und sogar Explosionen verursachen können.

Um diese Risiken zu mindern, muss unbedingt eine schnelle, genaue und sichere Erkennungsmethode entwickelt werden, mit der Ort und Ausmaß von Gaslecks aus der Ferne bestimmt werden können.

Grenzen herkömmlicher Gasdetektionsmethoden

Herkömmliche Methoden zur Erkennung von Gaslecks, wie z. B. Blasentests, Trichtertests oder Gasdetektoren, weisen häufig die folgenden Mängel auf:

Für eine invasive Erkennung müssen Produktionslinien abgeschaltet werden, was zu Ausfallzeiten und möglichen Schäden an der Ausrüstung führt.

Der begrenzte Erfassungsbereich erfordert die Nähe zu potenziell gefährlichen Bereichen, was ein Sicherheitsrisiko für die Bediener darstellt.

Aufgrund des begrenzten Bereichs von Gasen, die jedes Gerät erkennen kann, sind mehrere Detektoren erforderlich, um ein breiteres Erkennungsspektrum zu gewährleisten.

Die Geräte sind oft sperrig und können keine Ergebnisse vor Ort liefern, was Umweltinspektionen und rechtzeitige Leckreparaturen behindert.

Die Messergebnisse sind oft abstrakt und datenintensiv, was die Analyse erschwert.

Kleine Erfassungsbereiche erfordern punktuelle oder zeilenweise Inspektionen, was viel Zeit und Ressourcen kostet und das Risiko unentdeckter Lecks in toten Winkeln erhöht.

Vorteile der optischen Gasbildgebungskamera

Optische Gasbildkameras sind aufgrund ihrer Sicherheit und Effizienz zum bevorzugten Werkzeug für die Gaslecksuche geworden. Mit diesen Geräten lassen sich Gaslecks schnell aufspüren, die Quelle genau lokalisieren und die Verteilung und Ausbreitung des Gases beurteilen, wodurch Unfälle verhindert und Leben und Eigentum geschützt werden.

1. Visualisierung der Gasverteilung

Diese Kameras können unsichtbare giftige und gefährliche Gase durch optische Gasdarstellung und fortschrittliche Bildverbesserungsalgorithmen sichtbar machen. Ohne zusätzliche Lichtquellen oder reflektierende Hintergründe können diese Geräte direkt Bilder erfassen, die eine schnelle Lokalisierung von Leckquellen ermöglichen.

2. Sicherheit und Effizienz

Optische Gasbildkameras ermöglichen eine berührungslose, weitreichende und großflächige Erfassung von Zielbereichen. Mit Infrarot-Gasbildkameras können Inspektoren Gaslecks genau lokalisieren, ohne gefährliche Bereiche zu betreten, was eine sichere und effiziente Lecksuche gewährleistet.

3. Kontinuierlicher Betrieb der Ausrüstung ist möglich

Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden, die intrusive Inspektionen erfordern und häufig zu Anlagenstillständen führen, bieten optische Gasbildkameras eine berührungslose Lösung, die Inspektionen ohne Betriebsunterbrechung ermöglicht. Dies ermöglicht eine kontinuierliche Überwachung und Erkennung von Gaslecks und reduziert so Produktionsverluste.

Wie funktioniert die optische Gasbildgebung?

Die Grundlagen: Gas-Infrarot-Absorptionsspektroskopie

Bevor wir uns damit befassen, wie optische Gasbildgebungskameras Gase aufspüren, ist es wichtig, zunächst das Konzept der "Gas-Infrarot-Absorptionsspektroskopie" zu verstehen.

Viele Gase können Infrarotenergie absorbieren, aber verschiedene Gase haben unterschiedliche Absorptionseigenschaften, die sich vor allem in unterschiedlichen Absorptionswellenlängen äußern. So absorbieren beispielsweise die meisten Kohlenwasserstoffe wie Benzol und Butan Strahlung um 3,3 μm, während Verbindungen wie SF6 Strahlung um 10,6 μm absorbieren.

Das spezifische Prinzip der Absorptionseigenschaften und der Wellenlängenbereich

Absorption bei bestimmten Wellenlängen: Verschiedene Gasmoleküle besitzen einzigartige Schwingungs- und Rotationsmoden, die bestimmten Energieniveaus entsprechen. Bei der Wechselwirkung von Infrarotstrahlung mit Gasmolekülen kommt es nur dann zur Absorption, wenn die Energie eines Photons genau dem Energieunterschied zwischen zwei Energieniveaus des Moleküls entspricht. Daher ist die Absorption von Infrarotstrahlung durch Gase selektiv und erfolgt nur innerhalb bestimmter Wellenlängenbereiche.

Quantisierte Energieniveaus: Die Schwingungsenergieniveaus von Molekülen sind quantisiert, d. h. sie können nur auf diskreten Energieniveaus existieren. Ein Molekül kann nur dann ein Infrarotphoton absorbieren und in einen höheren Schwingungszustand übergehen, wenn die Energie des Photons genau der Energiedifferenz zwischen zwei quantisierten Energieniveaus entspricht.

Voraussetzung für die Absorption von Infrarotstrahlung in Gasen

Energieübereinstimmung: Wie im Text erwähnt, muss die Energie eines Infrarotphotons genau mit dem Energieunterschied zwischen zwei Energieniveaus eines Moleküls übereinstimmen, damit eine Absorption stattfinden kann. Dadurch wird sichergestellt, dass das Molekül nur bestimmte Energien absorbieren kann, d. h. das Gas wird nur Infrarotstrahlung bei bestimmten Wellenlängen absorbieren.

Änderung des Dipolmoments: Der Absorptionsprozess erfordert auch, dass der Schwingungsübergang eines Moleküls von einer Änderung seines momentanen Dipolmoments begleitet wird. Diese Änderung des Dipolmoments führt zu Absorptionsspitzen, was sowohl eine notwendige als auch eine hinreichende Bedingung für die Erzeugung von Infrarotabsorptionsspektren ist.

Beispiele für Gase, die bei verschiedenen Wellenlängen nachweisbar sind

Wellenlängen Erkennbare Gasarten

7-14μm CH₄, C₃H₈, SO₂, N₂O

8.0-8.6μm Kältemittel Gas

10.3-10,8μm SF₆, NH₃, C₂H₄

3.2-3,4μm VOCs

4.2-4,4μm CO₂

4.5-4.7μm CO

Wie erkennen optische Gasbildgebungskameras Gase auf der Grundlage der Infrarot-Absorptionsspektroskopie?

Bei der optischen Gasbildgebung (OGI) werden mit Spektralfiltern ausgestattete Infrarotkameras eingesetzt, um ansonsten unsichtbare Gaslecks sichtbar zu machen. Das Funktionsprinzip besteht in der Messung der Infrarotstrahlung, die durch ein Gasvolumen hindurchgeht. Durch die Verwendung von Bandpassfiltern vor dem Detektor schränken OGI-Kameras den Bereich der Wellenlängen ein, die durchgelassen werden können, und ermöglichen so den Nachweis bestimmter Gase auf der Grundlage ihrer einzigartigen Infrarotabsorptionsspektren.

Wenn sich Gas zwischen der OGI-Kamera und dem Zielbereich befindet, wird die Infrarotstrahlung, die durch das Gas hindurchgeht, bei Wellenlängen absorbiert, die dem Durchlassbereich des Filters entsprechen. Durch die Verwendung eines Schmalbandfilters, der auf eine Wellenlänge zentriert ist, bei der das Gas eine starke Absorption zeigt, kann die Kamera die Sichtbarkeit des Gases verbessern. Das Gas "blockiert" effektiv mehr Strahlung von Objekten hinter ihm, wodurch ein Kontrast in der Infrarotintensität zwischen dem Gas und dem Hintergrund entsteht.

Die OGI-Kamera ist in der Lage, diese unterschiedliche Infrarotstrahlung zu erkennen und in ein sichtbares Wärmebild umzuwandeln.

Welche Gase können optische Gasbildkameras "sehen"? Können sie alle Gase erkennen?

Optische Gasbildkameras arbeiten nach dem Prinzip der selektiven Absorption von Infrarotstrahlung durch bestimmte Gase. Die Kamera ist mit einem Bandpassfilter ausgestattet, der nur einen engen Bereich von Infrarot-Wellenlängen durchlässt. Folglich kann die Kamera nur Gase erkennen, die Infrarotstrahlung innerhalb dieses spezifischen Wellenlängenbereichs absorbieren.

Die Fähigkeit einer OGI-Kamera, ein Gas zu erkennen, steht in direktem Zusammenhang mit den Infrarotabsorptionseigenschaften des Gases innerhalb des spezifischen Wellenlängenbereichs des Filters. Gase, die in diesem Bereich keine Infrarotstrahlung absorbieren, wie z. B. Helium, Sauerstoff und Stickstoff, können nicht sichtbar gemacht werden. Außerdem haben verschiedene Gase unterschiedliche Absorptionsspektren, was bedeutet, dass Gase mit Wellenlängen außerhalb des Ansprechbereichs der OGI-Kamera nicht erkannt werden können

Kann die optische Gasbildgebung zur Identifizierung von Gasen verwendet werden?

Die optische Gasbildgebung (OGI) eignet sich zwar gut zum Aufspüren von Gaslecks, ist aber nicht ideal für die Gasidentifizierung. Die Identifizierung eines bestimmten Gases erfordert die Kenntnis des einzigartigen Absorptionsspektrums des Gases und den Einsatz eines entsprechenden Spektralfilters. OGI-Kameras können das Vorhandensein eines Gases erkennen, aber sie können nicht zwischen verschiedenen Gasarten innerhalb derselben Gasfamilie unterscheiden. Eine Wärmebildkamera, die für die Erkennung von Kohlenwasserstoffen ausgelegt ist, kann beispielsweise nicht zwischen verschiedenen Arten von Kohlenwasserstoffen unterscheiden.

Schlussfolgerung

Die optische Gasbildgebung ist eine leistungsstarke und effektive Methode zur Gasdetektion. Durch die Nutzung der einzigartigen Infrarot-Absorptionsspektren verschiedener Gase können OGI-Kameras Gaslecks sichtbar machen, die mit dem bloßen Auge nicht erkennbar sind. Diese Technologie ermöglicht eine berührungslose Erkennung in Echtzeit und ist damit ein wertvolles Hilfsmittel für verschiedene Industriezweige, um Gaslecks aufzuspüren und Zwischenfälle wie gefährliche Gasemissionen zu verhindern und eine sichere Produktion zu gewährleisten.

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