DE10116496A1

DE10116496A1 - Einrichtung und Verfahren zur Erkennung und Ortung eines in die Umgebung austretenden Stoffes

Info

Publication number: DE10116496A1
Application number: DE2001116496
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Storb; Peter Jax
Original assignee: Framatome ANP GmbH
Current assignee: Areva GmbH
Priority date: 2001-04-03
Filing date: 2001-04-03
Publication date: 2002-10-17
Also published as: WO2002082036A1; AR033210A1

Abstract

Eine Einrichtung zur Erkennung und Ortung eines in die Umgebung austretenden Stoffes (A), insbesondere zur Leckageerkennung und Leckageortung in einer Anlage, enthält eine Sammelleitung (4), die für den Stoff (A) permeabel ist, und die an eine Pumpe (6) sowie an einen Sensor (8) für den Stoff (A) angeschlossen ist. In der Umgebung der Sammelleitung (4) ist eine Lichtleitfaser (20) verlegt, deren Übertragungseigenschaften vom Stoff (A) beeinflusst werden, und die an eine optische Sende- und Empfangseinrichtung (22, 24, 26) zur Messung der Laufzeit des zurückgestreuten Lichtes (S) optisch gekoppelt ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung und ein Ver fahren zur Erkennung und Ortung eines in die Umgebung austre tenden Stoffes, insbesondere zur Leckageerkennung und Leckage ortung in einer Anlage.

Aus der DE 24 31 907 C3 ist ein Leckageerkennungs- und Or tungssystem (LEOS) bekannt, bei dem der zu detektierende und in die Umgebung ausgetretene Stoff in eine Sammelleitung ein dringt und dort gemeinsam mit einem Transportmedium zu einem am Ende der Sammelleitung angeordneten Sensor befördert wird, der die in die Sammelleitung eingedrungenen Stoffe erkennt. Die Sammelleitung ist hierzu an eine Pumpe angeschlossen, mit der zyklisch, d. h. in nacheinander und in zeitlich voneinan der beabstandeten Pumpvorgängen, Volumina eines Transportmedi ums, beispielsweise Luft, durch die Sammelleitung hindurchbe fördert wird. Die Sammelleitung ist in der Nähe einer zu über wachenden Anlage, insbesondere entlang einer Rohrleitung, an geordnet. Bei einem Leck in der Anlage oder in der Rohrleitung gelangt da der aus dem Leck ausgetretene Stoff zur Sammellei tung und dringt in diese ein. Es bildet sich dadurch in der Nähe des Lecks in der dort verlegten Sammelleitung ein Kon zentrationsmaximum des Stoffes aus. Beim nächsten Pumpvorgang gelangt dieses Konzentrationsmaximum zum Sensor. Aus der Zeit spanne, die zwischen dem Einschalten der Pumpe und dem Anspre chen des Sensors vergeht, kann bei bekannter Transportge schwindigkeit der Leckageort bestimmt werden.

Das räumliche Auflösungsvermögen des bekannten Systems ist aber insbesondere bei langen Sammelleitungen aufgrund der un vermeidlichen Mischungs- und Diffusionsprozesse während des Transports des Transportmediums für eine Reihe von Anwendungs fällen, unbefriedigend.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung und ein Verfahren zur Erkennung und Ortung eines in die Umge bung austretenden Stoffes anzugeben, deren örtliches Auflö sungsvermögen bei zugleich hoher Nachweisempfindlichkeit ge genüber dem bekannten Leckerkennungs- und Leckortungssystem bzw. -verfahren verbessert ist.

Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einer Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. ei nem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 6.

Die Einrichtung gemäß der Erfindung umfasst eine Sammellei tung, die für den Stoff permeabel ist und die an eine Pumpe sowie an einen Sensor für den Stoff angeschlossen ist. In der Umgebung der Sammelleitung ist eine Lichtleitfaser verlegt, deren lokale Übertragungseigenschaften vom Stoff beeinflusst werden, und die an eine optische Sendeeinrichtung zum Sende- und Empfangseinrichtung zur Messung der Laufzeit des in die Lichtleitfaser eingekoppelten und zurückgestreuten Lichtes.

Der in die Umgebung austretende Stoff muss geeignet sein, die Übertragungseigenschaften der Lichtleitfaser am betreffenden Ort derart zu verändern oder stören, dass zumindest ein Teil des in die Lichtleitfaser eingekoppelten Lichtes an diesem Ort zurückgestreut wird.

Durch diese Maßnahme wird das räumliche Auflösungsvermögen des bekannten Verfahrens erhöht, da mit einer Laufzeitmessung des zurückgestreuten Lichtes Ortsauflösungen im Bereich von weni gen Zentimetern erzielbar sind.

Mit anderen Worten: Die qualitative Nachweisempfindlichkeit des Sensors wird durch die hohe Ortsauflösung der faseropti sche Laufzeitmessung desr Temperaturverteilung unterstützt, so dass bei Auftreten beider Phänomene einerseits eine höhere Re dundanz und andererseits eine deutlich verbesserte Ortsauflö sung vorliegt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Lichtleitfaser im Inneren der Sammelleitung verlegt. Dadurch ist sichergestellt, dass nur Stoffe, die zum Nachweis mit dem LEOS-System vorgesehen sind, auf die Lichtleitfaser einwirken könne, so dass die Redundanz beider Messmethoden erhöht ist.

Vorzugsweise ist die Lichtleitfaser an eine optische Sende- und Empfangseinrichtung zur Messung der Temperaturverteilung entlang der Lichtleitfaser auf der Grundlage des Raman- Effektes angeschlossen.

Durch diese Maßnahme wird zusätzlich zu der bekannten Nach weismethode eine Änderung der Temperaturverteilung entlang der Sammelleitung mit hoher örtlicher Auflösung detektiert. Dabei wird ausgenutzt, dass der Austritt eines Stoffes in die Umge bung an dieser Stelle häufig auch zu einer Temperaturänderung, beispielsweise durch exotherme oder endotherme chemische Reak tionen oder durch thermodynamische Prozesse, beispielsweise Abkühlung beim Ausströmen des Stoffes aus der Anlage oder durch Verdunstung, führt.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung be findet sich im Inneren der Sammelleitung ein gasförmiger oder flüssiger Reaktanten, der mit dem in die Sammelleitung ein dringenden Stoff exotherm oder endotherm reagiert. Durch diese Maßnahme kann erreicht werden, dass die Lichtleitfaser in der gleichen Weise selektiv empfindlich auf den Stoff reagiert wie der Sensor.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung bewirkt der Stoff eine Veränderung der physikalischen Eigenschaften des Mantels der Lichtleitfaser. Dies ermöglicht den Nachweis von Stoffen, die keine Temperaturänderung in der Umgebung erzeugen, sondern lediglich den Fasermantel durch chemische Reaktion angreifen und auf diese Weise den Anteil des zurückgestreuten Lichtes beeinflussen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf das Ausfüh rungsbeispiel der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:

Fig. 1 eine Einrichtung gemäß der Erfindung in einer schema tischen Prinzipdarstellung,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Sammelleitung mit einer in dieser verlegten Lichtleitfaser.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 ist entlang eines Anlagenteils, im Ausführungsbeispiel ein Rohr 2, eine Sammelleitung 4 verlegt, die mit einer Mantelwand versehen ist, die für den im Rohr 2 transportierten Stoff A durchlässig ist. Die Sammelleitung 4 ist an eine Pumpe 6 angeschlossen, die ein fluides Medium, beispielsweise eine Flüssigkeit, ein neutrales Gas oder einen Reaktanten R diskontinuierlich durch die Sammelleitung 4 befördert. An die Sammelleitung 4 ist in einem vorgegebenen Abstand zur Pumpe 6 ein Sensor 8 ange schlossen, mit dem es möglich ist, einen in die Sammelleitung 4 eingedrungenen Stoff A auf chemischem oder physikali schem Weg nachzuweisen.

In der Sammelleitung 4 ist eine Lichtleitfaser 20 verlegt, de ren Übertragungseigenschaften entweder durch den Stoff A oder durch die vom austretenden Stoff A in der Umgebung der Licht leitfaser 20 erzeugte Wärmetönung q (Freisetzung oder Entzug von Wärme q), beispielsweise eine exotherme oder endotherme chemische Reaktion mit einem eigens für diesen Zweck in die Sammelleitung 4 eingespeisten Reaktanten R, beispielsweise Wasserstoff, lokal verändert wird.

Alternativ hierzu kann die Lichtleitfaser 20 außerhalb der Sammelleitung 4, zumindest aber in deren näherer Umgebung an geordnet sein.

Die Lichtleitfaser 20 ist an eine gepulste Lichtquelle 22, vorzugsweise ein Halbleiterlaser, angeschlossen, der in vorge gebenen Zeitabständen Lichtimpulse P mit einer Impulsdauer im Bereich von wenigen ns erzeugt. Die Lichtimpulse werden über einen Strahlteiler 24 in die Lichtleitfaser 20 eingekoppelt. Das in der Lichtleitfaser 20 zurückgestreute Licht S (Streu licht) wird mit Hilfe des Strahlteilers 24 einer Empfangsein richtung 26 zugeführt, mit der die Intensität des zurückge streuten Lichtes S integral oder wellenlängenselektiv in Ab hängigkeit von der Laufzeit gemessen werden kann. Die Laufzeit des Streulichts S ist ein Maß für den Streuort x, so dass auf grund des zeitlichen Intensitätsverlaufs des Streulichts S auf örtliche Inhomogenitäten der Übertragungseigenschaften der Lichtleitfaser 20 geschlossen werden kann.

Das Streulicht S kann sowohl durch Rayleigh-Streuung (Streu licht S und Sendelicht P haben die gleiche Frequenz) als auch durch Raman-Streuung (Streulicht S und Sendelicht P haben un terschiedliche Frequenz) entstehen.

Ersteres ist der Fall, wenn der in die Sammelleitung 4 ein dringende Stoff A beispielsweise den den Kern 20a der Licht leitfaser 20 umgebenden Mantel 20b durch chemische Reaktion lokal beschädigt, und sich die an dieser Stelle veränderten Übertragungseigenschaften der Lichtleitfaser 20 durch einen erhöhten Streuanteil bemerkbar machen. Diese Beschädigung oder Veränderung des Mantels 20b kann durch unmittelbare Einwirkung des Stoffes A auf den Mantel 20b oder durch eine mittelbare Einwirkung auf den Mantel 20b mit Hilfe eines in der Sammel leitung befindlichen gasförmigen oder flüssigen Reaktanten R erfolgen.

Auf der Grundlage des Raman-Effektes, d. h. des Nachweises von Streulicht, dessen Frequenzen von der Frequenz des Sendelich tes P abweichen, ist es möglich, die Temperaturverteilung ent lang der Lichtleitfaser 20 bzw. der Sammelleitung 4 mit einer hohen Ortsauflösung zu bestimmen. Derartige Messeinrichtungen und Messverfahren sind beispielsweise aus den US-Patentschrif ten 5,618,108 und 5,825,804 bekannt. Diese Temperaturvertei lung kann ein weiteres indirektes oder direktes Indiz für das Vorhandensein einer Leckage sein, d. h. das Austreten des Stof fes A erzeugt unmittelbar in der Umgebung eine Temperaturände rung aufgrund thermodynamischer Prozesse oder aufgrund einer exothermen oder endothermen chemischen Reaktion mit Hilfe des in der Sammelleitung anwesenden Reaktanten R.

Bezugszeichenliste

2

Rohr

4

Sammelleitung

6

Pumpe

8

Sensor

20

Lichtleitfaser

20

a Kern

20

b Mantel

22

(gepulste) Lichtquelle

24

Strahlteiler

26

Empfangseinrichtung
A Stoff
R Reaktanten
q Wärmetönung
P Lichtimpulse/Sendelicht
S Streulicht
x Streuort

Claims

1. Einrichtung zur Erkennung und Ortung eines in die Umgebung austretenden Stoffes (A), insbesondere zur Leckageerkennung und Leckageortung in einer Anlage, mit einer Sammellei tung (4), die für den Stoff (A) permeabel ist, und die an eine Pumpe (6) sowie an einen Sensor (8) für den Stoff (A) ange schlossen ist, und mit einer in der Umgebung der Sammellei tung (4) verlegten Lichtleitfaser (20), deren Übertragungsei genschaften vom Stoff (A) beeinflusst werden, die an eine op tische Sende- und Empfangseinrichtung (22, 24, 26) zur Messung der Laufzeit des zurückgestreuten Lichtes (S) optisch gekop pelt ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, bei der die Lichtleitfa ser (20) im Inneren der Sammelleitung (4) verlegt ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die optische Sende- und Empfangseinrichtung (22, 24, 26) zur Messung der Tem peraturverteilung entlang der Lichtleitfaser (20) auf der Grundlage des Raman-Effektes vorgesehen ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, mit einem im Inneren der Sam melleitung (4) befindlichen gasförmigen oder flüssigen Reak tanten (R), der mit dem in die Sammelleitung (4) eindringenden Stoff (A) exotherm oder endotherm reagiert.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Stoff (A) eine unmittelbare oder mittelbare Veränderung der physikali schen Eigenschaften des Mantels (20b) der Lichtleitfaser (20) bewirkt.

6. Verfahren zur Erkennung und Ortung eines in die Umgebung austretenden Stoffes (A), insbesondere zur Leckageerkennung und Leckageortung in einer Anlage, mit einer Sammellei tung (4), die für den Stoff (A) permeabel ist, bei dem der in die Sammelleitung(4) eingedrungene Stoff (A) mit einer Pum pe (6) zu einem an die Sammelleitung(4) angeschlossenen Sen sor (8) für den Stoff (A) transportiert wird, und bei dem in eine in der Umgebung der Sammelleitung (4) verlegte Lichtleit faser (20) mittels einer optischen Sende- und Empfangseinrich tung (22, 24, 26) Licht eingekoppelt und die Laufzeit des zu rückgestreuten Lichtes (S) gemessen werden.