На месторождениях и промышленных предприятиях, где эксплуатируется большое количество нефтегазового оборудования, возникает необходимость контроля и устранения многочисленных утечек углеводородных газов, в том числе тех, выявить которые при помощи классических методов невозможно. Использование специализированного тепловизора позволяет многократно повысить эффективность обнаружения и локализации утечек газов.

Оптическая визуализация газов используется так же в следующих областях промышленности:

- В электроэнергетике для обнаружения утечек элегаза (шестифтористая сера – SF6) из выключателей и КРУЭ.

- На электростанциях (ТЭЦ, АЭС) для обнаружения утечек водорода из систем охлаждения турбогенераторов. В качестве индикаторного газа используется углекислый газ СO2.

- На сталелитейных заводах для обнаружения угарного газа (монооксид СО) с целью защиты персонала и окружающей среды.

- Для визуализации утечек газообразных хладагентов в системах охлаждения промышленных установок.

Также существуют универсальные камеры, к примеру неохлаждаемая инфракрасная камера GF-77 со сменными объективами для визуализации метана (CH4), гексафторида серы (SF6), аммиака (NH3), диоксида серы (SO2), оксида азота (N2O) и других. У неохлаждаемой камеры нет модуля с охладителем Стирлинга, что делает ее более компактной и легкой в ущерб чувствительности.

Почему некоторые газы испускают и поглощают инфракрасное излучение

С механической точки зрения молекулы в газе можно сравнить с грузами, соединенными между собой упругими связями. В зависимости от количества атомов, их размера и массы, а также постоянной упругости связей молекулы могут двигаться в заданных направлениях, вибрировать вдоль оси, вращаться, скручиваться, растягиваться, качаться, колебаться и т. д.

Простейшие молекулы газа - это одиночные атомы, такие как гелий (Не), неон (Ne) или криптон (Kp). У них нет возможности вибрировать или вращаться, поэтому они могут только двигаться одновременно в одном направлении.

Рисунок 1. Один атом

Следующая наиболее сложная категория молекул - это гомоядерные молекулы, состоящие из двух атомов, таких как водород (Н2), азот (N2) и кислород (О2). Они могут переворачиваться вокруг своих осей в дополнение к поступательному движению.

Рисунок 2. Два атома

Кроме того, существуют сложные двухатомные молекулы, такие как углекислый газ (СО2), метан (СН4), шестифтористая сера (CS6) или стирол (С6Н5СН=СН2).

Рисунок 3 Молекула метана (слева) и шестифтористой серы (справа)

Повышенные степени механической свободы позволяют им совершать многократные вращательные и колебательные переходы. Поскольку они состоят из нескольких атомов, они могут поглощать и излучать тепло с большей эффективностью, чем простые молекулы. В зависимости от частоты переходов некоторые из них попадают в энергетические диапазоны, расположенные в инфракрасной области, к которой чувствительна инфракрасная камера.

Для того чтобы молекула могла поглощать фотон (инфракрасную энергию) при переходе из одного состояния в другое, она должна обладать дипольным моментом, который может быстро колебаться с той же частотой, что и падающий фотон. Это квантово-механическое взаимодействие позволяет энергии электромагнитного поля фотона «переноситься» на молекулу или поглощаться ей.

Камеры для оптической визуализации газов используют преимущества поглощающих свойств определенных молекул, чтобы визуализировать их в их естественной среде. Оптические системы камер специально настроены на очень узкие спектральные диапазоны, порядка сотен нанометров, и поэтому являются селективными. Можно обнаружить только те газы, которые поглощают в инфракрасной области, ограниченной узкополосным фильтром пропускания.

Как камера визуализирует газовое облако

Если камера направлена в пространство, где отсутствуют утечки газа, то объекты в поле зрения будут излучать и отражать инфракрасное излучение через объектив и фильтр камеры. Фильтр будет пропускать к детектору только определенные длины волн излучения, и в результате этого камера будет создавать некомпенсированное изображение интенсивности излучения. Если между объектами и камерой находится газовое облако, и этот газ испускает или поглощает излучение в полосе пропускания фильтра, то количество излучения, проходящего через облако к детектору, будет отличаться от фонового (рис. 4).

Рисунок 4. Визуализация газового облака

Для того чтобы увидеть облако на рассматриваемом фоне, между облаком и фоном должен быть определённый контраст. Иными словами, количество излучения, выходящего из облака, не должно быть равно количеству излучения, входящего в него. Количество излучения, отраженного от молекул в облаке, очень мало, и им можно пренебречь. Если температура газа будет равна температуре фона, то такой газовый поток обнаружить будет затруднительно. Таким образом, ключевым показателем, позволяющим сделать облако видимым, является разница в кажущейся температуре между облаком и фоном.

Условия визуализации утечек газов инфракрасной камерой:
• газ частично поглощает излучение в диапазоне пропускания фильтра камеры,
• газовое облако контрастирует с фоном в ИК-спектре (различие температуры облака газа и фона),
• газовое облако подвижно,
• камера точно откалиброванная для измерения температуры.

Камера для оптической визуализации газов является узкоспециализированной версией тепловизионной камеры. У нее имеется объектив, матрица, электроника с прошивкой, а также видоискатель или экран для работы пользователя. Детекторы матрицы, используемые в камерах для оптической визуализации газов, являются квантовыми детекторами, которые требуют охлаждения до температур около 70 К или -203 °С. Средневолновые камеры для обнаружения таких газов, как метан или пропан, обычно работают в диапазоне 3-5 мкм и используют детекторы из антимонида индия (InSb). Длинноволновые камеры для обнаружения таких газов, как шестифтористая сера, как правило, работают в диапазоне 8-12 мкм и используют инфракрасный фотодетектор на квантовой яме (QWIP).

Для большинства газовых соединений инфракрасные характеристики поглощения зависят от длины волны. На рис. 5 и 6 пик поглощения для пропана и метана наглядно проявляется за счет резкого падения линий пропускания на графиках. Желтые области представляют собой спектральный фильтр, используемый в камере для оптической визуализации газов, который выполнен так, чтобы он соответствовал диапазону длин волн, в котором большая часть фоновой инфракрасной энергии будет поглощаться конкретным газом, представляющим интерес.

Рисунок 5 – Инфракрасный спектр поглощения пропана (слева) и этилена (справа)

Рисунок 6 – Инфракрасный спектр поглощения метана

Применение фильтра, который ограничивает работу оптики камеры только в диапазоне длин волн, где ключевые газы имеют максимум поглощения (или минимум пропускания), повышает эффективность визуализации газа. Холодный газ будет эффективно «блокировать» большую часть излучения, поступающего от объектов за шлейфом на заднем фоне, тёплый газ будет излучать на фоне низкотемпературных объектов.

Большинство углеводородов поглощают энергию в области длин волн 3,3 мкм, поэтому фильтр, показанный на рис. 6 может использоваться для обнаружения широкого спектра газов. Метан имеет две полосы поглощения, однако средневолновой датчик (Flir GF320) будет обнаруживать этот газ с большей чувствительностью, чем средневолновой датчик (Flir GF77), согласно кривой пропускания, показанной на рисунке 6.

Особенности детекторов камер оптической визуализации газа

При комнатной температуре в материалах, используемых для квантовых детекторов, электроны находятся на различных энергетических орбиталях. Некоторые электроны обладают достаточной тепловой энергией, чтобы находиться в зоне проводимости (электроны свободно перемещаются), и материал может проводить электрический ток. Однако большинство электронов находится в валентной зоне, они не могут свободно двигаться и не создают никакого тока.

Когда материал охлаждается до достаточно низкой температуры, которая зависит от выбранного материала, тепловая энергия электронов снижается настолько, что они не могут достичь зоны проводимости и материал не  проводит электрический ток. Когда эти материалы подвергаются воздействию падающих фотонов, энергия фотонов активизирует электроны в валентной зоне, заставляя их двигаться в зону проводимости. Теперь материал (детектор) может проводить фототок, который пропорционален интенсивности падающего излучения.

Как правило, в камерах оптической визуализации газов для охлаждения матрицы применяется охладитель Стирлинга. Эффективность данного типа охлаждения относительно низкая, но этого достаточно для охлаждения детектора тепловизионной камеры.

Рисунок 7 Охладитель Стирлинга

Таким образом,  камеры оптической визуализации позволяют персоналу обнаружить как малоинтенсивные, так и крупные утечки на безопасных расстояниях и детектировать газ без физического расположения зонда прямо в газовом облаке, а также исключить попадание оператора в струю газа. Это первое ключевое преимущество технологии OGI перед традиционными методами.

Между тем, системы OGI имеют возможность не только визуализировать и локализовать, но и количественно оценить утечки углеводородов и летучих органических соединений в единицах массового расхода утечки, объёмного расхода утечки и концентрации. Это второе преимущество технологии OGI, обеспечивающее комплексный анализ при инспектировании объектов нефтегазовой отрасли.