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DE10116496A1 - Device and method for the detection and location of a substance escaping into the environment - Google Patents

Device and method for the detection and location of a substance escaping into the environment

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Publication number
DE10116496A1
DE10116496A1 DE2001116496 DE10116496A DE10116496A1 DE 10116496 A1 DE10116496 A1 DE 10116496A1 DE 2001116496 DE2001116496 DE 2001116496 DE 10116496 A DE10116496 A DE 10116496A DE 10116496 A1 DE10116496 A1 DE 10116496A1
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DE
Germany
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substance
manifold
optical fiber
location
environment
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Withdrawn
Application number
DE2001116496
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German (de)
Inventor
Karl-Heinz Storb
Peter Jax
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Areva GmbH
Original Assignee
Framatome ANP GmbH
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Publication date
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  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

The invention relates to a device for identifying and locating a substance (A) that is leaking into the environment, in particular for identifying and locating leaks in a system. Said device comprises a collection conduit (4), which is permeable to the substance (A) and is connected to a pump (6) and a sensor (8) for the substance (A). An optical fibre (20) is laid in the vicinity of the collection conduit (4), the transmission characteristics of said fibre being affected by the substance (A). Said optical fibre is optically coupled to an optical transceiver device (22, 24, 26) for measuring the transit time of the backscattered light (S).

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.The invention relates to a device and a Ver drive to the detection and location of an exit in the area tendency substance, especially for leak detection and leakage location in a system.

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.From DE 24 31 907 C3 a leakage detection and Or tion system (LEOS) is known, in which the to be detected and leaked substance into the environment in a manifold penetrates and there together with a transport medium sensor arranged at the end of the collecting line is conveyed, that detects the substances that have penetrated the manifold. The manifold is connected to a pump with the cyclical, d. H. in one after the other and in time the spaced pumping processes, volumes of a transport medium um, for example air, through the manifold is promoted. The manifold is close to one over guarding plant, especially along a pipeline orderly. In the event of a leak in the system or in the pipeline since the leaked substance reaches the collecting egg and penetrates into it. It is formed in the A con near the leak in the manifold laid there concentration maximum of the substance. The next pumping process this maximum concentration reaches the sensor. Out of time span between switching on the pump and the address Chen the sensor passes, can be known with Transportge speed of the leakage location can be determined.

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.However, the spatial resolution of the known system is  especially with long manifolds due to the un avoidable mixing and diffusion processes during the Transport of the transport medium for a number of applications fall, unsatisfactory.

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.The invention is based on the object of a device and a method for detecting and locating one in the area exiting substance, its local resolution capacity with high sensitivity compared to the known leak detection and leak detection system or method is improved.

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.The stated object is achieved according to the invention with a Device with the features of claim 1 or egg Nem method with the features of claim 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.The device according to the invention comprises a collecting egg device that is permeable to the substance and that is connected to a pump and connected to a sensor for the substance. In the An optical fiber is laid around the manifold, whose local transmission properties are influenced by the substance and to an optical transmitter for transmission and receiving device for measuring the transit time of the Optical fiber coupled and backscattered light.

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.The substance escaping into the environment must be suitable Transmission properties of the optical fiber on the relevant Change or disrupt location so that at least part of the light coupled into the optical fiber at this location is scattered back.

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.By this measure, the spatial resolution of the known method increased because with a transit time measurement of  backscattered light local resolutions in the area of weni gen centimeters are achievable.

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 other words: the qualitative detection sensitivity of the sensor is due to the high spatial resolution of the fiber optics cal time measurement of the temperature distribution supports, so that when both phenomena occur, a higher Re redundancy and on the other hand a significantly improved spatial resolution solution is available.

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.In an advantageous embodiment of the invention Optical fiber laid inside the manifold. Thereby it is ensured that only substances that can be verified with the LEOS system are provided, act on the optical fiber can, so that the redundancy of both measurement methods is increased.

Vorzugsweise ist die Lichtleitfaser an eine optische Sende- und Empfangseinrichtung zur Messung der Temperaturverteilung entlang der Lichtleitfaser auf der Grundlage des Raman- Effektes angeschlossen.The optical fiber is preferably connected to an optical transmission and receiving device for measuring the temperature distribution along the optical fiber based on the Raman Effect connected.

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.This measure is in addition to the known After method a change in temperature distribution along the Bus line detected with high local resolution. there is exploited that the leakage of a substance in the reverse exercise at this point often also for a temperature change, for example by exothermic or endothermic chemical reac tion or through thermodynamic processes, for example Cooling when the substance flows out of the system or through evaporation.

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 a particularly preferred embodiment of the invention there is a gaseous or  liquid reactant, which with the one in the manifold urgent substance reacts exothermic or endothermic. Through this Measure can be achieved that the optical fiber in the reacts selectively sensitive to the same substance as the 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.In a further preferred embodiment, the substance a change in the physical properties of the jacket the optical fiber. This enables the detection of substances that do not produce a temperature change in the environment, but only attack the fiber jacket by chemical reaction and in this way the proportion of the backscattered light influence.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf das Ausfüh­ rungsbeispiel der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:To further explain the invention, the Ausfü Example of the drawing referenced. Show it:

Fig. 1 eine Einrichtung gemäß der Erfindung in einer schema­ tischen Prinzipdarstellung, Fig. 1 shows a device according to the invention in a schematic principle representation,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Sammelleitung mit einer in dieser verlegten Lichtleitfaser. Fig. 2 shows a section through a manifold with an optical fiber laid in this.

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.According to the exemplary embodiment of FIGS. 1 and 2, a manifold 4 is laid along a system part, in the exemplary embodiment a pipe 2 , which is provided with a jacket wall which is permeable to the substance A transported in the pipe 2 . The manifold 4 is connected to a pump 6 , which discontinuously conveys a fluid medium, for example a liquid, a neutral gas or a reactant R, through the manifold 4 . At the manifold 4 , a sensor 8 is connected at a predetermined distance from the pump 6 , with which it is possible to detect a substance A that has penetrated into the manifold 4 by chemical or physical means.

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.In the manifold 4 , an optical fiber 20 is laid, de ren transmission properties either by the substance A or by the exiting substance A in the vicinity of the optical fiber 20 generated heat tone q (release or withdrawal of heat q), for example an exothermic or endothermic chemical Reaction with a specifically for this purpose fed into the manifold 4 reactant R, for example hydrogen, is changed locally.

Alternativ hierzu kann die Lichtleitfaser 20 außerhalb der Sammelleitung 4, zumindest aber in deren näherer Umgebung an­ geordnet sein.Alternatively, the optical fiber 20 can be arranged outside the manifold 4 , or at least in the vicinity thereof.

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.The optical fiber 20 is connected to a pulsed light source 22 , preferably a semiconductor laser, which generates light pulses P with a pulse duration in the range of a few ns at predetermined time intervals. The light pulses are coupled into the optical fiber 20 via a beam splitter 24 . The backscattered in the optical fiber 20 light S (scattered light) is supplied with the aid of the beam splitter 24 to a receiving device 26 with which the intensity of the backscattered light S can be measured integrally or wavelength-selectively as a function of the transit time. The propagation time of the scattered light S is a measure of the scattering location x, so that local inhomogeneities in the transmission properties of the optical fiber 20 can be inferred from the temporal intensity profile of the scattered light S.

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.The scattered light S can be obtained by Rayleigh scattering (scatter light S and transmission light P have the same frequency) as well  due to Raman scattering (scattered light S and transmitted light P have un different frequency) arise.

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.The former is the case if in the manifold 4, an urgent material A, for example, the core 20 a of the light leitfaser 20 surrounding shell 20 b locally damaged by chemical reaction, and the modified at this point transmission characteristics of the optical fiber 20 by an increased scatter fraction to make noticable. This damage or change of the jacket 20 b can be done by direct action of the substance A on the jacket 20 b or by an indirect action on the jacket 20 b with the help of a gaseous or liquid reactant R located in the collecting line.

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. On the basis of the Raman effect, ie the detection of scattered light, the frequencies of which deviate from the frequency of the send light P, it is possible to determine the temperature distribution along the optical fiber 20 or the collecting line 4 with a high spatial resolution. Such measuring devices and measuring methods are known, for example, from US Pat. No. 5,618,108 and 5,825,804. This temperature distribution can be a further indirect or direct indication of the presence of a leak, that is to say the escape of the substance A produces a temperature change directly in the environment due to thermodynamic processes or due to an exothermic or endothermic chemical reaction with the aid of the one present in the collecting line Reactants R.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

22

Rohr
pipe

44

Sammelleitung
manifold

66

Pumpe
pump

88th

Sensor
sensor

2020

Lichtleitfaser
optical fiber

2020

a Kern
a core

2020

b Mantel
b coat

2222

(gepulste) Lichtquelle
(pulsed) light source

2424

Strahlteiler
beamsplitter

2626

Empfangseinrichtung
A Stoff
R Reaktanten
q Wärmetönung
P Lichtimpulse/Sendelicht
S Streulicht
x Streuort
receiver
A fabric
R reactants
q Warm tone
P light pulses / transmitted light
S stray light
x location

Claims (6)

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.1.Device for the detection and location of a substance emerging in the environment (A), in particular for leak detection and location in a system, with a manifold ( 4 ) which is permeable to the substance (A) and which is connected to a pump ( 6 ) and connected to a sensor ( 8 ) for the substance (A), and with an optical fiber ( 20 ) laid in the vicinity of the collecting line ( 4 ), the transmission properties of which are influenced by the substance (A) an optical transmission and reception device ( 22 , 24 , 26 ) for measuring the transit time of the backscattered light (S) is optically coupled. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, bei der die Lichtleitfa­ ser (20) im Inneren der Sammelleitung (4) verlegt ist.2. Device according to claim 1, wherein the Lichtleitfa water ( 20 ) is laid inside the manifold ( 4 ). 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.3. Device according to claim 1 or 2, wherein the optical transmitting and receiving device ( 22 , 24 , 26 ) for measuring the temperature distribution along the optical fiber ( 20 ) is provided on the basis of the Raman effect. 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.4. Device according to claim 3, with an inside the Sam melleitung ( 4 ) located gaseous or liquid reactants (R) which reacts exothermic or endothermic with the substance (A) penetrating into the collecting line ( 4 ). 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. 5. Device according to claim 1 or 2, wherein the substance (A) causes a direct or indirect change in the physical properties of the sheath ( 20 b) of the optical fiber ( 20 ). 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.6. A method for detecting and locating a substance emerging in the environment (A), in particular for leak detection and leak detection in a system, with a manifold ( 4 ), which is permeable to the substance (A), in which the in the manifold ( 4 ) penetrated substance (A) with a pump ( 6 ) is transported to a sensor ( 8 ) connected to the collecting line ( 4 ) for the substance (A), and in which in the vicinity of the collecting line ( 4 ) installed optical fiber ( 20 ) by means of an optical transmitting and receiving device ( 22 , 24 , 26 ), and the transit time of the backscattered light (S) is measured.
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