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DE202025107201U1 - Real-time gas leak detection and automated response system - Google Patents

Real-time gas leak detection and automated response system

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Publication number
DE202025107201U1
DE202025107201U1 DE202025107201.7U DE202025107201U DE202025107201U1 DE 202025107201 U1 DE202025107201 U1 DE 202025107201U1 DE 202025107201 U DE202025107201 U DE 202025107201U DE 202025107201 U1 DE202025107201 U1 DE 202025107201U1
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DE
Germany
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gas
leak rate
valve
threshold
control unit
Prior art date
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Application number
DE202025107201.7U
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German (de)
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Publication date
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Publication of DE202025107201U1 publication Critical patent/DE202025107201U1/en
Active legal-status Critical Current
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M3/00Investigating fluid-tightness of structures
    • G01M3/02Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum
    • G01M3/26Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum by measuring rate of loss or gain of fluid, e.g. by pressure-responsive devices, by flow detectors
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17CVESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C13/00Details of vessels or of the filling or discharging of vessels
    • F17C13/02Special adaptations of indicating, measuring, or monitoring equipment
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17DPIPE-LINE SYSTEMS; PIPE-LINES
    • F17D5/00Protection or supervision of installations
    • F17D5/02Preventing, monitoring, or locating loss
    • F17D5/06Preventing, monitoring, or locating loss using electric or acoustic means
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02HEMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H5/00Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal non-electric working conditions with or without subsequent reconnection

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Acoustics & Sound (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Emergency Alarm Devices (AREA)

Abstract

Ein Gassicherheitssystem, bestehend aus einem Gassensormodul in der Nähe einer Gasflasche und eines Gasgeräts, einem intelligenten Absperrventil an einem Gasauslass, einer Abgasanlage zum Abführen von austretendem Gas, einem Trennrelais an der Stromversorgung des Gebäudes und einer Steuereinheit zur Schätzung der Leckrate. Diese Steuereinheit betätigt das Ventil, sobald die Leckrate einen ersten Schwellenwert überschreitet, und die Abgasanlage und unterbricht die Stromversorgung, sobald die Leckrate einen zweiten Schwellenwert überschreitet. Außerdem sendet sie Warnmeldungen an ein Benutzergerät.A gas safety system consisting of a gas sensor module near a gas cylinder and a gas appliance, a smart shut-off valve at a gas outlet, an exhaust system to vent escaping gas, a disconnect relay at the building's power supply, and a control unit to estimate the leak rate. This control unit activates the valve as soon as the leak rate exceeds a first threshold, and the exhaust system, and cuts off the power supply as soon as the leak rate exceeds a second threshold. It also sends warning messages to a user device.

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungApplication area of the invention

Die Erfindung betrifft Gassicherheitssysteme für Flüssiggas-/Erdgasanlagen, die Leckageerkennung, automatische Abschaltung, Abluftführung, elektrische Trennung und Benutzerwarnungen integrieren, um eine Eskalation zu verhindern und die Reaktionsfähigkeit zu verbessern.The invention relates to gas safety systems for liquefied gas/natural gas installations that integrate leak detection, automatic shutdown, exhaust air routing, electrical isolation and user warnings to prevent escalation and improve responsiveness.

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

Gaslecks im Haushalt und in der Industrie können Brand- und Explosionsgefahren bergen. Gängige Sicherheitsmaßnahmen umfassen Sensoren mit Alarmfunktion, Absperrventile und die Trennung der Stromversorgung, um Zündquellen zu eliminieren. Studien und Implementierungen zeigen Systeme mit Halbleiter-Gassensoren (z. B. der MQ-Serie), Steuerungen, Relais, GSM/IoT-Modulen und Magnet- oder elektromechanischen Sicherheitsventilen. Diese Ventile schließen Zuleitungen, starten Abluftventilatoren und benachrichtigen die Nutzer, oft mit Schwellenwerten nahe einem Bruchteil der unteren Explosionsgrenze (UEG). Normen und Herstellerempfehlungen legen die Platzierung der Detektoren anhand der Gasdichte und typischer Alarmpegel nahe 10 % UEG fest. Zudem wird die Integration von Sicherheitsabsperrventilen und die Einhaltung der elektrischen Sicherheitsvorschriften gefordert. Es besteht weiterhin Bedarf an einem integrierten System, das abgestufte Reaktionen je nach Leckrate koordiniert und intelligente Ventile, Abluft- und Netztrennung mit zuverlässigen Benachrichtigungen kombiniert.Gas leaks in homes and industrial settings can pose fire and explosion hazards. Common safety measures include sensors with alarm functions, shut-off valves, and power disconnection to eliminate ignition sources. Studies and implementations demonstrate systems with semiconductor gas sensors (e.g., the MQ series), controllers, relays, GSM/IoT modules, and solenoid or electromechanical safety valves. These valves shut off supply lines, activate exhaust fans, and notify users, often with threshold values close to a fraction of the lower explosive limit (LEL). Standards and manufacturer recommendations specify detector placement based on gas density and typical alarm levels close to 10% LEL. They also require the integration of safety shut-off valves and compliance with electrical safety regulations. There remains a need for an integrated system that coordinates tiered responses based on leak rate and combines smart valves, exhaust and power disconnection with reliable notifications.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Die Erfindung betrifft ein System mit einem Gassensorfeld in der Nähe einer Gasflasche und eines Geräts, einem intelligenten Gasventil am Flaschenausgang, einer Abluftanlage zur Zwangslüftung, einem Trennrelais zur Abschaltung des Hauptstromkreises oder ausgewählter Stromkreise sowie einer Steuereinheit mit abgestuften Schwellenwerten. Überschreitet die geschätzte Leckrate oder -konzentration einen ersten Schwellenwert, betätigt die Steuereinheit das intelligente Ventil, um den Gasfluss zu stoppen. Wird ein zweiter, höherer Schwellenwert überschritten, öffnet die Steuereinheit zusätzlich die Abluftanlage und unterbricht die Stromzufuhr, um Zündgefahren auszuschließen, und sendet gleichzeitig Warnmeldungen an die Endgeräte der Nutzer.The invention relates to a system comprising a gas sensor array located near a gas cylinder and a device, a smart gas valve at the cylinder outlet, an exhaust system for forced ventilation, a disconnect relay for switching off the main circuit or selected circuits, and a control unit with graduated threshold values. If the estimated leak rate or concentration exceeds a first threshold value, the control unit actuates the smart valve to stop the gas flow. If a second, higher threshold value is exceeded, the control unit additionally opens the exhaust system and interrupts the power supply to prevent ignition hazards, and simultaneously sends warning messages to the users' end devices.

In Ausführungsformen schätzt das System die Leckrate anhand der Konzentrationsanstiegsdynamik und/oder Durchflusssensordaten, wendet Hysterese an, um Vibrationen zu vermeiden, überprüft den Ventilschluss durch Positionsrückmeldung und stellt den Normalbetrieb wieder her, nachdem ein Spalt erkannt und manuell bestätigt wurde. Benachrichtigungen werden per GSM/IoT an Benutzer-Apps und Notfallkontakte gesendet.In some configurations, the system estimates the leak rate based on concentration increase dynamics and/or flow sensor data, applies hysteresis to prevent vibrations, verifies valve closure via position feedback, and restores normal operation after a gap is detected and manually confirmed. Notifications are sent via GSM/IoT to user apps and emergency contacts.

Detaillierte BeschreibungDetailed description

Das Sensormodul umfasst einen oder mehrere Gasdetektoren für Flüssiggas (LPG) und Erdgas (z. B. Halbleiter-, Katalysator- oder NDIR-Detektoren), die entsprechend der Gasverteilung (LPG in Bodennähe, Methan in Deckennähe) positioniert und so kalibriert sind, dass sie bei definierten unteren Explosionsgrenzen (UEG) Alarm auslösen. Optionale Temperatur- und Drucksensoren verbessern die Leckratenbestimmung. Eine Steuereinheit erfasst die Sensordaten, wendet Filter an, berechnet eine Leckratenkennzahl und vergleicht diese mit zwei Schwellenwerten, um abgestufte Maßnahmen auszulösen.The sensor module includes one or more gas detectors for liquefied petroleum gas (LPG) and natural gas (e.g., semiconductor, catalyst, or NDIR detectors), positioned according to the gas distribution (LPG near the floor, methane near the ceiling) and calibrated to trigger an alarm at defined lower explosive limits (LEL). Optional temperature and pressure sensors improve leak rate determination. A control unit acquires the sensor data, applies filters, calculates a leak rate indicator, and compares it to two threshold values to trigger graduated actions.

Ein intelligentes Inline-Absperrventil am Zylinder oder im Zulaufrohr wird elektrisch betätigt und erfordert nach Auslösungen eine manuelle Rückstellung. Sicherheitszertifizierte elektromechanische Ventile mit Schnellschlussfunktion werden bevorzugt; die Steuerung betätigt das Ventil über ein geschütztes Relais und bestätigt den Schließvorgang mittels eines integrierten Positionsschalters.An intelligent inline shut-off valve on the cylinder or in the supply pipe is electrically actuated and requires manual reset after activation. Safety-certified electromechanical valves with a quick-closing function are preferred; the control system actuates the valve via a protected relay and confirms the closing process using an integrated position switch.

Eine Absaugvorrichtung, die den Leckagebereich spült, wird von der Steuerung geregelt und ist verriegelt, um einen Betrieb bei erkannten Funken oder elektrischen Fehlern zu verhindern; ein zeitlich begrenzter Belüftungszyklus verhindert Überbeanspruchung. Ein Trennrelais (oder Schütz) unterbricht die Hauptversorgung oder bestimmte Stromkreise, sobald der zweite Schwellenwert überschritten wird, um Zündquellen zu minimieren. Die Sicherheitslogik priorisiert dabei das Abschalten vor dem Umschalten.A suction device that flushes the leakage area is controlled by the controller and is interlocked to prevent operation in the event of detected sparks or electrical faults; a timed ventilation cycle prevents overloading. A disconnect relay (or contactor) interrupts the main power supply or specific circuits as soon as the second threshold is exceeded to minimize ignition sources. The safety logic prioritizes shutdown over switching.

Das Alarmierungsmodul nutzt GSM/SMS, Push-Benachrichtigungen oder Sprachanrufe, um Benutzer und optional Dienstanbieter zu informieren. Das System protokolliert Ereignisse mit Zeitstempeln, Sensortrends, durchgeführten Maßnahmen und Ventilstatus für Diagnosezwecke. Eine lokale HMI bietet Status-LEDs, einen Summer und eine manuelle Bestätigungs-/Reset-Taste; zum Zurücksetzen muss der Gaspegel unter einen sicheren Schwellenwert fallen.The alarm module uses GSM/SMS, push notifications, or voice calls to inform users and, optionally, service providers. The system logs events with timestamps, sensor trends, actions taken, and valve status for diagnostic purposes. A local HMI provides status LEDs, a buzzer, and a manual confirmation/reset button; for a reset, the gas level must fall below a safe threshold.

Die Installationsanleitung umfasst die Platzierung der Detektoren, die regelmäßige Kalibrierung, die Ventilwartung und Funktionstests. Ein Notstromaggregat gewährleistet die Funktion der Sensoren und Ventile bei Stromausfällen. Die Cybersicherheit für IoT-Funktionen beinhaltet authentifizierte Aktualisierungen und verschlüsselte Datenübertragung.The installation instructions cover detector placement, regular calibration, valve maintenance, and functional testing. A backup power supply ensures the sensors and valves continue to function during power outages. Cybersecurity for IoT functions includes authentication. Decorative updates and encrypted data transmission.

Im Betrieb überwacht das System die Umgebungsgaskonzentration. Sobald ein Konzentrationsanstieg auf ein Leck über dem ersten Schwellenwert hinweist, schließt das Ventil und eine Warnung wird ausgegeben. Wird der zweite Schwellenwert erreicht, öffnet das System zusätzlich die Abluft und unterbricht die Stromzufuhr, wobei die Belüftung so lange aufrechterhalten wird, bis die Konzentrationen sinken. Nach Erreichen sicherer Bedingungen und manueller Bestätigung wird die normale Gasversorgung wiederhergestellt.During operation, the system monitors the ambient gas concentration. As soon as a concentration increase indicates a leak above the first threshold, the valve closes and a warning is issued. If the second threshold is reached, the system additionally opens the exhaust vent and interrupts the power supply, maintaining ventilation until the concentrations decrease. After safe conditions are reached and manual confirmation is given, the normal gas supply is restored.

Claims (4)

Ein Gassicherheitssystem, bestehend aus einem Gassensormodul in der Nähe einer Gasflasche und eines Gasgeräts, einem intelligenten Absperrventil an einem Gasauslass, einer Abgasanlage zum Abführen von austretendem Gas, einem Trennrelais an der Stromversorgung des Gebäudes und einer Steuereinheit zur Schätzung der Leckrate. Diese Steuereinheit betätigt das Ventil, sobald die Leckrate einen ersten Schwellenwert überschreitet, und die Abgasanlage und unterbricht die Stromversorgung, sobald die Leckrate einen zweiten Schwellenwert überschreitet. Außerdem sendet sie Warnmeldungen an ein Benutzergerät.A gas safety system consisting of a gas sensor module near a gas cylinder and a gas appliance, a smart shut-off valve at a gas outlet, an exhaust system to vent escaping gas, a disconnect relay at the building's power supply, and a control unit to estimate the leak rate. This control unit activates the valve as soon as the leak rate exceeds a first threshold, and the exhaust system, and cuts off the power supply as soon as the leak rate exceeds a second threshold. It also sends warning messages to a user device. System nach Anspruch 1, wobei die Steuerung den Ventilschluss über Positionsrückmeldung überprüft, Hysterese auf Schwellenwerte anwendet und eine manuelle Bestätigung erfordert, bevor der Gasfluss nach Erreichen sicherer Werte wiederhergestellt wird.System according to Claim 1 , whereby the control system verifies valve closure via position feedback, applies hysteresis to threshold values, and requires manual confirmation before gas flow is restored after safe values have been reached. System nach Anspruch 1, wobei das Sensormodul Detektoren umfasst, die so kalibriert sind, dass sie bei einem Bruchteil der unteren Explosionsgrenze Alarm auslösen und deren Position auf der Gasdichte basiert, und ferner Temperatur- oder Drucksensoren zur Verfeinerung der Leckageratenabschätzung umfasst.System according to Claim 1 , wherein the sensor module includes detectors calibrated to trigger an alarm at a fraction of the lower explosive limit and whose position is based on the gas density, and further includes temperature or pressure sensors to refine the leakage rate estimation. System nach Anspruch 1, wobei das Alarmierungsmodul eine GSM- oder IoT-Kommunikationsschnittstelle umfasst, die zum Senden von SMS- oder Push-Benachrichtigungen und zum Protokollieren von Ereignissen mit Zeitstempeln und zu Diagnosezwecken ergriffenen Maßnahmen konfiguriert ist.System according to Claim 1 , wherein the alerting module includes a GSM or IoT communication interface configured to send SMS or push notifications and to log events with timestamps and actions taken for diagnostic purposes.
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