DE102022105056A1

DE102022105056A1 - Mobile gas sensor and method for detecting and imaging gas emissions

Info

Publication number: DE102022105056A1
Application number: DE102022105056.4A
Authority: DE
Inventors: Peter Maas; René Braun
Original assignee: Grandperspective GmbH
Current assignee: Grandperspective GmbH
Priority date: 2022-03-03
Filing date: 2022-03-03
Publication date: 2023-09-07
Also published as: WO2023166124A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen mobilen optischen Gassensor zur Detektion und Abbildung von Gasemissionen, mit einem spektroskopischen Infrarotdetektor (6) zur ortsaufgelösten Aufnahme von Infrarotspektren, mit einer optischen Kamera (18), wobei die Ausrichtungen des spektroskopischen Infrarotdetektors (6) und der optischen Kamera (18) zueinander korreliert sind, mit einer Datenverarbeitungseinheit (22) zum Aufnehmen und Auswerten der gemessenen Infrarotspektren und der optischen Bilder, zur Bestimmung von Gassignaturen und gegebenenfalls von Säulendichten von detektierten Gasen und zum Kombinieren der Gassignaturen und gegebenenfalls der Säulendichten mit dem aufgenommenen Kamerabild und mit einer Datenschnittstelle (24) für eine Anzeigevorrichtung (25). Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren. Die Erfindung löst das technische Problem, einen mobilen Gassensor zur Detektion von Gasemissionen sowie das Verfahren zur Detektion von Gasemissionen mit einem mobilen Gassensor weiter zu verbessern und den Einsatz des mobilen Gassensors einfacher und effizienter zu gestalten.

The invention relates to a mobile optical gas sensor for detecting and imaging gas emissions, with a spectroscopic infrared detector (6) for spatially resolved recording of infrared spectra, with an optical camera (18), the alignment of the spectroscopic infrared detector (6) and the optical camera (18 ) are correlated to one another, with a data processing unit (22) for recording and evaluating the measured infrared spectra and the optical images, for determining gas signatures and, if necessary, column densities of detected gases and for combining the gas signatures and, if necessary, the column densities with the recorded camera image and with a Data interface (24) for a display device (25). The invention also relates to a method. The invention solves the technical problem of further improving a mobile gas sensor for detecting gas emissions and the method for detecting gas emissions with a mobile gas sensor and making the use of the mobile gas sensor simpler and more efficient.

Description

Die Erfindung betrifft einen mobilen Gassensor zur Detektion und Abbildung von Gasemissionen sowie ein Verfahren zur Detektion und Abbildung von Gasemissionen mit einem mobilen Gassensor.The invention relates to a mobile gas sensor for detecting and imaging gas emissions and a method for detecting and imaging gas emissions using a mobile gas sensor.

Unter einem mobilen Gassensor wird ein Gassensor verstanden, der von einer Person getragen und an verschiedene Orte gebracht werden kann. Für die Durchführung einer oder mehrerer Messungen kann der mobile Gassensor weiterhin getragen, mittels einer Tragekonstruktion gehalten oder auf einem Stativ angeordnet sein.A mobile gas sensor is understood to mean a gas sensor that can be carried by a person and brought to different locations. To carry out one or more measurements, the mobile gas sensor can also be carried, held by means of a support structure or arranged on a tripod.

Insbesondere dient der mobile Gassensor der Detektion, Abbildung und somit Lokalisation von Gasleckagen und potenziell gefährlichen Gaswolken in industrietechnischen Anlagen. Dabei werden besonders Rohrleitungen und Ventile von Gasleitungen überwacht, um austretende Gase zuverlässig zu detektieren, abzubilden und so zu lokalisieren.In particular, the mobile gas sensor serves to detect, map and thus localize gas leaks and potentially dangerous gas clouds in industrial plants. In particular, pipelines and valves of gas lines are monitored in order to reliably detect, map and thus localize escaping gases.

Denn aus den genannten Anlagen können durch Undichtigkeiten oder Fehlfunktionen von Anlagen Gase austreten, die für die Umwelt schädlich sind, zu Unfällen mit weitreichenden Folgen führen können und Gefahren für Gesundheit und Leben der sich auf dem Gelände aufhaltenden Personen darstellen können.Gases that are harmful to the environment, can lead to accidents with far-reaching consequences and can pose a risk to the health and life of people on the premises can escape from the systems mentioned due to leaks or malfunctions in systems.

Eine gängige Überwachung eines Geländes erfolgt mit chemo-elektrischen Sensoren, die jeweils nur für ein Gas oder eine geringe Anzahl von chemischen Gasen empfindlich sind. Zudem müssen die Sensoren dort angeordnet sein, wo die Gase in der Umgebungsluft vorhanden sind. Daher ist die Anzahl der einzusetzenden Sensoren hoch.Common site surveillance is done with chemo-electric sensors, each sensitive to only one gas or a small number of chemical gases. In addition, the sensors must be located where the gases are present in the ambient air. Therefore, the number of sensors to be used is high.

Weiterhin ist die Anwendung von Fourier-Transform-Infrarot-Spektrometern (FTIR) bekannt, die in kurzen Zeitabständen die Zusammensetzung des beobachteten Raumwinkels oberhalb des Geländes auf das Vorhandensein verschiedener chemischer Gase bestimmen können. Damit kann das ungewollte Austreten von Gasen detektiert werden und mittels Triangulation der Ort ermittelt werden. Jedoch können bei den bekannten Verfahren mit festen Sensorpositionen Verschattungen auftreten, so dass sich in den genannten Anlagen Teilbereiche einer Überwachung mit den bekannten Verfahren entziehen, insbesondere bei Leitungen und Ventilen innerhalb komplexer Anordnungen.Furthermore, the use of Fourier transform infrared spectrometers (FTIR) is known, which can determine the composition of the observed solid angle above the terrain for the presence of various chemical gases at short time intervals. This allows the unintentional escape of gases to be detected and the location to be determined by means of triangulation. However, in the known methods with fixed sensor positions, shading can occur, so that in the systems mentioned, some areas cannot be monitored using the known methods, particularly in the case of lines and valves within complex arrangements.

Ein aus dem Stand der Technik bekanntes FTIR-Spektrometer dient dabei als optischer Sensor. Das Spektrometer selbst ist ortsfest ausgebildet und dessen Infrarot-Optik ist in einem nach oben gerichteten Winkel ausgerichtet. Mit einem schwenkbaren Spiegel wird das Umgebungslicht auf die Infrarot-Optik gerichtet und somit die Umgebung gescannt. Der Überwachungsbereich ist dabei allerdings auf einen geringen Raumwinkelbereich beschränkt.An FTIR spectrometer known from the prior art serves as an optical sensor. The spectrometer itself is stationary and its infrared optics are oriented at an upward angle. With a swiveling mirror, the ambient light is directed onto the infrared optics and the surroundings are thus scanned. However, the monitoring area is limited to a small solid angle area.

Weiterhin sind mobile Gassensoren zur manuellen Lecksuche, Ultraschallkameras für eine akustische Lecksuche (Acoustic Leak Imaging, ALI), Backscatter Absorption Gas Imaging (BAGI) Kameras oder Passive Gas Imaging Systeme (OGI).Mobile gas sensors for manual leak detection, ultrasonic cameras for acoustic leak detection (Acoustic Leak Imaging, ALI), Backscatter Absorption Gas Imaging (BAGI) cameras or Passive Gas Imaging Systems (OGI) are also available.

Derartige Detektoren werden beispielsweise bei Leak Detection And Repair - LDAR - Managementprogrammen für flüchtige Emissionen als mobile Gassensoren verwendet, mit denen manuell, d.h. in absoluter räumlicher Nähe die direkte Atmosphäre rund um das Untersuchungsobjekt, beispielsweise Rohre in einer ausgedehnten Industrieanlage, untersucht werden. Daher müssen viele Meter bis hin zu Kilometern von Rohrleitungen und eine Vielzahl von bis zu beispielsweise tausenden Anlagenkomponenten teils an schwer zugänglichen und gefährlichen Orten in der Industrie abgelaufen werden. Die Messungen und die Überwachung sind somit zeitaufwändig und kostenintensiv.Such detectors are used, for example, in Leak Detection And Repair - LDAR - management programs for fugitive emissions as mobile gas sensors, with which the direct atmosphere around the examination object, for example pipes in an extensive industrial plant, is examined manually, i.e. in absolute spatial proximity. Therefore, many meters up to kilometers of pipelines and a large number of up to, for example, thousands of system components have to be run, some of which are difficult to access and dangerous places in industry. The measurements and the monitoring are therefore time-consuming and cost-intensive.

Darüber hinaus sind die eingesetzten Sensoren häufig nur für die Messung einzelner Stoffe eingerichtet und leisten keine oder nur eine geringe Selektivität in Bezug auf verschiedene Gase. Unterschiedliche Gase können daher nicht voneinander getrennt werden, so dass Querempfindlichkeiten mit einigen häufig auftretenden Störkomponenten, wie z.B. Wasserdampf, auftreten. Eine eindeutige Identifikation eines Gases aus einer Vielzahl von Gasen ist nicht möglich. Außerdem sind die Verfahren zur Quantifizierung der austretenden Gasmengen sehr ungenau, da sie sich aus der Abbildung des Strömungsverhaltens der beobachteten Gasaustritte ableiten.In addition, the sensors used are often only set up for measuring individual substances and have little or no selectivity with regard to different gases. Different gases can therefore not be separated from each other, so that cross-sensitivities with some frequently occurring interference components, such as water vapor, occur. It is not possible to clearly identify one gas from a large number of gases. In addition, the methods for quantifying the escaping gas quantities are very imprecise, since they are derived from mapping the flow behavior of the observed gas escapes.

Daher liegt der vorliegenden Erfindung das technische Problem zugrunde, einen mobilen Gassensor zur Detektion und Abbildung von Gasemissionen sowie das Verfahren zur Detektion und Abbildung von Gasemissionen mit einem mobilen Gassensor weiter zu verbessern und den Einsatz des mobilen Gassensors einfacher und effizienter zu gestalten.The present invention is therefore based on the technical problem of further improving a mobile gas sensor for detecting and mapping gas emissions and the method for detecting and mapping gas emissions with a mobile gas sensor and making the use of the mobile gas sensor simpler and more efficient.

Das zuvor aufgeführte technische Problem wird erfindungsgemäß durch einen mobilen Gassensor zur Detektion und Abbildung von Gasemissionen gelöst mit einem spektroskopischen Infrarotdetektor zur ortsaufgelösten Aufnahme von Infrarotspektren, mit einer optischen Kamera, wobei die Ausrichtungen des spektroskopischen Infrarotdetektors und der optischen Kamera zueinander korreliert sind, mit einer Datenverarbeitungseinheit zum Aufnehmen und Auswerten der gemessenen Infrarotspektren und der optischen Bilder, zum Bestimmung von Gassignaturen und gegebenenfalls von Säulendichten von detektierten Gasen und zum Kombinieren der Gassignaturen und gegebenenfalls der Säulendichten mit dem aufgenommenen Kamerabild und mit einer Anzeigevorrichtung zur Darstellung des kombinierten Bildes.The technical problem mentioned above is solved according to the invention by a mobile gas sensor for detecting and imaging gas emissions with a spectroscopic infrared detector for spatially resolved recording of infrared spectra, with an optical camera, the alignments of the spectroscopic infrared detector and the optical camera being correlated with one another, with a data processing unit for recording and evaluating the measured infrared spectra and the optical images, for the determination of Gas signatures and, where appropriate, column densities of detected gases and for combining the gas signatures and, where appropriate, the column densities with the recorded camera image and with a display device for displaying the combined image.

Für das Durchführen der verschiedenen Funktionen ist die Datenverarbeitungseinheit dazu eingerichtet, mittels Schnittstellen die Datensignale aufzunehmen und gegebenenfalls in digitale Signale umzuwandeln, auf Speichermittel und/oder Arbeitsspeichern zu speichern, mittels geeigneter Prozessoren zu verarbeiten und errechnete Ergebnisse wiederum zu speichern und für eine graphische Präsentation auf den Anzeigemitteln aufzuarbeiten. Die Datenverarbeitungseinheit ist zudem eingerichtet, Daten über eine Datenschnittstelle auf andere Datenverarbeitungseinheiten oder Server zu übertragen.In order to carry out the various functions, the data processing unit is set up to receive the data signals by means of interfaces and, if necessary, to convert them into digital signals, to store them on storage media and/or main memories, to process them using suitable processors and to store calculated results in turn and for a graphic presentation to process the display means. The data processing unit is also set up to transmit data to other data processing units or servers via a data interface.

Der erfindungsgemäße mobile Gassensor kann von einer Person in eine Umgebung einer technischen Anlage getragen werden, um damit diese Umgebung von einem Standort aus zu überprüfen. Dazu richtet die Person den Gassensor auf die zu überprüfenden technischen Anlagenteile wie Gasleitungen und ggf. Ventile mittels des auf der Anzeigevorrichtung angezeigten optischen Kamerabildes aus. Gleichzeitig nimmt der Infrarotdetektor ortsaufgelöst Infrarotspektren in dem Raumwinkel auf, der von dem optischen Kamerabild aufgenommen wird. Die Infrarotspektren werden fortlaufend von der Datenverarbeitungseinheit analysiert und auf spezifische Spektren des Absorptionskoeffizienten von bekannten Gasmolekülen untersucht. Wenn die spektrale Signatur eines Gases gefunden wird, werden die Raumwinkelbereiche ermittelt, in denen das Gas nachgewiesen wurde und diese Raumwinkelbereiche werden mit dem Kamerabild verknüpft. Die Anzeigevorrichtung zeigt dann das verknüpfte Bild und die Person kann anhand des kombinierten Bildes erkennen, ob und, wenn ja, wo eine Gasleckage detektiert wurde. Dazu sind die optischen Achsen des Infrarotdetektors und der optischen Kamera im Wesentlichen auf die gleiche optische Achse ausgerichtet. Durch manuelles Schwenken und Neigen des Gassensors werden Infrarotspektren und Videobilder auch aus benachbarten Raumwinkeln aufgenommen. Aus den benachbarten Einzelaufnahmen werden mittels Bilderkennung größere, zusammenhängende Bilder zusammengesetzt („stitching“). Durch die Verknüpfung der Raumwinkelbereiche, in denen ein Gas gefunden wurde, zu den jeweiligen Einzelaufnahmen des Videobildes, lassen sich auch in den zusammengesetzten Bildern ausgedehnte Gaswolken visualisieren.The mobile gas sensor according to the invention can be carried by a person into the environment of a technical installation in order to check this environment from one location. To do this, the person aligns the gas sensor with the technical system parts to be checked, such as gas lines and possibly valves, using the optical camera image displayed on the display device. At the same time, the infrared detector records spatially resolved infrared spectra in the solid angle recorded by the optical camera image. The infrared spectra are continuously analyzed by the data processing unit and examined for specific absorption coefficient spectra of known gas molecules. If the spectral signature of a gas is found, the solid angle ranges in which the gas was detected are determined and these solid angle ranges are linked to the camera image. The display device then shows the linked image and the person can use the combined image to identify whether and, if so, where a gas leak has been detected. For this purpose, the optical axes of the infrared detector and the optical camera are essentially aligned with the same optical axis. By manually panning and tilting the gas sensor, infrared spectra and video images are also recorded from adjacent solid angles. Larger, coherent images are assembled from the adjacent individual images using image recognition (“stitching”). By linking the solid angle areas in which a gas was found to the respective individual recordings of the video image, extensive gas clouds can also be visualized in the composite images.

Auf der Anzeigevorrichtung können neben dem verknüpften Bild auch kumulativ oder alternativ weitere Daten angezeigt werden, beispielsweise Datum, Uhrzeit, Position auf der Karte, das detektierte Gas bzw. mehrere detektierte Gase und/oder dessen bzw. deren Säulendichteverteilung.In addition to the linked image, further data can also be displayed cumulatively or alternatively on the display device, for example date, time, position on the map, the detected gas or several detected gases and/or its or their column density distribution.

In bevorzugter Weise wird das verknüpfte Bild fortlaufend - wie bei einer normalen Video- oder Fotokamera - angezeigt, ohne abgespeichert zu werden. Die Person kann bei einer detektierten Leckage eine oder mehrere Fotoaufnahmen, also eine oder mehrere Momentaufnahmen, oder eine Videoaufnahme auslösen, um das Vorhandensein der Leckage zu dokumentieren. Alternativ kann auch der gesamte Datenstrom in einer Datenbank gespeichert werden. Als Einzelaufnahme kommt auch ein Panoramabild durch Schwenken der Kamers und Stitchen der Bilder in Frage. Durch eine Mehrzahl von Fotoaufnahmen oder durch eine Videoaufnahme kann das zeitliche Verhalten der Gasleckage festgehalten werden.The linked image is preferably displayed continuously—as with a normal video or photo camera—without being saved. When a leak is detected, the person can trigger one or more photos, ie one or more snapshots, or a video recording in order to document the presence of the leak. Alternatively, the entire data stream can also be stored in a database. As a single shot, a panorama image can also be created by panning the cameras and stitching the images. The behavior of the gas leak over time can be recorded by taking a number of photographs or by recording a video.

Der Infrarotdetektor zur ortsaufgelösten Aufnahme von Infrarotspektren ist vorzugsweise als Interferometer, insbesondere als Michelson-Interferometer ausgebildet. Man spricht auch von einem Fourier-Transform Infrarot (FTIR) Spektrometer. Das FTIR-Spektrometer empfängt Infrarotstrahlung, die mittels einer Infrarot-Optik, beispielsweise ein Cassegrain-Teleskop oder eine Linsenoptik, oder ein Eintrittsfenster empfangen, in das FTIR-Spektrometer eingekoppelt, durch ein Michelson-Interferometer geleitet und auf die Detektorebene fokussiert wird. Der Detektor kann als Einzelelement, oder als Matrixdetektor (Focal Plane Array, FPA) ausgebildet sein. Mittels des Interferometers wird an jeder Detektorposition ein Interferogramm gemessen, welches durch Fourier-Transformation in ein Infrarotspektrum umgerechnet wird. Der Bewegungsbereich des Scanspiegels innerhalb des Interferometers liegt typischerweise im Bereich von 0,75 bis 10 mm.The infrared detector for spatially resolved recording of infrared spectra is preferably designed as an interferometer, in particular as a Michelson interferometer. One also speaks of a Fourier transform infrared (FTIR) spectrometer. The FTIR spectrometer receives infrared radiation, which is received by means of infrared optics, for example a Cassegrain telescope or lens optics, or an entrance window, coupled into the FTIR spectrometer, passed through a Michelson interferometer and focused on the detector plane. The detector can be designed as a single element or as a matrix detector (Focal Plane Array, FPA). Using the interferometer, an interferogram is measured at each detector position, which is converted into an infrared spectrum by Fourier transformation. The range of movement of the scanning mirror within the interferometer is typically in the range of 0.75 to 10 mm.

Zur radiometrischen Kalibrierung der Infrarotspektren kann der Gassensor einen eingebauten temperaturgeregelten Schwarzkörper aufweisen, der zur Durchführung der radiometrischen Kalibrierung vor die Infrarotoptik, bzw. in den Strahlengang geschwenkt wird. Auf Grundlage der radiometrischen Kalibrierung wird das gemessene Infrarotspektrum in ein kalibriertes Strahlungstemperaturspektrum umgerechnet, welches Eingang in den spektralen Auswertealgorithmus findet, der von der Auswerteeinheit angewendet wird.For radiometric calibration of the infrared spectra, the gas sensor can have a built-in, temperature-controlled black body, which is pivoted in front of the infrared optics or into the beam path to carry out the radiometric calibration. Based on the radiometric calibration, the measured infrared spectrum is converted into a calibrated radiation temperature spectrum, which is used in the spectral evaluation algorithm used by the evaluation unit.

Zur spektralen Auswertung werden die spektralen Signaturen des Gases und von omnipräsenten atmosphärischen Stoffen, wie z.B. Wasser, CO₂ und anderen Gasen, sowie mathematische Funktionen zur Modellierung des Hintergrundes berechnet. Im Ergebnis an diese Anpassungsrechnung werden die berechnete Signalhöhe und der Korrelationskoeffizient der berechneten Zielstoffsignatur mit stoffspezifischen Grenzwerten verglichen. Bei Überschreitung von vorgegebenen Grenzwerten gilt der Zielstoff als identifiziert, was automatisch erfolgt.For the spectral evaluation, the spectral signatures of the gas and omnipresent atmospheric substances such as water, CO ₂ and other gases, as well as mathematical functions for modeling the background are calculated. As a result of this adjustment calculation, the calculated signal level and the Correlation coefficient of the calculated target substance signature compared with substance-specific limit values. If the specified limit values are exceeded, the target substance is considered to have been identified, which is done automatically.

Das Prinzip der passiven IR-Fernerkundung arbeitet unabhängig von künstlichen Strahlungsquellen und funktioniert sowohl tagsüber als auch nachts, unabhängig von Ort, Messrichtung und der Jahreszeit, indem die von der Umgebung emittierte Wärmestrahlung in der Peilrichtung des Spektrometers analysiert wird. Die notwendige Bedingung zur Identifikation eines Gases ist das Vorhandensein eines zumindest geringen Temperaturunterschiedes zwischen der Strahlungstemperatur des zu messenden Gases und der Strahlungstemperatur des Hintergrundes in Blick- bzw. Peilrichtung. Ist das Gas wärmer als der Hintergrund in Messrichtung, erscheint die spektrale Signatur in Emission, ist es kälter als der Hintergrund, in Absorption.The principle of passive IR remote sensing works independently of artificial sources of radiation and works both during the day and at night, regardless of location, direction of measurement and time of year, by analyzing the heat radiation emitted by the environment in the bearing direction of the spectrometer. The necessary condition for the identification of a gas is the presence of at least a small temperature difference between the radiation temperature of the gas to be measured and the radiation temperature of the background in the viewing or bearing direction. If the gas is warmer than the background in the direction of measurement, the spectral signature appears in emission, if it is colder than the background, in absorption.

Die passive Infrarot-Fernerkundung verwendet den langwelligen Spektralbereich infraroter Strahlung, beispielsweise im Wellenzahl-Bereich von ca. 690- 1.440 cm^-1. Innerhalb dieses atmosphärischen Fensters sind Messungen auf große Entfernungen von einigen Hundert Metern oder bis zu mehreren Kilometern möglich, ohne dass die Atmosphäre eine zu starke Abschwächung des Signals bewirkt. Als begrenzende Faktoren für die maximale Messreichweite sind allgemein zu berücksichtigen: das Gesichtsfeld des Detektors durch vorhandene Hindernisse, die Größe der zu messenden Leckagewolke und die Abschwächung des Signals entlang der optischen Messstrecke durch die Atmosphäre, wobei eine direkte Sichtlinie stets Voraussetzung ist.Passive infrared remote sensing uses the long-wave spectral range of infrared radiation, for example in the wave number range of approx. 690-1,440 cm ^-1 . Within this atmospheric window, measurements over large distances of a few hundred meters or up to several kilometers are possible without the atmosphere causing too much weakening of the signal. The limiting factors for the maximum measuring range are generally to be considered: the field of view of the detector due to existing obstacles, the size of the leakage cloud to be measured and the attenuation of the signal along the optical measuring section through the atmosphere, whereby a direct line of sight is always a prerequisite.

Ein geeignetes FTIR-Spektrometer verwendet beispielsweise gekühlte Mercury-Cadmium-Tellurid (MCT) Einzeldetektoren, vorzugsweise Cryo-,Stirling-, oder stickstoffgekühlt. Anstelle des Einzeldetektors kann auch ein Matrixdetektor (Focal Plane Array, FPA) eingesetzt werden, so dass mit einer räumlichen Ausrichtung des Detektors eine Mehrzahl von Raumrichtungen separat erfasst und Infrarotspektren aufgenommen werden können.A suitable FTIR spectrometer uses, for example, cooled mercury cadmium telluride (MCT) single detectors, preferably cryo-, Stirling-, or nitrogen-cooled. Instead of the individual detector, a matrix detector (Focal Plane Array, FPA) can also be used, so that with a spatial alignment of the detector, a plurality of spatial directions can be recorded separately and infrared spectra can be recorded.

Als spektroskopischer Infrarotdetektor kann auch eine multispektrale Kamera verwendet werden. Eine multispektrale Kamera weist einen Zeilensensor oder einen zweidimensionalen Sensor auf, bei dem die einfallende Infrarotstrahlung spektral durch ein Beugungsgitter oder ein Prisma aufgefächert und auf eine Mehrzahl von Pixeln des Sensors geleitet wird. Über die Mehrzahl der Pixel des Sensors wird somit eine Intensitätsverteilung und somit ein Infrarotspektrum aufgenommen.A multispectral camera can also be used as a spectroscopic infrared detector. A multispectral camera has a line sensor or a two-dimensional sensor in which the incident infrared radiation is spectrally fanned out by a diffraction grating or a prism and directed to a number of pixels of the sensor. An intensity distribution and thus an infrared spectrum is thus recorded over the majority of the pixels of the sensor.

Wie zuvor beschrieben, kann der spektroskopische Infrarotdetektor mit einem Einzeldetektorelement den räumlichen Beobachtungsbereich der optischen Kamera scannen, insbesondere durch Bewegen des Infrarotdetektors. Die Zuordnung und Abbildung der spektral gemessenen Positionen kann dann über die Videobildaufnahmen erfolgen.As described above, the infrared spectroscopic detector with a single detector element can scan the spatial observation area of the optical camera, particularly by moving the infrared detector. The assignment and mapping of the spectrally measured positions can then take place via the video image recordings.

Wie ebenfalls zuvor beschrieben, kann der spektroskopische Infrarotdetektor mit einem Matrixdetektor den räumlichen Beobachtungsbereich der optischen Kamera an einer Vielzahl von Messpunkten aufnehmen und somit effektiver den Raumwinkel nach austretenden Gasemissionen untersuchen.As also described above, the spectroscopic infrared detector with a matrix detector can record the spatial observation range of the optical camera at a large number of measuring points and thus more effectively examine the solid angle for escaping gas emissions.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des mobilen Gassensors ist ein Positionsbestimmungsmittel, insbesondere ein Satelliten-basiertes oder ein WLAN-basiertes Positionsbestimmungsmittel, vorgesehen und die Datenverarbeitungseinheit verknüpft das kombinierte Bild mit mindestens einer Positionsinformation. Somit können die aufgenommenen kombinierten Bilder als Momentaufnahmen oder als Videosequenzen ortsaufgelöst ermittelt und gespeichert werden.In a further preferred embodiment of the mobile gas sensor, a position determination means, in particular a satellite-based or a WLAN-based position determination means, is provided and the data processing unit links the combined image with at least one item of position information. Thus, the recorded combined images can be determined and saved as snapshots or as video sequences with spatial resolution.

Darüber hinaus kann ein Richtungssensor, insbesondere ein Kompass oder ein Gyroskop, zur Bestimmung der räumlichen Ausrichtung des Infrarotdetektors und der optischen Kamera vorgesehen sein. Somit kann die räumliche Ausrichtung des mobilen Gassensors festgestellt und mit den gemessenen Daten verknüpft werden.In addition, a direction sensor, in particular a compass or a gyroscope, can be provided to determine the spatial orientation of the infrared detector and the optical camera. The spatial orientation of the mobile gas sensor can thus be determined and linked to the measured data.

Des Weiteren kann die Datenverarbeitungseinheit aus mindestens zwei Messungen von Infrarotspektren und zugehörigen Kamerabildern sowie aus den gemessenen Positionen und Ausrichtungen eine räumliche Ortung der Gasemission durchführen. Durch die mindestens zwei Messungen aus unterschiedlichen Raumrichtungen kann mittels Triangulation oder anderen Methoden der räumliche Bereich der Gasemission bestimmt werden.Furthermore, the data processing unit can spatially locate the gas emission from at least two measurements of infrared spectra and associated camera images and from the measured positions and alignments. The spatial range of the gas emission can be determined by the at least two measurements from different spatial directions by means of triangulation or other methods.

Alternativ dazu kann der Gassensor eine 3D-Kamera zum Erfassen von Entfernungsinformationen aufweisen und die Datenverarbeitungseinheit kann die gemessenen Entfernungswerte mit den aufgenommenen Spektren und den Videobildern verknüpfen. Die Kamera weist bevorzugt zwei Videokameras nach dem Prinzip der Stereo-Videokamera auf. Alternative 3D-Kameras können z.B. als Triangulationssystem ausgeführt sein (Bestimmung der Distanz mittels der Projektion eines Musters und der Bestimmung dessen Verzerrung), Time-of-Flight Kameras (Distanzermittlung mittels Laufzeitmessung des Lichtes), oder Lichtfeldkameras (Erfassung der Lichtrichtung mittels Mikrolinsenarrays). Die 3D-Kamera kann die Entfernung zu den abgebildeten Objekten anzeigen und messen. Aus den Werten kann dann sowohl die Entfernung zu den Objekten im Hintergrund als auch näherungsweise die Entfernung zur Gasleckage bestimmt werden. Das ist in vorteilhafter Weise eine weiter verwertbare Information für die Quantifizierung der gemessenen Gasmengen.As an alternative to this, the gas sensor can have a 3D camera for capturing distance information and the data processing unit can link the measured distance values with the recorded spectra and the video images. The camera preferably has two video cameras based on the stereo video camera principle. Alternative 3D cameras can be designed, for example, as a triangulation system (determining the distance by projecting a pattern and determining its distortion), time-of-flight cameras (distance determination by measuring the transit time of the light), or light field cameras (detecting the direction of light using microlens arrays). The 3D camera can display and measure the distance to the imaged objects. from the values the distance to the objects in the background as well as the approximate distance to the gas leak can then be determined. Advantageously, this is information that can be used further for the quantification of the gas quantities measured.

Als weitere Alternative ist vorzugsweise ein Entfernungsmesser, insbesondere ein Laser-Entfernungsmesser vorgesehen und die Datenverarbeitungseinheit verknüpft die gemessenen Entfernungswerte mit den kombinierten Bildern. Dazu kann bevorzugt vorgesehen sein, dass die Ausrichtung des Lasers mittig im Sichtfeld der optischen Kamera liegt. Wird dann die eingeblendete Säulendichteverteilung des kombinierten Bildes berücksichtigt, kann der mobile Gassensor so ausgerichtet werden, dass der Laserstrahl in dem Bereich der Säulendichteverteilung liegt und somit die Entfernung der Quelle des Gasaustritts gemessen werden kann.As a further alternative, a range finder, in particular a laser range finder, is preferably provided and the data processing unit links the measured distance values with the combined images. For this purpose, it can preferably be provided that the alignment of the laser is in the center of the field of view of the optical camera. If the superimposed column density distribution of the combined image is then taken into account, the mobile gas sensor can be aligned in such a way that the laser beam is in the area of the column density distribution and the distance to the source of the gas escape can thus be measured.

Aus der Verteilungsfunktion der Säulendichte kann in situ die Gasmenge errechnet werden, die sich in der Luft befindet. Dazu wird mit der Information der Distanz zum Freisetzungspunkt die Ausdehnung der Gaswolke bestimmt, die sich über dem Freisetzungspunkt befindet. Das Integral über die Säulendichteverteilung liefert die Gesamtmenge des in der Luft befindlichen Gases. In Verbindung mit der Information über die Windrichtung und Windgeschwindigkeit ist in einem zweiten mathematischen Verarbeitungsschritt auch eine automatische Berechnung des Gasflusses möglich, der aus dem Freisetzungspunkt austritt. Die Information zum Wind kann per Datenverbindung automatisch ausgelesen werden.The amount of gas in the air can be calculated in situ from the distribution function of the column density. For this purpose, the extent of the gas cloud located above the release point is determined using the information on the distance to the release point. The integral over the column density distribution gives the total amount of gas in the air. In connection with the information about the wind direction and wind speed, an automatic calculation of the gas flow exiting the release point is also possible in a second mathematical processing step. The information on the wind can be read out automatically via a data connection.

Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn ein Schwarzkörper zur Erhöhung des thermischen Kontrastes zwischen der Strahlungstemperatur des Gases und des Hintergrundes vorgesehen ist. Dazu kann der Schwarzkörper als separates Bauteil vorhanden sein und im beobachteten Bereich hinter der zu messenden Anlagenkomponente angeordnet werden.Furthermore, it is advantageous if a black body is provided to increase the thermal contrast between the radiation temperature of the gas and the background. For this purpose, the black body can be present as a separate component and can be arranged in the monitored area behind the system component to be measured.

Das oben aufgezeigte technische Problem wird auch durch ein Verfahren zur Detektion und Abbildung von Gasemissionen mit einem mobilen Gassensor, insbesondere einem zuvor beschriebenen Gassensor gelöst, bei dem mittels eines spektroskopischen Infrarotdetektors ortsaufgelöst Infrarotspektren aufgenommen werden, bei dem mit einer optischen Kamera mindestens ein optisches Bild aufgenommen wird, wobei die Ausrichtungen des spektroskopischen Infrarotdetektors und der optischen Kamera zueinander korreliert sind, bei dem mit einer Datenverarbeitungseinheit die gemessenen Infrarotspektren aufgenommen und ausgewertet werden, bei dem Gassignaturen und gegebenenfalls Säulendichten von detektierten Gasen bestimmt werden, bei dem die Gassignaturen und gegebenenfalls die Säulendichten mit dem mindestens einen aufgenommenen Kamerabild kombiniert werden und bei dem das kombinierte Bild angezeigt wird.The technical problem outlined above is also solved by a method for detecting and imaging gas emissions with a mobile gas sensor, in particular a gas sensor described above, in which spatially resolved infrared spectra are recorded using a spectroscopic infrared detector, in which at least one optical image is recorded with an optical camera where the alignments of the spectroscopic infrared detector and the optical camera are correlated to one another, where the measured infrared spectra are recorded and evaluated with a data processing unit, where the gas signatures and, if necessary, column densities of detected gases are determined, where the gas signatures and, if necessary, the column densities are are combined with the at least one recorded camera image and in which the combined image is displayed.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist zuvor - auch anhand der bevorzugten Ausgestaltungen im Detail beschrieben worden, worauf an dieser Stelle Bezug genommen wird.The method according to the invention has previously been described in detail, also on the basis of the preferred configurations, to which reference is made at this point.

Bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Verfahrensschritte,
bei dem das kombinierte Bild mit mindestens einer gemessenen Positionsinformation verknüpft wird und/oder
bei dem das kombinierte Bild mit einer gemessenen räumlichen Ausrichtung des Infrarotdetektors und der optischen Kamera verknüpft wird und/oder
bei dem aus mindestens zwei Messungen von Infrarotspektren und zugehörigen Kamerabildern sowie aus den gemessenen Positionsinformationen und den gemessenen räumlichen Ausrichtungen des Infrarotdetektors und der optischen Kamera eine räumliche Ortung der Gasemission bestimmt wird und/oder
bei dem mittels einer Kamera ein Kamerabild mit Entfernungsinformationen erzeugt und mit den Gassignaturen und gegebenenfalls den Säulendichten kombiniert wird und/oder
bei dem Entfernungswerte gemessen und mit den aufgenommenen Spektren und den Kamerabildern verknüpft werden und/oder
bei dem mittels eines Schwarzkörpers der thermische Kontrast zwischen der Strahlungstemperatur des Gases und des Hintergrundes erhöht wird.Preferred configurations of the method are method steps,
in which the combined image is linked to at least one piece of measured position information and/or
in which the combined image is linked to a measured spatial orientation of the infrared detector and the optical camera, and/or
in which a spatial localization of the gas emission is determined from at least two measurements of infrared spectra and associated camera images and from the measured position information and the measured spatial alignments of the infrared detector and the optical camera and/or
in which a camera image with distance information is generated by means of a camera and combined with the gas signatures and, if appropriate, the column densities and/or
in which distance values are measured and linked to the recorded spectra and the camera images and/or
in which the thermal contrast between the radiation temperature of the gas and the background is increased by means of a black body.

Insbesondere ist das zuvor beschriebene Verfahren weiter derart ausgebildet, dass aus der Entfernungsinformation zur gemessenen Gasemission die quantitative Information der Säulendichte der Gaswolke entlang der Sichtachse in eine Volumeninformation umgerechnet wird. Mittels der Information über die Gaszusammensetzung kann dann die Masse der in der Luft befindlichen Gasmenge ermittelt und dem Benutzer in Echtzeit angezeigt werden.In particular, the method described above is further designed in such a way that the quantitative information of the column density of the gas cloud along the viewing axis is converted into volume information from the distance information for the measured gas emission. Using the information about the gas composition, the mass of the gas in the air can then be determined and displayed to the user in real time.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen mobilen Gassensors,
2 eine schematische dreidimensionale Darstellung eines erfindungsgemäßen mobilen Gassensors,
3 eine schematische dreidimensionale Darstellung eines erfindungsgemäßen mobilen Gassensors zur Befestigung an einem Tragegestell,
4 eine schematische dreidimensionale Darstellung eines erfindungsgemäßen mobilen Gassensors zur Befestigung auf einem Stativ,
5 ein Ausführungsbeispiel einer Anzeige von Informationen auf einer Anzeigevorrichtung und
6 eine schematische Darstellung eines spektroskopischen Sensors mit einem Matrixdetektor.

The invention is explained below using exemplary embodiments with reference to the drawing. Show in the drawing

1 a schematic representation of a mobile gas sensor according to the invention,
2 a schematic three-dimensional representation of a mobile gas sensor according to the invention,
3 a schematic three-dimensional representation of a mobile according to the invention Gas sensor for attachment to a carrying frame,
4 a schematic three-dimensional representation of a mobile gas sensor according to the invention for attachment to a tripod,
5 an embodiment of a display of information on a display device and
6 a schematic representation of a spectroscopic sensor with a matrix detector.

In der nachfolgenden Beschreibung der verschiedenen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele werden Bauteile und Elemente mit gleicher Funktion und gleicher Wirkungsweise mit denselben Bezugszeichen versehen, auch wenn die Bauteile und Elemente bei den verschiedenen Ausführungsbeispielen in ihrer Dimension oder Form Unterschiede aufweisen können.In the following description of the various exemplary embodiments according to the invention, components and elements with the same function and the same mode of operation are provided with the same reference symbols, even if the components and elements in the various exemplary embodiments can have different dimensions or shapes.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen mobilen Gassensors 2 zur Detektion und Abbildung von Gasemissionen. In einem Gehäuse 4 ist zum einen ein spektroskopischer Infrarotdetektor 6 zur ortsaufgelösten Aufnahme von Infrarotspektren angeordnet. Der dargestellte Infrarotdetektor 6 weist grundsätzlich eine Infrarotoptik 8 in Form eines Infrarot (IR)-Teleskops mit Parabolspiegel 10 und Sekundärspiegel 12 und ein Fourier-Transform-Infrarotspektrometer (FTIR)-Spektrometer 14 auf. Das FTIR-Interferometer ist vorzugsweise als Michelson-Interferometer ausgebildet und ermöglicht die Aufnahme von IR-Spektren der in Richtung der optischen Achse 16 des Infrarotdetektors 6 einfallenden Infrarotstrahlung. 1 shows a schematic representation of a mobile gas sensor 2 according to the invention for the detection and imaging of gas emissions. A spectroscopic infrared detector 6 for spatially resolved recording of infrared spectra is arranged in a housing 4 . The infrared detector 6 shown basically has infrared optics 8 in the form of an infrared (IR) telescope with a parabolic mirror 10 and secondary mirror 12 and a Fourier transform infrared spectrometer (FTIR) spectrometer 14 . The FTIR interferometer is preferably designed as a Michelson interferometer and enables IR spectra of the infrared radiation incident in the direction of the optical axis 16 of the infrared detector 6 to be recorded.

Alternativ, aber nicht dargestellt, kann der spektroskopische Infrarotdetektor 6 auch als eine multispektrale IR-Kamera ausgebildet sein.Alternatively, but not shown, the spectroscopic infrared detector 6 can also be designed as a multispectral IR camera.

Des Weiteren kann der Infrarotdetektor 6 einen IR-empfindlichen Matrixdetektor (Focal Plane Array) aufweisen, um über ein Blickfeld an einer Vielzahl von räumlichen Positionen IR-Spektren aufzunehmen. Dadurch wird eine hohe Zahl gleichzeitiger Messungen sowie durch deren räumliche Anordnung die Abbildung von Gaswolken erreicht.Furthermore, the infrared detector 6 can have an IR-sensitive matrix detector (focal plane array) in order to record IR spectra over a field of view at a large number of spatial positions. As a result, a large number of simultaneous measurements and, thanks to their spatial arrangement, the imaging of gas clouds is achieved.

Alternativ kann der Infrarotdetektor auch mit einem Einzelelementdetektor ausgebildet sein. Um dann eine räumliche Verteilung zu vermessen, ist eine scannende Bewegung des Infrarotdetektors notwendig.Alternatively, the infrared detector can also be designed with a single element detector. In order to then measure a spatial distribution, a scanning movement of the infrared detector is necessary.

Der Matrixdetektor und der Einzelelementdetektor können dabei als Quecksilber-Kadmium-Tellur-Detektorelement, als Mercury Cadmium Telluride (MCT)-Detektor oder auch als Mikrobolometer ausgebildet sein.The matrix detector and the individual element detector can be designed as a mercury cadmium tellurium detector element, as a mercury cadmium telluride (MCT) detector or as a microbolometer.

Des Weiteren weist der in 1 dargestellte mobile Gassensor 2 eine optische Kamera 18 auf. Die optische Achse 20 der Kamera 18 ist korreliert, insbesondere parallel zur optischen Achse 16 der Infrarotdetektors 6 ausgerichtet, um eine Überlagerung der aufgenommenen räumlichen Informationen zu erleichtern.Furthermore, the in 1 Mobile gas sensor 2 shown has an optical camera 18 . The optical axis 20 of the camera 18 is correlated, in particular aligned parallel to the optical axis 16 of the infrared detector 6, in order to facilitate superimposition of the recorded spatial information.

Der mobile Gassensor 2 weist weiterhin eine Datenverarbeitungseinheit 22 zum Aufnehmen und Auswerten der gemessenen Infrarotspektren des Infrarotdetektors 6 und der optischen Bilder der optischen Kamera 18, zur Bestimmung von Gassignaturen und gegebenenfalls von Säulendichten von detektierten Gasen aus den gemessenen IR-Spektren und zum Kombinieren der Gassignaturen und gegebenenfalls der Säulendichten mit dem aufgenommenen Kamerabild. Gegebenenfalls dient die Datenverarbeitungseinheit 22 auch zur Steuerung des Infrarotdetektors 6 und der optischen Kamera 16.The mobile gas sensor 2 also has a data processing unit 22 for recording and evaluating the measured infrared spectra of the infrared detector 6 and the optical images of the optical camera 18, for determining gas signatures and, if necessary, column densities of detected gases from the measured IR spectra and for combining the gas signatures and, if necessary, the column densities with the recorded camera image. If necessary, the data processing unit 22 is also used to control the infrared detector 6 and the optical camera 16.

Des Weiteren ist eine Datenschnittstelle 24 für eine Anzeigevorrichtung 25 vorgesehen. Im in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Anzeigevorrichtung 25 in dem Gehäuse 4 integriert und bildet mit den anderen Bestandteilen des mobilen Gassensors 2 eine Einheit.Furthermore, a data interface 24 for a display device 25 is provided. Im in the 1 In the exemplary embodiment shown, the display device 25 is integrated in the housing 4 and forms a unit with the other components of the mobile gas sensor 2 .

Alternativ kann die Datenschnittstelle 24 auch mit einem Kommunikationsmittel versehen sein, um die anzuzeigenden Informationen auf einer separaten Anzeigevorrichtung anzuzeigen. Die Kommunikation erfolgt dabei bevorzugt drahtlos, beispielsweise mittels WLAN oder Bluetooth. Die separate Anzeigevorrichtung kann dabei ein Notebook oder ein Smart Device sein.Alternatively, the data interface 24 can also be provided with a means of communication in order to display the information to be displayed on a separate display device. The communication preferably takes place wirelessly, for example by means of WLAN or Bluetooth. The separate display device can be a notebook or a smart device.

Die Datenverarbeitungseinheit 22 ist für die genannten Aufgaben entsprechend eingerichtet und weist mindestens einen Mikroprozessor, mindestens ein Speicherelement und Schnittstellen zu verschiedenen Dateneingängen und Datenausgängen auf. Die genannten Elemente sind herkömmliche Elemente.The data processing unit 22 is set up accordingly for the tasks mentioned and has at least one microprocessor, at least one memory element and interfaces to various data inputs and data outputs. The elements mentioned are conventional elements.

Wenn der spektroskopische Infrarotdetektor 6 mit einem Einzeldetektorelement ausgestattet ist, dann scannt der Infrarotdetektor 6 den räumlichen Beobachtungsbereich der optischen Kamera 18 beispielsweise durch manuelles Bewegen des Infrarotdetektors. An jedem vorgegebenen räumlichen Überwachungswinkelbereich wird dann ein Spektrum und ein Videobild aufgenommen und der Auswertung zugeführt. Durch die Verknüpfung von Spektrum und Videobild ist die Zuordnung der Position des Spektrums im zusammengesetzten Bild mittels Bilderkennung möglich. Auf diese Weise lassen sich auch ausgedehnte Gaswolken abtasten und darstellen.If the infrared spectroscopic detector 6 is equipped with a single detector element, then the infrared detector 6 scans the observation spatial area of the optical camera 18 by manually moving the infrared detector, for example. A spectrum and a video image are then recorded at each predetermined spatial surveillance angle range and fed to the evaluation. By linking the spectrum and the video image, the position of the spectrum in the composite image can be assigned possible by means of image recognition. Extensive gas clouds can also be sampled and displayed in this way.

Ist der spektroskopische Infrarotdetektor 6 mit einem Matrixdetektor ausgestattet, so wird der räumliche Beobachtungsbereich der optischen Kamera 18 an einer Vielzahl von Messpunkten (Pixeln) aufgenommen. Infrarotlicht, welches entlang der zentralen Achse durch das Interferometer tritt, trifft das Zentrum des Matrixdetektors. Benachbarte Pixel des Matrixdetektors, die auch als Einzeldetektoren betrachtet werden können, empfangen Licht, aus einem anderen Raumwinkelbereich. Somit kann der räumliche Beobachtungsbereich ortsaufgelöst und in jedem Pixel separat spektroskopisch vermessen werden.If the spectroscopic infrared detector 6 is equipped with a matrix detector, the spatial observation area of the optical camera 18 is recorded at a large number of measuring points (pixels). Infrared light passing through the interferometer along the central axis hits the center of the matrix detector. Neighboring pixels of the matrix detector, which can also be viewed as individual detectors, receive light from a different solid angle range. Thus, the spatial observation area can be spatially resolved and spectroscopically measured separately in each pixel.

Des Weiteren weist der mobile Gassensor 2 ein Positionsbestimmungsmittel 26 auf, das als ein Satelliten-basiertes oder ein WLAN-basiertes Positionsbestimmungsmittel ausgebildet ist. Das Ausgangssignal des Positionsbestimmungsmittels 26 wird auf die Datenverarbeitungseinheit 22 übertragen und die Datenverarbeitungseinheit 22 verknüpft das kombinierte Bild, das aus durch Infrarotspektren gewonnenen Informationen und mindestens einem optisch aufgenommenen Bild erzeugt worden ist, mit mindestens einer Positionsinformation. Somit kann eine Folge von Aufnahmen auch anhand des Positionssignals ausgewertet und/oder dargestellt werden.Furthermore, the mobile gas sensor 2 has a position determination means 26 which is designed as a satellite-based or a WLAN-based position determination means. The output signal of the position determination means 26 is transmitted to the data processing unit 22 and the data processing unit 22 links the combined image, which has been generated from information obtained by infrared spectra and at least one optically recorded image, with at least one item of position information. A sequence of recordings can thus also be evaluated and/or displayed using the position signal.

Zusätzlich ist bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ein Richtungssensor 28 vorgesehen, der beispielsweise als Kompass oder als Gyroskop ausgebildet ist und der zur Bestimmung der räumlichen Ausrichtung des Infrarotdetektors 6 und der optischen Kamera 18 vorgesehen ist. Somit kann zu jeder Aufnahme zusätzlich oder alternativ die genaue Blickrichtung des mobilen Gassensors 2 festgehalten werden.In addition, with the in 1 illustrated embodiment, a direction sensor 28 is provided, which is designed, for example, as a compass or as a gyroscope and is provided for determining the spatial orientation of the infrared detector 6 and the optical camera 18. In this way, the precise viewing direction of the mobile gas sensor 2 can be recorded additionally or alternatively for each recording.

Weiterhin kann die Datenverarbeitungseinheit 22 aus mindestens zwei Messungen von Infrarotspektren und zugehörigen Kamerabildern sowie aus den gemessenen Positionen und Ausrichtungen eine räumliche Ortung der Gasemission durchführen. Somit kann ausgehend von zwei oder mehr Aufnahmen der Ort der Gasemission festgestellt werden.Furthermore, the data processing unit 22 can carry out a spatial localization of the gas emission from at least two measurements of infrared spectra and associated camera images as well as from the measured positions and alignments. The location of the gas emission can thus be determined on the basis of two or more recordings.

Alternativ kann die Kamera 18 auch als eine Stereokamera zum Erstellen von dreidimensionalen Kamerabildern ausgebildet sein. Eine solche Ausgestaltung ist in 2 zu erkennen, die nachfolgend beschrieben wird.Alternatively, the camera 18 can also be in the form of a stereo camera for creating three-dimensional camera images. Such an arrangement is in 2 can be seen, which is described below.

Zusätzlich oder alternativ kann ein Entfernungsmesser 30, beispielsweise ein Laser-Entfernungsmesser vorgesehen sein, der auf die Achsen 16 und 20 ausgerichtet ist und dessen Messwerte ebenfalls auf die Datenverarbeitungseinheit 22 übertragen werden. Die Datenverarbeitungseinheit 22 verknüpft dann die gemessenen Entfernungswerte mit den aus den aufgenommenen Spektren gewonnenen Informationen und den Kamerabildern. Der Entfernungsmesser 30 kann daher die Entfernungsinformation in der Richtung der Achsen 16 und 20 bestimmen, ohne dass es einer räumlichen Auflösung von zwei oder mehreren Aufnahmen bedarf.Additionally or alternatively, a range finder 30, for example a laser range finder, can be provided, which is aligned with the axes 16 and 20 and whose measured values are also transmitted to the data processing unit 22. The data processing unit 22 then links the measured distance values with the information obtained from the recorded spectra and the camera images. The range finder 30 can therefore determine the range information in the direction of the axes 16 and 20 without the need for spatial resolution of two or more images.

2 zeigt eine schematische dreidimensionale Darstellung eines erfindungsgemäßen mobilen Gassensors 2 mit dem Gehäuse 4. An einer Stirnseite des Gehäuses 4 sind die Öffnungen des Infrarotdetektors 6 sowie zwei Kameras 18a und 18b der Kamera 16 dargestellt. Die Kamera 18 ist also Stereokamera ausgebildet, die bei jeder Aufnahme eine Auswertung als stereoskopisches Bild ermöglicht. Weiterhin ist der Ausgang des Entfernungsmessers 30 zu erkennen. 2 shows a schematic three-dimensional representation of a mobile gas sensor 2 according to the invention with the housing 4. On one end of the housing 4, the openings of the infrared detector 6 and two cameras 18a and 18b of the camera 16 are shown. The camera 18 is therefore designed as a stereo camera, which enables an evaluation as a stereoscopic image for each recording. The output of the range finder 30 can also be seen.

Die Mobilität des Gassensors 2 wird durch einen Handgriff 32 unterstützt, so dass der Gassensor 2 einfach und handgetragen bedienbar ist. Am in 2 hinteren Ende des Gehäuses 4 ist noch ein Batteriespeicher 34 zur Stromversorgung der Komponenten vorgesehen.The mobility of the gas sensor 2 is supported by a handle 32, so that the gas sensor 2 can be operated easily and carried by hand. on 2 rear end of the housing 4 is still a battery storage 34 is provided for powering the components.

3 zeigt eine schematische dreidimensionale Darstellung eines erfindungsgemäßen mobilen Gassensors 2 nach 2 zur Befestigung an einem Tragegestell 36, das für eine Benutzung einer Kamera als Steadicam geeignet ist. Das Tragegestell 36 weist ein Stativteil 38 und einen Halterung 40 auf. Die Halterung 40 wird von einer Person getragen und das Stativteil 38 wird in bekannter Weise mit der Haltung 40 verbunden. Durch die Nutzung des Steadicam-Traggestells 36 wird die Handhabung des mobilen Gassensors 2 weiter verbessert. 3 shows a schematic three-dimensional representation of a mobile gas sensor 2 according to the invention 2 for attachment to a carrying frame 36, which is suitable for using a camera as a steadicam. The support frame 36 has a stand part 38 and a holder 40 . The holder 40 is carried by a person and the stand part 38 is connected to the holder 40 in a known manner. The handling of the mobile gas sensor 2 is further improved by using the steadicam support frame 36 .

4 eine schematische dreidimensionale Darstellung des erfindungsgemäßen mobilen Gassensors 2 nach 2 zur Befestigung auf einem mobilen Stativ 42. Für eine Aufnahmeserie Vorort kann der mobile Gassensor 2 zeitweise stationär angeordnet werden, um die notwendigen Aufnahmen an einem Standort zu machen. Am Stativ ist in diesem Fall eine Halterung 44 für ein Notebook 46 vorgesehen, das mit der Schnittstelle 24 (siehe 1) verbunden ist und für eine bildliche Darstellung der aufgenommenen Bilder geeignet ist. Somit kann Vorort eine zumindest vorläufige Auswertung der Messergebnisse erfolgen. Gegebenenfalls kann das Notebook 46 auch für eine Datenspeicherung dienen. 4 a schematic three-dimensional representation of the mobile gas sensor 2 according to the invention 2 for attachment to a mobile tripod 42. For a series of recordings on site, the mobile gas sensor 2 can be temporarily arranged in a stationary position in order to take the necessary recordings at one location. In this case, a holder 44 for a notebook 46 is provided on the tripod, which is connected to the interface 24 (see 1 ) is connected and is suitable for a visual representation of the recorded images. Thus, at least a preliminary evaluation of the measurement results can be carried out on site. If necessary, the notebook 46 can also be used for data storage.

Alternativ zur in dem Gehäuse 4 angeordneten Auswerteeinheit 22 (siehe 1) kann bei einer Anbindung eines Notebooks die Funktionalität der Auswerteeinheit 22 durch das Notebook zumindest teilweise oder auch ganz übernommen werden. In einer solchen Anordnung reduziert sich die Anzahl der im Gehäuse anzuordnenden Teile.As an alternative to the evaluation unit 22 arranged in the housing 4 (see 1 ) can at a Connection of a notebook, the functionality of the evaluation unit 22 can be at least partially or completely taken over by the notebook. In such an arrangement, the number of parts to be arranged in the housing is reduced.

Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand der beschriebenen Ausführungsbeispiele der mobilen Gassensoren erläutert, wobei in 5 ein Beispiel der Darstellung der aufgenommenen und ausgewerteten Daten in einem Bildschirmbereich gezeigt ist.In the following, the method according to the invention is explained using the described exemplary embodiments of the mobile gas sensors, with 5 an example of the display of the recorded and evaluated data in a screen area is shown.

Das Verfahren zur Detektion und Abbildung von Gasemissionen mit einem der zuvor erläuterten mobilen Gassensoren 2 beginnt damit, dass mittels eines spektroskopischen Infrarotdetektors 6 ortsaufgelöst Infrarotspektren aufgenommen werden. Gleichzeitig werden mit einer optischen Kamera 18 mindestens optische Bilder aufgenommen. Dabei sind die Ausrichtungen des spektroskopischen Infrarotdetektors 6 und der optischen Kamera 18 zueinander korreliert, vorliegend sind die beiden optischen Achsen 16 und 20 parallel zueinander ausgerichtet.The method for detecting and imaging gas emissions using one of the mobile gas sensors 2 explained above begins with spatially resolved infrared spectra being recorded using a spectroscopic infrared detector 6 . At the same time, at least optical images are recorded with an optical camera 18 . The alignments of the spectroscopic infrared detector 6 and the optical camera 18 are correlated to one another; in the present case, the two optical axes 16 and 20 are aligned parallel to one another.

Mit einer Datenverarbeitungseinheit 22 werden die gemessenen Infrarotspektren aufgenommen und ausgewertet, woraus Gassignaturen und gegebenenfalls Säulendichten von detektierten Gasen bestimmt werden.The measured infrared spectra are recorded and evaluated with a data processing unit 22, from which gas signatures and, if necessary, column densities of detected gases are determined.

Des Weiteren werden die Gassignaturen und gegebenenfalls die Säulendichten mit dem mindestens einen aufgenommenen Kamerabild kombiniert und das kombinierte Bild wird auf einem Bildschirm angezeigt.Furthermore, the gas signatures and, if applicable, the column densities are combined with the at least one recorded camera image and the combined image is displayed on a screen.

5 zeigt ein Beispiel einer kombinierten Darstellung im Abschnitt A. Im Hintergrund ist das optische Bild der Kamera 18 zu erkennen, während damit überlagert ein Fadenkreuz und eine farbige Darstellung der Gasverteilung in Form einer Säulendichte in der Mitte des Abschnittes A gezeigt wird. 5 shows an example of a combined display in section A. The optical image of the camera 18 can be seen in the background, while a crosshair and a colored display of the gas distribution in the form of a column density is shown in the middle of section A overlaid on it.

Bei der Aufnahme des optischen Bildes gibt es die Möglichkeit eines einzelnen Bildes oder eines Panoramabildes, das durch Schwenken des mobilen Gassensors 2 und durch Stitchen der aufgenommenen optischen Bilder erzeugt werden kann.When recording the optical image, there is the possibility of a single image or a panoramic image, which can be generated by panning the mobile gas sensor 2 and by stitching the optical images recorded.

Weiterhin wird bei dem Verfahren das kombinierte Bild (Abschnitt A) mit mindestens einer gemessenen Positionsinformation verknüpft. Dadurch kann der Weg aufgenommen und festgehalten werden, der mit dem mobilen Gassensor abgegangen worden ist. Der Weg ist in Abschnitt B in 5 eingezeichnet, und entlang des Weges sind mit Punkten die Orte eingezeichnet, an denen eine Messung durchgeführt worden ist.Furthermore, in the method, the combined image (section A) is linked to at least one item of measured position information. In this way, the path taken by the mobile gas sensor can be recorded and recorded. The path is in section B in 5 Drawn in, and points along the way are marked with points at which a measurement was carried out.

Des Weiteren ist in 5 im Abschnitt C die zeitliche Entwicklung zu vorgegebenen emittierten Gasen eingezeichnet. Die x-Achse gibt dabei die zurückgelegte Wegstrecke ein und die Intensität wird in y-Richtung aufgetragen.Furthermore, in 5 Section C shows the development over time for specified emitted gases. The x-axis indicates the distance covered and the intensity is plotted in the y-direction.

Im Abschnitt D wird zudem eine zeitliche Abfolge von Ereignissen mit nachgewiesenen Gasemissionen aufgelistet.Section D also lists a chronological sequence of events with proven gas emissions.

In 6 ist eine schematische Darstellung eines spektroskopischen Sensors 2 mit einem Matrixdetektor (FPA) 60 mit Strahlengang dargestellt. Zunächst ist ein Ausschnitt 50 eines Kamerabildes der optischen Kamera 18 gemäß 1 dargestellt. Der Sensor 2 weist ein Fourier-Transform-Infrarotspektrometer (FTIR)-Spektrometer 14 auf, das einen ersten Spiegel 52 und einen zweiten Spiegel 54, einen dazwischen angeordneten Strahlteiler 56 und den Matrixdetektor (FPA) 60 aufweist. Ein nicht dargestellter Spiegelantrieb erzeugt eine Bewegung des Spiegels 52, die mit dem Doppelpfeil 58 dargestellt ist, so dass durch eine abwechselnde Vorwärts- und Rückwärtsbewegung mit konstanter Geschwindigkeit kontinuierlich der Abstand der Spiegel 52 und 54, auch Interferometerspiegel genannt, verändert wird.In 6 1 is a schematic representation of a spectroscopic sensor 2 with a matrix detector (FPA) 60 with a beam path. First, a detail 50 of a camera image of the optical camera 18 is shown in FIG 1 shown. The sensor 2 comprises a Fourier transform infrared spectrometer (FTIR) spectrometer 14 comprising a first mirror 52 and a second mirror 54, a beam splitter 56 arranged therebetween and the matrix detector (FPA) 60. A mirror drive, not shown, generates a movement of the mirror 52, which is shown by the double arrow 58, so that the distance between the mirrors 52 and 54, also called interferometer mirrors, is continuously changed by an alternating forward and backward movement at constant speed.

In 6 von links einfallendes Infrarotlicht wird am Strahlteiler 56 in zwei Teilstrahlen aufgeteilt und in Richtung der beiden Spiegel 52 und 54 gelenkt. Die an den Spiegeln 52 und 54 reflektierten Strahlen werden am Strahlteiler 56 erneut in Teilstrahlen aufgeteilt, von denen zwei nach unten verlaufen. Mittels einer Optik 58 werden diese beiden Teilstrahlen dann auf einem Matrixdetektor 60 (FPA) abgebildet. Das vom Matrixdetektor gemessene Signal wird zeitlich erfasst und für eine weitere Verarbeitung zwischengespeichert.In 6 Infrared light incident from the left is divided into two partial beams at the beam splitter 56 and directed in the direction of the two mirrors 52 and 54 . The beams reflected at the mirrors 52 and 54 are again split at the beam splitter 56 into sub-beams, two of which extend downwards. These two partial beams are then imaged on a matrix detector 60 (FPA) by means of optics 58 . The signal measured by the matrix detector is timed and temporarily stored for further processing.

Bei dem in 6 dargestellten Sensor 2 sind exemplarisch zwei Lichtstrahlen hervorgehoben. Einerseits verläuft ein erster Lichtstrahl 62 ausgehend von einer im Bildausschnitt markierten Stelle entlang der optischen Achse (mittig) durch den Sensor 2, dieser ist mit einer durchgezogenen Linie dargestellt. Andererseits verläuft ein weiterer Lichtstrahl 64, dargestellt mit einer gestrichelten Linie, ausgehend von einem benachbarten Bereich in dem Bildausschnitt 50 in einem schrägen Winkel zum ersten Lichtstrahl 62 und wird zeitgleich auf ein anders Pixel, bzw. Detektorelement des Matrixdetektors 60 abgebildet.At the in 6 sensor 2 shown, two light beams are highlighted as an example. On the one hand, a first light beam 62 runs from a point marked in the image section along the optical axis (in the middle) through the sensor 2, which is shown with a solid line. On the other hand, another light beam 64, shown with a dashed line, runs from an adjacent area in the image section 50 at an oblique angle to the first light beam 62 and is simultaneously imaged onto another pixel or detector element of the matrix detector 60.

Nach der Fokussierung durch die Optik 58 treffen die den beiden Lichtstrahlen 62 und 64 zugeordneten Teilstrahlen auf den Matrixdetektor 60, aber an verschiedenen Positionen. Somit ist der Matrixdetektor 60 in der Lage, mit verschiedenen Pixeln seiner Matrix getrennt zeitliche Überlappungssignale bzw. Interferogramme zu messen. Mit anderen Worten kann der Matrixdetektor 60 Interferogramme für unterschiedliche Bildbereiche eines Bildausschnitts 50 gleichzeitig erfassen, die mittels Fourier-Transformation in Infrarotspektren umgerechnet werden. Auf diese Weise lassen sich mit einem Spiegeldurchgang in Abhängigkeit der Anzahl der Detektorelemente des Matrixdetektors 60 (Pixel des FPA) zeitgleich mehrere tausend Interferogramme messen, was eine direkte abbildende spektroskopische Aufnahme zur Folge hat.After focusing by the optics 58, the partial beams assigned to the two light beams 62 and 64 impinge on the matrix detector 60, but at different positions. Thus, the matrix detector 60 is capable of separately timing overlapping signals with different pixels of its matrix or to measure interferograms. In other words, the matrix detector 60 can simultaneously detect interferograms for different image areas of an image section 50, which are converted into infrared spectra by means of Fourier transformation. In this way, several thousand interferograms can be measured simultaneously with one mirror passage, depending on the number of detector elements of the matrix detector 60 (pixels of the FPA), which results in a direct imaging spectroscopic recording.

In 6 sind unterhalb des Matrixdetektors 60 schematisch die den beiden Lichtstrahlen 62 und 64 zugeordneten Interferogramme 70 und 72 dargestellt. Diese zeitlich aufgelösten Interferogramme 70 und 72 werden mittel Fast Fourier Transformation (FFT) in den Frequenzraum transformiert. Die entsprechenden zugeordneten Infrarotspektren 74 und 76 sind in 6 jeweils neben den Interferogrammen 70 und 72 dargestellt.In 6 The interferograms 70 and 72 assigned to the two light beams 62 and 64 are shown schematically below the matrix detector 60 . These time-resolved interferograms 70 and 72 are transformed into the frequency domain using Fast Fourier Transformation (FFT). The corresponding associated infrared spectra 74 and 76 are in 6 shown next to interferograms 70 and 72, respectively.

Bei einem Vergleich der beiden Infrarotspektren 74 und 76 fällt auf, dass im Infrarotspektrum 76 eine Absorptionslinie bzw. eine Absorptionssignatur 78 zu erkennen ist, die im Infrarotspektrum 74 nicht auftritt. Der Grund dafür liegt darin, dass an der Bildposition, an der die Absorptionssignatur 78 gemessen wurde, ein Gas vorhanden ist, an einer anderen Stelle im Bild mit der Absorptionssignatur 76 dagegen nicht vorhanden ist. Das Vorhandensein der spektralen Absorptionssignatur 78 ist ein eindeutiges Identifikationsmerkmal für das Vorhandensein eines Gases.A comparison of the two infrared spectra 74 and 76 shows that an absorption line or an absorption signature 78 can be seen in the infrared spectrum 76 which does not occur in the infrared spectrum 74 . This is because a gas is present at the image location where the absorption signature 78 was measured, but is not present elsewhere in the image with the absorption signature 76 . The presence of the spectral absorbance signature 78 is a unique identifier for the presence of a gas.

Die Funktionsweise des Sensors nach 6 ist mittels zweier Lichtstrahlen 62 und 64 erläutert worden. Grundsätzlich kann der Matrixdetektor 60 mit sämtlichen Pixeln Interferogramme aufnehmen, so dass eine hohe Parallelität in der Erfassung von Stoffen einer Gasemission, bzw. eine hohe Ortsauflösung (vergleichbar digitale Videokamera) realisiert werden kann.How the sensor works 6 has been explained using two light beams 62 and 64. In principle, the matrix detector 60 can record interferograms with all pixels, so that a high parallelism in the detection of substances of a gas emission, or a high spatial resolution (comparable to a digital video camera) can be realized.

Claims

Mobile optical gas sensor for the detection and imaging of gas emissions, - with a spectroscopic infrared detector (6) for spatially resolved recording of infrared spectra, - with an optical camera (18), - wherein the orientations of the spectroscopic infrared detector (6) and the optical camera (18) are correlated to one another, - with a data processing unit (22) for recording and evaluating the measured infrared spectra and the optical images, for determining gas signatures and, if necessary, column densities of detected gases and for combining the gas signatures and, if necessary, the column densities with the recorded camera image and - With a data interface (24) for a display device (25).

Mobile optical gas sensor claim 1 , characterized in that an integrated display device (25) is provided for displaying the combined image.

Mobile optical gas sensor claim 1 , characterized in that a separate mobile display device (46) is provided for displaying the combined image.

Mobile optical gas sensor according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the spectroscopic infrared detector (6) with a single detector element scans the spatial observation range of the optical camera (18), in particular by moving the gas sensor.

Mobile optical gas sensor according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the spectroscopic infrared detector (6) with a matrix detector records the spatial observation range of the optical camera (18) at a large number of measuring points (pixels).

Mobile optical gas sensor according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that - a position determination means (26), in particular a satellite-based or a WLAN-based position determination means, is provided and - that the data processing unit (22) links the combined image with at least one item of position information.

Mobile optical gas sensor according to one of Claims 1 until 6 , characterized in that a direction sensor (28), in particular a compass or a gyroscope, is provided for determining the spatial orientation of the infrared detector (6) and the optical camera (18).

Mobile optical gas sensor claim 6 or 7 , characterized in that the data processing unit (22) carries out a spatial localization of the gas emission from at least two measurements of infrared spectra and associated camera images and from the measured positions and/or alignments.

Mobile optical gas sensor according to one of Claims 1 until 8th , characterized in that the camera (18) is designed in the form of a 3D camera (18a, 18b) for detecting distance information and - that the data processing unit (22) the measured distance values are linked to the recorded spectra and the camera images.

Mobile optical gas sensor according to one of Claims 1 until 9 , characterized in that - a range finder (30), in particular a laser range finder, is provided and - the data processing unit (22) links the measured distance values with the recorded spectra and the camera images.

Method for detecting and imaging gas emissions with a mobile gas sensor, in particular a gas sensor according to one of Claims 1 until 10 , - in which spatially resolved infrared spectra are recorded using a spectroscopic infrared detector, - in which at least one optical image is recorded with an optical camera, - in which the alignments of the spectroscopic infrared detector and the optical camera are correlated with one another, - in which the measured Infrared spectra are recorded and evaluated, - in which gas signatures and, if necessary, column densities of detected gases are determined, - in which the gas signatures and, if necessary, column densities are combined with the at least one recorded camera image and - in which the combined image is displayed.

procedure after claim 11 , in which the combined image is linked to at least one item of measured position information.

procedure after claim 11 or 12 , in which the combined image is associated with a measured spatial orientation of the infrared detector and the optical camera.

Procedure according to one of Claims 11 until 13 , in which a spatial localization of the gas emission is determined from at least two measurements of infrared spectra and associated camera images as well as from the measured position information and the measured spatial alignments of the infrared detector and the optical camera.

Procedure according to one of Claims 11 until 14 , in which a camera image with distance information is generated by means of a camera and combined with the gas signatures and, if necessary, the column densities.

Procedure according to one of Claims 11 until 15 , in which distance values are measured and linked to the recorded spectra and the camera images.