Luftgestützte Ferndetektion von Propan und Methan

1.1 Motivation

Die luftgestützte Gasferndetektion wird benötigt, um Gasleckagen aufzuspüren. Bei der Inspektion von Erdgasinfrastruktur möchten professionelle Anbieter dazu übergehen, laserbasierte Gasmessgeräte auf Drohnen für die Inspektion von Gasrohrnetzen einzusetzen, da so mehr Rohrkilometer in kürzerer Zeit inspiziert werden können als bei der derzeitigen Praxis, die Rohre zu begehen. Mit diesen Geräten werden außerhalb Deutschlands beispielsweise im Erdreich verlegte Erdgaspipelines regelmäßig für die Gaslecksuche abgeflogen [1]. Ein anderes Anwendungsgebiet ist vor einer Gefährdung durch potenziell explosive Gas-Luft-Gemische zu warnen. Solche Gefährdungslagen können nach dem plötzlichen Einsturz von Gebäuden zum Beispiel durch Gasexplosionen oder Erdbeben entstehen. Bei solchen Ereignissen werden häufig Menschen unter den Trümmern eines Gebäudes begraben. Die Suche und Bergung von Verschütteten müssen äußerst schnell beginnen, um möglichst große Chancen zu haben, Überlebende zu finden. Zur Sicherheit der Rettungsteams auf dem Trümmerfeld muss gewährleistet sein, dass keine Gefährdung durch austretendes Gas besteht. Durch den Kollaps der Gebäude können gebrochene Gasleitungen oder zerstörte Gasflaschen zu Gasaustritt führen. Gerade im Falle eines Erdbebens ist es daher von großer Bedeutung großflächige Trümmerfelder nach Gasaustritt effizient und sicher absuchen zu können. In dem Projekt “Sensorsysteme zur Lokalisierung von Verschütteten in eingestürzten Gebäuden (SORTIE)” [2] wurde die Entwicklung und Implementierung einer modularen Plattform mit verschiedenen Detektionstechnologien für die Suche nach Verschütteten mit einer Drohne umgesetzt. Die Ergebnisse zur Leckagedetektion von Methan und Propan werden hier vorgestellt. Insbesondere die Ferndetektion von Propan mit Laserspektroskopie von der Drohne aus ist neuartig. Diese Messung hat hohe Relevanz in Ländern oder Gegebenheiten, in welchen hauptsächlich Propangas-Gemische in Flaschen im Haushalt verwendet werden. Die Auslegung des Messsystems wurde so konzipiert, dass auch bei schlechten Bedingungen eine hinreichend gute Auflösung erreicht wird, um eine Warnung bei 10 % der unteren Explosionsgrenze (UEG: 1,7 % C₃H₈ und 4,4 % CH₄) sicherzustellen. Dies entspricht Warnschwellen bei 1.700 ppm·m für Propan bzw. bei 4.400 ppm·m für Methan, wenn von einer Säulenhöhe von einem Meter ausgegangen wird.

1.2 Stand der Technik

Für das skizzierte Anwendungsfeld ist eine Gasferndetektion unerlässlich. Aktuell können sich Rettungskräfte nur bedingt schützen, da eine Ferndetektion von brennbaren Gasen kein Standard ist. In der Regel setzen die Rettungskräfte tragbare Gaswarner für den persönlichen Schutz ein oder es werden Proben genommen und analysiert. Feuerwehr oder Technisches Hilfswerk nutzen bisher in der Regel für die Gaswarnung probennehmende Messsysteme. Leider hat diese Methode einen großen Nachteil, denn wenn der Gaswarner der persönlichen Schutzausrüstung anschlägt, befindet sich der Träger schon in der Gefahrenzone. In der Praxis lässt sich die Gasferndetektion mittels abstimmbarer Laserspektroskopie (engl. „tunable laser spectroscopy“ oder kurz TLS) umsetzen [3], [4], [5]. Insbesondere für die Anwendung Erdgaslecksuche gibt es passive Gaskameras und empfindliche handgehaltene Messgeräte für die optische Methandetektion [6], [7], [8]. Gaskameras [9] sind aktiv gekühlte Wärmebildkameras mit einem gasspezifischen spektralen Filter, die eine Gasabsorption gegenüber einer warmen Hintergrundstrahlung sichtbar machen. Aufgrund der hohen Kosten einer Gaskamera besteht eine hohe Schwelle für die Anschaffung und damit auch für die Verbreitung dieser Messtechnik. Die Handhabung der handgehaltenen Lasermessgeräte ist einfach, man richtet das Gerät auf ein Ziel, das man durch einen sichtbaren Pilot-Laser anvisieren kann, und misst die Gaskonzentration in ppm·m. Diese Messtechnik hat eine Reichweite von bis zu 100 m. Leider ist aber je grösser die Entfernung zum Ziel auch die Messunsicherheit grösser, zudem bleibt unbekannt, an welcher Position der Laserstrahl eine Gaswolke durchquert. Die Lösung für dieses Problem ist eine Ferndetektion von einer Drohne, die das Trümmerfeld abfliegt und dabei die Gaskonzentration von oben misst. Hierbei ist der Laserstrahl vertikal auf den Boden gerichtet, über die Position der Drohne kann dann die Lokalisierung der Gaskonzentration am Boden erfolgen. Für die Lecksuche an Erdgasinfrastruktur gibt es am Markt bereits laser-basierte Messgeräte die an einer Drohne arbeiten können [10]. Messsysteme für die Ferndetektion von Propan hingegen sind nicht am Markt erhältlich. Die Laserwellenlänge für Methan-Detektion der kommerziellen Geräte liegt in der Regel im nahinfraroten (NIR) Oberwellen-Spektralbereich bei 1,65 µm. Für die Propangas-Detektion ist dieser Wellenlängenbereich ungünstig, weil die Absorption von Propan im NIR sehr schwach ist. Der mittlere infrarote Spektralbereich (MIR) bietet sowohl für Methan als auch Propan starke Absorptionslinien und wird deshalb als spektraler Arbeitsbereich ausgewählt. Mit dieser Arbeit zur laserspektroskopischen Ferndetektion von Methan und Propan im MIR setzen wir uns vom aktuellen Stand der Technik ab. Die Vorteile des neuen spektralen Arbeitsbereichs sind „zwei Gase mit einem Messgerät“ und eine hohe Empfindlichkeit durch bis zu 100-mal größere Absorption der beiden Gase im MIR im Vergleich zum NIR.

1.3 Messprinzip

Um die Gaskonzentration zu bestimmen, wird bei der optischen laserbasierten Gasmesstechnik die Absorption einer Gaslinie gemessen. Die Abhängigkeit der Absorption A (dimensionslos) von der Gaskonzentration c (in mol/cm³), dem optischen Weg l (in cm) und dem Absorptionskoeffizienten α (in cm²/mol) des Zielgases beschreibt das Beer–Lambert’sche Gesetz (Formel 1). Die optische Weglänge und der Absorptionskoeffizient sind bekannte feste Variablen. Das technische Messprinzip der Gasmessung basiert auf einer TLS-Methode bei der ein Laser spektral über eine Absorptionslinie des Zielgases abgestimmt wird [11], [12]. Der ausgesendete Laserstrahl ist nach unten gerichtet und wird dort von der Oberfläche gestreut. Das rückgestreute Licht wird durch eine Empfangsoptik gesammelt. Liegt eine Zielgaswolke im Strahlengang, enthält das Transmissionsspektrum die spektrale Signatur des Zielgases. Die Höhe der Gaskonzentration und die Ausdehnung der Gaswolke bestimmen die Größe der Absorptionsänderung. Das Laserspektrum erstreckt sich über ∼1,5 cm⁻¹ im Bereich der Absorptionslinien von Methan oder Propan im MIR (Abbildung 1). Dieser Spektralbereich ist schmal gegenüber anderen spektralen Einflüssen z. B. vom Rückstreuhintergrund, sodass selektiv nur die Zielgase für Änderungen im Spektrum sorgen. Die spektrale Arbeitsposition wurde so ausgewählt, dass in einem engen Bereich sowohl Methan- als auch Propan-Absorptionslinien liegen. So kann das Messsystem mit dem gleichen Laser beide Gase detektieren. Um eine Querempfindlichkeit durch die Luftfeuchtigkeit gering zu halten, liegen die Absorptionslinien spektral abseits von Wasserlinien. Dies ist insofern wichtig, da die Absorption durch die Luftfeuchtigkeit (50 % relative Luftfeuchtigkeit bei 23 °C entsprechen ∼14.000 ppm H₂O) über die komplette optische Wegstrecke des Laserstrahls (zweimal Abstand Drohne-Ziel) eingeht, während die Zielgaswolken häufig geringe Konzentrationen und kleine Ausdehnungen haben.

mit

1. I: Intensität des einfallenden Lichtes in W/m²

2. I ₀: Intensität des transmittierten Lichtes in W/m²

Abbildung 1:

Spektren der Zielgase Methan und Propan im Wellenzahlbereich um 2.968 cm⁻¹ (3,369 nm). Für die Gasmessung des jeweiligen Zielgases wird der Laser im Bereich der Absorptionslinie um 1,5 cm⁻¹ spektral abgestimmt. Für die Angabe der Gaskonzentration wird in der Ferndetektion ppm·m verwendet. Eine Methangaswolke mit einer Gaskonzentration von 1 ppm und einer Ausdehnung von 0,5 m erzeugt eine Absorptionsänderung von 0,0012, weil man annimmt, die Gaswolke wird vom Laserstrahl zwei Mal durchquert (1 ppm·m).

Die TLS-Methode basiert auf der spektralen Abstimmung des ICL-Halbleiterlasers durch den Laserstrom. Wird der Laserstrom sägezahnartig moduliert, folgt die Emissionswellenzahl sowie die Intensität des Lasers der Modulation annähernd linear. Mit der Frequenz der Sägezahnmodulation von 100 Hz erhält man 100 Rohspektren (I(t)) in einer Sekunde. Die hohe Zeitauflösung dieser Methode ist für die Drohnenanwendung von großem Vorteil. Bewegt sich die Drohne mit 10 m/s, ergibt sich eine räumliche Abtastung von 10 cm im Akquisitionszeitraum eines Rohspektrums. Dieses räumliche Raster ist passend zu dem Aufspüren von Gasleckagen und wichtig für eine schnelle Prüfung des Trümmerfelds. Aus jedem aufgenommen Rohspektrum wird durch die Auswertealgorithmik ein Konzentrationswert berechnet. Anschließend wird jedem Konzentrationswert die entsprechende GPS-Position zugeordnet, sodass eine Karte mit Gaskonzentrationswerten entsteht. Die Rettungskräfte erhalten damit Information über die Lage gefährlicher Gaskonzentrationen.

1.3.1 Messunsicherheitsbetrachtung

Die große technische Herausforderung für die laser-basierte Ferngasdetektion ist, dass die rückgestreute optische Leistung, die von der Systemoptik gesammelt werden kann, extrem gering ist. Bei einem solch geringen Nutzsignal ist der Hauptbestandteil der Messunsicherheit das Rauschen auf dem Detektorsignal. Um die Absorptionsänderung durch geringe Leckgaskonzentrationen <1 ppm·m messen zu können, muss das optische Signal ein Signal-Rausch-Verhältnis von besser als 1.000 aufweisen. Anhand einer beispielhaften idealen Messsituation kann das verdeutlicht werden. Es werden dafür folgende Annahmen gemacht: emittierte Laserleistung: 5 mW, zweimal der Abstand (Flughöhe) 5 m, sowie der erfasste Raumwinkel der 4″-Empfangsoptik, dieser beträgt 3 × 10⁻⁴ sr. Weiter wird eine Reflektivität von 80 % angenommen. Daraus ergibt sich mittels Formel 2 eine abgeschätzte optische Leistung von 400 nW am Empfänger (Abbildung 2). Das elektronische Signalrauschen setzt sich zusammen aus dem Schrotrauschen, verursacht durch das Hintergrundlicht, und dem thermischen Rauschen des Transimpedanzverstärkers. Um eine Standardabweichung von ∼1 ppm·m zu erreichen, darf das elektronische Signalrauschen nur 0,48 nW betragen. Dies entspräche dann einem SNR von 1, da das Absorptionssignal von 1 ppm·m einer Signalhöhe von 0,0012 entspricht. Das führt in einer Messentfernung von 5 m zu einer aufzulösenden optischen Leistungsänderung von ca. 0,48 nW. Um dies zu erreichen wurde eine rauscharme Vorverstärkung der Detektorsignale trotz hoher Bandbreite von 50 kHz entwickelt.

(2) I = I 0 ⋅ Ω ⋅ r ⋅ 1 π

mit:

1. Ω: Raumwinkel der Empfangsoptik in sr, Ω ≈ R 2 2 ⋅ π / L 2

2. r: Reflektivität des Targets

3. R: Linsendurchmesser in m

4. L: Distanz zum Target in m

Abbildung 2:

Idealisierte Abschätzung für die optische Leistung am Detektor in Abhängigkeit von der Entfernung (schwarze Kurve). Dabei gehen die emittierte Laserleistung (5 mW), Streuung an einer Oberfläche, und die Eigenschaften der Empfangsoptikoptik in die Berechnung ein. Nach wenigen Metern werden nur noch wenige Nanowatt vom Detektor empfangen. Entsprechend steigt die 1σ-Standardabweichung des Messwertes mit der Entfernung – unter zusätzlicher Berücksichtigung des thermischen und des Schrotrauschens eines idealen Transimpedanz-Vorverstärkers – an.

Für die theoretische Leistungsabschätzung wurde ein Streuverhalten des Hintergrunds nach dem Lambert’schen Gesetz angenommen. Demnach nimmt die Intensität der Rückstreuung mit dem Kosinus des Einstrahlwinkels ab. Diese Betrachtung ist unabhängig von der Wellenlänge und berücksichtigt nicht die Oberflächenverhältnisse. Grundsätzlich setzt sich das Licht, welches von der Empfangsoptik gesammelt wird, aus diffus und gerichtet reflektiertem und gestreutem Licht zusammen. Je länger die Wellenlänge ist, desto grösser wird der Anteil der Reflexion. Die gerichtete Reflexion stellt ein großes Problem für die Ferndetektion dar, weil dieses Licht häufig nicht durch den Raumwinkel der Empfangsoptik erfasst wird und somit der Großteil der optischen Leistung für die Detektion verloren geht.

Zusätzlich sind die Oberflächenverhältnisse des Rückstreuhintergrunds entscheidend für die reflektierte und gestreute Leistung. Eine glatte homogene Oberfläche, wie sie z. B. Betonwände oder Metalloberflächen haben, reflektieren den Großteil des Laserlichts. Die Folge ist, dass die empfangene Lichtleistung sehr gering ist und damit die Auswertung größerer Messunsicherheit unterliegt. Schwierig ist auch loser und feuchter Erdboden, da viel Licht absorbiert wird und viele Streuzentren vorhanden sind. Jedes kleine Streuzentrum steht unter einem anderen Winkel, sodass es keine homogene diffuse Rückstreuung gibt.

2.1 Technische Beschreibung

Das Konzept für das drohnentaugliche Gasmesssystem ist in Abbildung 3 dargestellt. Die Opto-Mechanik ist als Käfig-System ausgelegt, welches leicht und stabil ist. Die Wände und Stangen sind aus Carbon, die Ebenen für Laser, Detektor, Linse und Deckel aus Aluminium. Das Käfig-System ermöglicht eine hohe Parallelität dieser Ebenen und gleichzeitig eine Flexibilität im Abstand, um den Detektor beispielsweise genau im Linsenfokus zu positionieren. Die Herausforderung der Opto-Mechanik liegt in dem Anspruch der Parallelität der zwei optischen Achsen von Laser und Empfangsoptik. Die Laseroptik kollimiert den Laser mit einer geringen Divergenz, sodass der Strahldurchmesser nach 10 m nur wenige Zentimeter beträgt. Die Ausrichtung des Laserstrahls muss hochgenau sein, damit der Erfassungsbereich der Empfangsoptik getroffen wird. Nach 10 m ist das eine Fläche von 13 × 13 cm², daraus folgt, dass der Winkelfehler in der Parallelität der optischen Achsen kleiner als 0,38 ° sein muss. Die Parallaxe zwischen den optischen Achsen wurde nicht berücksichtigt. Sie beträgt 3 cm und resultiert aus einer Versetzung der Durchführung des Laserstrahls durch eine Öffnung in der Fresnel-Linse um 3 cm zur Linsenmitte.

Abbildung 3:

Links: Konzept des Gasmesssystems an der Drohne. Rechts: Foto vom Messsystem am Landegestell der Drohne Das Messsystem hat drei Ebenen. Die Empfangsoptik durch eine Fresnel-Linse, die Detektorebene mit einem Infrarotdetektor und dem Interbandkaskaden-Laser mit einer Emissionswellenlänge von 3,369 nm. Der kollimierte Laserstrahl wird durch ein in die Fresnel-Linse gefrästes Loch geführt. Die Platine mit der Elektronik ist an der Rückseite befestigt.

Die optische Leistung des kollimierten ICLs beträgt an dem Arbeitspunkt für 2.968 cm⁻¹ in etwa 5 mW (ICL von nanoplus [13]). Für die spektrale Anpassung zwischen der Methan- und Propan-Anwendung wird die Lasertemperatur entweder auf 23 °C oder 27 °C gesetzt. Die Strahlausrichtung erfolgt über eine kompakte kinematische Halterung, die auf den Erfassungsbereich justiert wird. Für die Detektion der rückgestreuten Laserstrahlung wird ein ungekühlter Quecksilber-Cadmium-Tellurid- (MCT)-basierter IR-Quantendetektor mit 1 × 1 mm² Fläche (PVI-3.4 von Vigo-Systems [14]) eingesetzt. Die hohe Detektivität von 4 × 10¹⁰ cm Hz^0,5/W ermöglicht auch ohne eine aktive Kühlung des Detektorelements eine geringe optische Leistung zu erfassen. Das ist insofern ein wichtiger Gesichtspunkt, da ohne eine thermo-elektrische Kühlung die elektrische Leistungsaufnahme geringgehalten werden kann. Die gesamte Elektronik für Lasersteuerung, Datenerfassung und Kommunikation wurde so ausgelegt, dass sie über die 5 V USB-Spannungsversorgung das Messsystem mit weniger als 2 W betrieben werden kann. Die Abmessungen der Platine sind 5 × 8 cm². Die Sägezahnmodulation der Laseremissionswellenlänge mit einer Frequenz von 120 Hz und eine Abtastung mit 1.000 Punkten pro Periode führt zu einer Sampling-Rate von 120 kS/s bei einer ADC-Auflösung von 16 bit. Dieses Datenaufkommen wird mit der Firmware der Auswertealgorithmik auf einem kleinen µController (PSoC 63 Dual Core) prozessiert. Durch die Anzahl der Kurvenmittelungen (z. B. 32×) wird eine Konzentrationswertfrequenz von ca. 4 Hz erreicht. Diese Werte werden während des Fluges über die Drohne zusammen mit der GPS-Position an eine Bodenstation gesendet. Dort wird dann durch eine Farbskala die Gaskonzentration in der Flugbahn dargestellt.

2.2 Spektrenauswertung

Eine einfache Auswertung der Messsignale kann durch die kalibrationsfreie „Direkte Absorptionsspektroskopie“ (DAS) erfolgen. Aus dem Rohspektrum I(t) wird instantan I ₀(t) abgeleitet, um damit die Transmission T = I/I ₀ bzw. die Absorbanz A = −ln(T), wie in Abbildung 4 dargestellt, zu berechnen. Hierbei wird das I ₀(t) mittels eines gewichteten Polynomfits zweiter oder dritter Ordnung bestimmt. Dabei werden die Gewichtungsfenster so an das Rohspektrum angepasst, dass der Bereich um die Absorptionslinie nicht gewichtet wird. Die Abschätzung der eingestrahlten Lichtintensität I ₀ wird auch Basislinienkorrektur genannt. Mit dem Systemparameter für die Laserabstimmung wird die Zeitachse in eine Wellenzahlachse (in ν) umgerechnet. Die Absorbanz lässt sich unter Berücksichtigung des idealen Gasgesetzes auch wie folgt ausdrücken:

mit:

1. χ: Volumenkonzentration, dimensionslos

2. P: Druck in Pa

3. k _B : Boltzmann Konstante: 1,3806489 × 10⁻²³ J/K

4. T: Temperatur in K

5. S: Linienstärke in cm⁻¹/(Moleküle/cm²)

6. l: optische Weglänge durch das Gas in cm

7. ϕ: Linienform in 1/cm⁻¹

Abbildung 4:

Die Absorptionsspektren einer 50 ppm·m-Referenzgaszelle mit Methan (links) und Propan (rechts). Die Spektren stammen aus der Messung an einer sandgestrahlten Aluplatte (5 m Entfernung). Das Messspektrum für Methan ist in guter Übereinstimmung mit einem mit HITRAN simulierten Spektrum. Die Absorptionslinie von Propan wird mit dem FTIR-Spektrum aus Abbildung 1 verglichen. Nur der grau hinterlegte Bereich im Propanspektrum wird bei der DAS-Flächenauswertung integriert, der andere Teil wird durch den Basislinienfit unterdrückt. Rechts von der Propanabsorption liegt eine Wasserlinie, die durch die Absorption von Luftfeuchtigkeit auf der 10 m langen optischen Wegstrecke entsteht und in Übereinstimmung mit der HITRAN-Simulation von Wasser ist.

Mit Hilfe der Linienparameter der untersuchten Absorptionsline aus der HITRAN-Datenbank [15], [16], lässt sich die Gaskonzentration auf verschiedene Arten kalibrationsfrei berechnen (siehe gute Übereinstimmung mit der Simulation in Abbildung 4). Da der optische Weg oder die Ausdehnung der Gaswolke unbekannt ist, wird das Konzentrationssignal auf 1 m normiert, somit ist die Konzentrationseinheit ppm·m. Die Messspektren werden durch das in Abschnitt 1.3.1 betrachtete elektronische Signalrauschen und durch spektrale Interferenzen gestört. Dieser Störfaktor ist in der Regel deutlich grösser als der Beitrag durch das elektronische Rauschen. Die optischen Interferenzen entstehen durch Streuung und Reflexionen des kohärenten Laserlichts am Hintergrund. Die Folge ist, dass eine Superposition von Sinuswellen das Spektrum überlagert. Eine Änderung dieses spektralen Musters in Frequenz und Amplitude, führt schnell zu Fehlern bei einer Flächenauswertung der Absorptionslinie (z. B. Integral der Absorbanz), weil sich der Basislinienfit diesem Muster anpasst. Um dieses Problem abzumildern, haben wir die kalibrationsfreie DAS-Methode [11] verändert und damit robuster gegenüber Interferenzen gemacht. Dazu wird das Absorbanzspektrum (vgl. Abbildung 4) in einem weiteren Signalverarbeitungsschritt mit einem zweifach abgeleiteten Gauß-Filter h ν gefaltet [17]:

In der Praxis erhält man hierdurch die geglättete zweite Ableitung einer Gasabsorptionsline nach der Wellenzahl (vgl. Abbildung 5). Durch diese Filterung werden insbesondere die niederfrequenten sinusartigen Interferenzen unterdrückt im Gegensatz zu einer Basislinienkorrektur in Verbindung mit einer Flächenauswertung. Statt der Fläche wird eine Minimum-Auswertung des Spektrums durchgeführt. Insgesamt werden mit dieser Methode, wie bei einem Bandpassfilter, typische niederfrequente sowie hochfrequente Interferenzfrequenzen effektiv unterdrückt, was zu einer robusteren und rauschärmeren Auswertung führt [18]. Die Konzentrationskalibration des Verfahrens geschieht weiterhin über simulierte HITRAN-Spektren, die die gleichen analytischen Verarbeitungsschritte durchlaufen, wie die gemessenen Transmissionsspektren. So erhält man eine Kalibrierfunktion für den Min-Wert in Abhängigkeit von der Konzentration. Für den Methannachweis ist diese sogenannte pseudo-2f-Methode gut anwendbar, da das Methan-Spektrum schmale Absorptionslinien aufweist. Die Bezeichnung pseudo-2f-Methode wurde so gewählt, da die erhaltenen Spektren an 2f-WMS-Spektren erinnern (WMS: Wellenlängen-Modulations-Spektroskopie). Beim Propan ist das Spektrum deutlich breitbandiger und damit der Überhöhungseffekt der 2. Ableitung deutlich geringer. Aus diesem Grund wurde für den Propannachweis die DAS-Methode basierend auf der Basislinienkorrektur in Verbindung mit einer Flächenauswertung gewählt. Dabei ist zu beachten, dass der breitbandige Hintergrund durch die Basislinienkorrektur unterdrückt wird. Die Höhe des Hintergrunds kann mittels einer HITRAN-Simulation bestimmt werden. Der Hintergrund kann dann über einen festen Offset, in diesem Fall von 0,105, wieder hinzugerechnet werden.

Abbildung 5:

Simuliertes und gemessenes Spektrum von 50 ppm·m Methan. Die Spektren wurden mit einem zweifach abgeleiteten Gauß-Filter gefaltet, wodurch nieder- und hochfrequente Störungen unterdrückt werden. Zur Konzentrationsbestimmung wird das Minimum ermittelt und mit dem einer HITRAN-Simulation verglichen, die denselben Signalverarbeitungsschritten unterzogen wurde.

3.1 Charakterisierung des Messsystems

Verschiedene Tests des Laserspektrometers (ohne Drohne) erfolgten unter Laborbedingungen mit dem Ziel die Funktion und Leistungsfähigkeit des Messgeräts zu zeigen. Um die Genauigkeit, die Auflösung und die Nachweisgrenze zu bestimmen, wurde mit Referenzgaszellen, die in den Laserstrahl direkt hinter die Kollimationslinse gesetzt wurden, gearbeitet. Die Referenzgaszellen sind jeweils mit 50 ppm·m Methan bzw. 50 ppm·m Propan gefüllt. Das Laserspektrometer wird auf eine mehrere Meter entfernte Oberfläche im Raum gerichtet, so muss das Messsystem bei allen Zielen (Wand, Schrank, Decke, Rohr, …) die Referenzgaszellenkonzentration anzeigen. Aufgrund der unterschiedlichen Entfernungen und Oberflächen variieren die empfangenen Intensitäten stark, aber die Konzentration zeigt im Mittelwert den Sollwert von 50 ppm·m an (Abbildung 6). Die Standardabweichung auf den verschiedenen Oberflächen variiert sehr stark (Tabelle 1). Der Grund hierfür sind in der Regel Interferenzen, die durch die Oberflächenstruktur des Ziels verursacht werden. Auf der sandgestrahlten Aluminiumplatte wird das Licht sehr gut gestreut und man erhält ein gutes Spektrum der Absorptionslinie (Abbildung 4). Da die Konzentrationswerte bei der Messung an der Aluplatte wenig rauschen, werden diese für die Bestimmung der Messperformance genutzt. Hierfür wird die Standardabweichung auf dem Referenzgaszellensignal genommen. Der Wert beträgt bei Methan 0,9 ppm·m und bei Propan 3 ppm·m (jeweils 1σ bei 4 Hz Messwertrate über 60 s). Für die Nachweisempfindlichkeit wird die Referenzgaszelle entfernt und die Standardabweichung an Luft bestimmt. Bei einer Entfernung von 5 m zum Ziel wird der Konzentrationswert von der Luftkonzentration von Methan bestimmt. Bei 5 m Entfernung und 1,8 ppm Methangehalt wird deshalb ein Offset von 9 ppm·m gemessen. Dieser Offset summiert sich auch auf die 50 ppm·m Messung. Die dreifache Standardabweichung auf diesem Signal wird als Nachweisgrenze unter Laborbedingungen angegeben und beträgt 1,2 ppm·m. Für Propan kann an der Aluplatte eine Nachweisgrenze von 6 ppm·m bestimmt werden. Der statistische Fehler für Methan liegt unter diesen Laborbedingungen bei ±2 ppm·m.

Abbildung 6:

Für die gasabhängige Charakterisierung in Abhängigkeit verschiedener Rückstreuoberflächen (links Methan, rechts: Propan) wird eine 50 ppm·m-Referenzgaszelle in den Laserstrahl gestellt und an Luft gemessen. Die Oberfläche der Rückstreuhintergründe bestimmt die rückgestreute Laserlichtintensität und damit das Rauschen auf dem Konzentrationswert (siehe Tabelle 1). Die Entfernung zum Hintergrund ist 5 m. Die Aluplatte und das Metallrohr streuen das Laserlicht gut, die anderen Oberflächen streuen schlecht. Die roten Linien zeigen die Soll-Konzentrationen an. Die Sollkonzentration bei Methan erhöht sich auf 59 ppm·m, da sich zusätzlich die Umgebungskonzentration von 1,8 ppm über 5 m aufsummiert.

Die gemessenen Propanwerte verhalten sich anders als die von Methan. Da das Absorptionsspektrum von Propan spektral deutlich breiter ist, wird die Flächenauswertung der DAS-Methode angewendet. Diese Auswertung ist anfälliger gegenüber Interferenzen, die sowohl die Absolutwerte als auch das Rauschen beeinflussen. Der Basislinienfit kann die Interferenzen nicht unterdrücken, wenn ihre spektrale Breite mit der des Auswertebereich vergleichbar ist. Das führt dazu, dass auch negative Konzentrationswerte entstehen können. Dieser Umstand ist für das Detektionsszenario vernachlässigbar, da hauptsächlich nach einer Veränderung der Gaskonzentration auf der Flugstrecke gesucht wird. Zudem ist eine Kalibrierung über die HITRAN-Datenbank, wie bei Methan nicht möglich, da keine Liniendaten für Propan hinterlegt sind. Die Kalibrierung wurde mit der 50 ppm·m-Referenzgaszelle durchgeführt. Der statistische Fehler wird mit ±10 ppm·m für die Aluplatte an 5 m Entfernung abgeschätzt. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass für beide Gase bei jedem Rückstreuungshintergrund eine Differenz zwischen Luft und der Referenzgaszelle gemessen wurde. Durch die pseudo-2f-Auswertung ist die Messperformance bei Methan rauschärmer und genauer im Vergleich zur DAS-Auswertung bei Propan.

Um die Eignung für die Anwendung zu zeigen, also unbekannte Leckagen in der Bewegung festzustellen, wurde ein weiterer Labortest durchgeführt, indem der Laserstrahl über eine Leckage bewegt wurde. Dabei strömte aus einer Öffnung in der Aluminiumplatte das Zielgas mit einem Fluss von 20 ml/min in Richtung des Laserstrahls. Der Laserstrahl des Messsystems war aus 5 m Entfernung auf die Aluplatte gerichtet. Das Ergebnis dieses erfolgreichen Funktionstests ist, dass fluktuierende Leckgaskonzentrationen gemessen werden. Die Konzentrationswerte schwankten zwischen 0 und 1.000 ppm·m (Abbildung 7). Die starken Änderungen entstehen durch die Bewegung der Gasfahne vor der Aluplatte. Die starke Luftbewegung aufgrund des hohen Luftwechsels im Labor führt dazu, dass die Gasfahne mal genau in Strahlrichtung verläuft (große Konzentration) oder komplett abbricht (geringe Konzentration). Die Ausbreitungsrichtung der beiden Gase ist unterschiedlich. Das leichtere Methan steigt auf, das schwerere Propan tendiert nach unten.

Abbildung 7:

Messung aus 5 m Entfernung einer künstlichen Gasleckage, aus der das Zielgas mit 20 ml/min Fluss entweicht. Das Ausströmen des Gases aus einer künstlichen Leckage führt zu einem fluktuierenden Konzentrationssignal, da sich eine sich bewegende schmale Gasfahne ausbildet.

Um die Bewegung der Drohne über einer Leckage zu simulieren, wurde der Laserstrahl über eine Aluplatte mit 0,4 m Kantenlänge aus 5 m Entfernung bewegt. Die Gasausbreitungsrichtung der künstlichen Leckage ist in diesem Fall um 90° gegenüber dem Laserstrahl gedreht. Die Austrittsrichtung verläuft von unten nach oben. Der Laserstrahl tastet die Aluplatte mit ∼0,4 m/s horizontal oberhalb des Lecks ab. Eine Messwertauflösung von 4 Hz bedeuten in diesem Fall drei bis vier räumliche Messpunkte auf der Aluplatte. In Abbildung 8 wird ein Zeitraum von 15 Sekunden gezeigt, in dem das Leck zehnmal abgetastet wurde. Es sind entsprechende Konzentrationsspitzen zu erkennen, diese sind mit maximal 100 ppm·m aber deutlich geringer als bei der räumlich statischen Messung in Abbildung 7. Der geringere Wert ist darauf zurückzuführen, dass die Gasfahne nicht immer optimal getroffen wird und einem räumlichen Aliasing-Effekt unterliegt.

Abbildung 8:

Eine Lecksuche in Bewegung wurde an der künstlichen Gasleckage (Fluss 20 ml/min, 5 m Entfernung) durch Schwenken des Messsystems simuliert. Der Laserstrahl bewegte sich mit 0,5 m/s zehnmal über die Platte.

3.2 Feldtests

Für die Feldtests wurde das Laserspektrometer unter dem Landegestell einer Drohne von Scarabot (Modell X8) [19] (aus dem Projekt SORTIE) befestigt (Abbildung 9) und über USB mit der Sendeeinheit der Drohne verbunden. Für ein realitätsnahes Anwendungsszenario hat das THW seinen Übungsplatz in Wesel, NRW zur Verfügung gestellt. Zerstörte Häuser und Trümmerhaufen bilden das Szenario für den Feldtest. Eine künstliche Leckage mit 1 l/min Methan wurde in einem Kellerschacht erzeugt (Abbildung 10). Die Drohne begann ihren Rundflug um das Gebäude. Während des Fluges wurden die Konzentrationswerte aufgenommen. Die Flughöhe der Drohne über dem Boden war im Bereich von 3 m, die künstliche Leckage befand sich in einem 1,5 m tiefen Kellerschacht. Die Drohne passierte den Kellerschacht langsam. In dem Zeitverlauf der Konzentrationswerte ist im Bereich des Kellerschachts der Anstieg der Methankonzentration auf 150 ppm·m signifikant (Abbildung 11). Außerhalb des Kellerschachts lag die Konzentration bei <20 ppm·m.

Abbildung 9:

Das Gasmesssystem ist unter dem Landegestell der Drohne befestigt. Zusätzlich befinden sich ein Lidar-System und eine CMOS-Kamera an Bord, um eine 3D-Karte der Umgebung zu erzeugen (Universität Freiburg).

Abbildung 10:

Die Drohne überfliegt die künstliche Gasaustrittsstelle, die im Kellerschacht liegt, in ca. 3 m Flughöhe über dem Boden.

Abbildung 11:

Die Aufzeichnung des Methan-Konzentrationssignals während des Fluges zeigt die deutlich erhöhte Konzentration (gemittelt bis zu 150 ppm·m) in dem Zeitbereich, der mit der Nähe der Drohne zu der künstlichen Leckage von 1 l/min Fluss Methan korreliert.

Die GPS-Daten und die Konzentrationswerte korrelieren mit der Position des künstlichen Methanlecks. Das Signal-Rausch-Verhältnis für die 1 l/min-Leckage reicht aus, um sicher explosive Atmosphären aufzuspüren. Die Konzentrationsschwelle, um vor einer explosiven Atmosphäre zu warnen, wird bei 4.400 ppm·m angesetzt, was einem Zehntel der UEG von Methan entspricht. Wenn die Drohne höher fliegt oder die Oberflächenbeschaffenheit für diffuse Rückstreuung schlechter wird, wird sich der SNR entsprechend ändern (siehe Abbildung 2 und Abbildung 6). Um die Datenqualität zu beurteilen, wurde die Signalintensität aufgezeichnet und bei zu geringer Intensität dem Nutzer signalisiert.

Die Messung von Propan aus der Luft wurde unter veränderten Bedingungen durchgeführt (Abbildung 12). Die künstliche Propan-Leckage befand sich in einer Senke, über die die Drohne flog. Der Gasfluss war ungefähr 1 l/min. Bei dieser Szene war die Offenheit des Geländes und damit die deutliche Konzentrationsverdünnung durch die Luftbewegung (Wind, Thermik, …) eine große Herausforderung. Unter diesen Bedingungen war die Lecksuche erschwert, weil sowohl die Propankonzentration als auch die Ausdehnung der Leckgaswolke gering sein kann. Entlang der Flugroute wurden im Bereich des Propan-Austritts erhöhte Konzentrationswerte gefunden, was demonstriert, dass die Identifizierung und Lokalisierung eines Propangaslecks möglich sind.

Abbildung 12:

Links: Szene der Propan-Messung. Die künstliche Leckage von 1 l/min steht in einer Senke und wird von der Drohne in einer Höhe ca. 3 m überflogen. Rechts: Dargestellt sind LIDAR Geländedaten. Auf diesen überlagert zeigt der rote Farbcode die erhöhten Konzentrationswerte im Bereich der Propan-Leckage entlang der Flugroute an.