TELEDETECCIÓN DE FUGAS DE GAS EMPLEANDO RADIOMETRÍA DE CORRELACIÓN CON FILTRO DE GAS.

Un radiómetro (201) de correlación con filtro de gas que comprende:

un receptáculo (200) que tiene una ventana (203); una sección del detector montada en el receptáculo (200); ópticas que definen una primera trayectoria óptica (210) y una segunda trayectoria óptica (212) entre la ventana (203) y la sección del detector montada en el receptáculo (200); la primera trayectoria óptica (210) presenta una primera longitud de trayectoria de gas y la segunda trayectoria óptica (212) presenta una segunda longitud de trayectoria de gas, siendo la primera longitud de trayectoria de gas diferente de la segunda longitud de trayectoria de gas; y componentes electrónicos para procesar las señales producidas por la sección del detector como resultado de la radiación dirigida por las ópticas sobre la sección del detector; caracterizado porque el radiómetro (201) de correlación con filtro de gas comprende además: un dispositivo de división de haz de bi-prisma (206, 207) montado en un receptáculo (200) como parte de las ópticas para dirigir la radiación que entra por la ventana (203) procedente de una fuente exterior a lo largo de dos trayectorias divergentes compensadas una con respecto a otra a través de un bi-prisma (206, 207) para dividir la radiación entre la primera trayectoria óptica (210) y la segunda trayectoria óptica (212)

Antecedentes de la invención

La presente invención se refiere a técnicas de teledetección para detectar fugas de gas. En particular, la invención implica poner en vuelo un avión con instrumentación de teledetección sobre una zona objetivo, tal como una tubería, y medir la absorción de la radiación electromagnética ascendente que ha pasado a través del gas natural.

En el pasado los intentos llevados a cabo para teledetectar fugas de gas natural han supuesto la detección de concentraciones grandes de metano (CH4). El CH4 comprende aproximadamente 95% de la composición del gas natural, lo que le convierte en objetivo natural para la detección. Un problema que se ha identificado a partir de la experiencia es que CH4 existe en cantidades bastantes grandes en la atmósfera (se encuentra bien mezclado en la atmósfera con una concentración de aproximadamente 1,7 ppm). Por tanto, la detección de una fuga de gas requiere la detección de un pequeño aumento sobre un nivel de fondo grande. Episodios tales como pasar cerca de una zona fuente de CH4 (tal como una granja), o un incremento en la altitud del aeroplano (un aumento de la longitud de la trayectoria atmosférica) podrían dar como resultado una falsa lectura de la fuga.

Para reducir la influencia del nivel de fondo, se han llevado a cabo algunos intentos en el pasado para detectar el CH4 en exceso de la fuga de gas natural mediante la detección de la absorción de CH4 en la longitud de onda de la región infrarroja (por ejemplo, a 7,8 µm ó 2180 cm-1). Esto proporciona la ventaja de que la radiación ascendente es emitida principalmente desde la superficie terrestre. Esto minimiza el CH4 de fondo, ya que únicamente se detecta el CH4 existente entre el avión y la superficie terrestre.

No obstante, en el caso de las tuberías subterráneas, debido a que la temperatura de la superficie y la del CH4 de la fuga son prácticamente iguales, el contraste radiactivo entre la superficie y el metano de la fuga es muy pequeño, lo que reduce en gran medida la capacidad de detección de la fuga. De igual forma, el ruido térmico que introduce el propio instrumento se convierte en un importante inconveniente de diseño. La utilización de una banda pequeña de absorción de longitud de onda de CH4 podría suponer una ayuda potencial, ya que la radiación ascendente sería fundamentalmente la procedente del sol. Esto aumentaría en gran medida el contraste radiativo entre la fuente y el gas “de la fuga”, y reduciría de forma considerable el ruido térmico en el interior del instrumento. No obstante, el nivel de fondo de CH4 se hace muy grande a medida que la radiación solar que alcanza el instrumento ha pasado a través de toda la atmósfera.

“A concept for a Gas-Filter Correlation Radiometer to Remotely Sense the Atmospheric Coarbon Dioxide Column from Space”, Tolton B.T., and Yaschcov D., Proc. Geoscience and Remote Sensing Symposium IGARSS, Junio 2002, Piscataway, NJ, New York, pp. 2118-2120, desvela un Radiómetro de Correlación con Filtro de Gas (GFCR) basado en satélite para la medición global de CO2 atmosférico, en el que el GFCR presenta trayectoria ópticas divididas por un dispositivo de división de haz parcialmente reflectante.

El documento US 4.520.265 (Griggs et al.) desvela un GFCR para la medición de gas metano que emplea un filtro espectral estrecho en el que el GFCR está dotado con tres trayectorias ópticas formadas por dos dispositivos de división de haz parcialmente reflectantes.

El documento US 2003/0025081 (Hans Edner et al.) desvela un GFCR que toma muestra en dos trayectorias ópticas diferentes para proporcionar calibración y determinación de una concentración integrada de un escape de gas.

“Gas cell correlation spectrometer: GASPEC” Ward T.V. and Zwick H.H., Applied Physics, 14 (12), Diciembre de 1975, pp 2896-2904, desvela un GFCR para la teledetección de vapores en forma de traza en la atmósfera, y comprende trayectorias ópticas divididas por medio de un dispositivo de división de haz parcialmente reflectante.

Resumen de la invención

La invención se refiere a un radiómetro de ac de correlación con filtro de gas uerdo con la reivindicación 1 y a un procedimiento para detectar fugas de gas natural de acuerdo con la reivindicación 7.

El etano, C2H6, es un componente secudario del gas natural, que comprende hasta 20 % del gas natural no procesado, y aproximadamente 2,5 % del gas natural procesado. En cuanto a detección, presenta la ventaja con respecto a CH4 de que existe en la atmósfera en cantidades muy pequeñas (concentración media anual global de 860 ppt). Por tanto, la nivel de fondo natural es muy pequeño (2000 veces más pequeño que el de CH4).

Las dos fuentes principales de C2H6 en la atmósfera son las fugas de gas natural y la quema de biomasa (ambas en magnitudes más o menos equivalentes). El sumidero principal es mediante reacción con el radical hidroxilo (OH). El C2H6 presenta una banda(s) de absorción/emisión intensa(s) a 3000 cm-1 (3,33 µm). En esta zona del espectro, la radiación ascendente consiste principalmente en radiación solar reflejada. De igual forma, el ruido térmico del interior del instrumento queda considerablemente reducido a estas longitudes de onda cortas. Esta combinación de nivel de fondo minúsculo, signo espectral intenso en la zona “solar” del espectro y ruido térmico reducido convierte a C2H6 en apropiado para la detección de fugas de gas natural en tuberías. Preferentemente, el etano se detecta empleando la banda(s) de absorción/emisión a 3000 cm-1 .

El etano se puede detectar ajustando el radiómetro para de correlación con filtro de gas detectar etano empleando un pico de absorción de etano a una longitud de onda de 2850 a 3075 cm-1 .

Se puede detectar el etano ajustando el radiómetro para de correlación con filtro de gas detectar etano empleando un pico de absorción de etano a una achura de banda de hasta 150 cm-1 por encima o por debajo de 3000 cm-1 .

De acuerdo con la invención, el radiómetro (GFCR de correlación con filtro de gas ) comprende una ventana en un receptáculo; ópticas que definen una primera trayectoria óptica y una segunda trayectoria óptica entre la ventana y la sección del detector montado en el receptáculo; un dispositivo de división del haz en forma de bi-prisma montado en el receptáculo como parte de las ópticas para dirigir la radiación que penetran en la ventana desde la fuente exterior con el fin de dividir la radiación entre la primera trayectoria óptica y la segunda trayectoria óptica; presentando la primera trayectoria óptica una primera longitud de trayectoria de gas y presentando la segunda trayectoria óptica una segunda longitud de trayectoria de gas, siendo la primera longitud de trayectoria de gas diferente de la segunda longitud de trayectoria de gas; y componentes electrónicos para procesar las señales generadas por la sección del detector como resultado de que la radiación haya sido dirigida por medio de las ópticas sobre la sección del detector. La longitud de la trayectoria de gas es proporcionada por medio de filtro de gas que contienen cantidades diferentes de gas objetivo, tal como etano, presentando preferentemente una de las trayectorias ópticas una cantidad cero de longitud de trayectoria de gas.

De acuerdo con otro aspecto de la invención, la sección del detector comprende un primer detector sobre la primera trayectoria óptica y un segundo detector sobre la segunda trayectoria óptica y los correspondientes píxeles sobre el primer y segundo detectores que presentan campos de vista colocados y que son sometidos a toma de muestra de manera sincronizada.

De acuerdo con otro aspecto de la invención, la sección del detector identifica la radiación empleando una técnica de formación de imágenes de barrido.

Estos y otros detalles de la invención se describen en la memoria descriptiva detallada de la invención y se reivindican en las reivindicaciones adjuntas.

Breve descripción de los dibujos

A continuación se describirán realizaciones preferidas de la invención haciendo referencia a los dibujos, únicamente a modo de ilustración y no con la intención de limitar el alcance de la invención, en los cuales números similares indican elementos similares y en los que:

La Figura 1 es un esquema del radiómetro propo de correlación con filtro de gas rcionado para una compresión de base; La Figura 2 es un esquema de... [Seguir leyendo]

1. Un radiómetro (201) de correlación con filtro de gas que comprende:

un receptáculo (200) que tiene una ventana (203); una sección del detector montada en el receptáculo (200); ópticas que definen una primera trayectoria óptica (210) y una segunda trayectoria óptica (212) entre la ventana

(203) y la sección del detector montada en el receptáculo (200); la primera trayectoria óptica (210) presenta una primera longitud de trayectoria de gas y la segunda trayectoria óptica (212) presenta una segunda longitud de trayectoria de gas, siendo la primera longitud de trayectoria de gas diferente de la segunda longitud de trayectoria de gas; y componentes electrónicos para procesar las señales producidas por la sección del detector como resultado de la radiación dirigida por las ópticas sobre la sección del detector; caracterizado porque el radiómetro (201) de correlación con filtro de gas comprende además:

un dispositivo de división de haz de bi-prisma (206, 207) montado en un receptáculo (200) como parte de las ópticas para dirigir la radiación que entra por la ventana (203) procedente de una fuente exterior a lo largo de dos trayectorias divergentes compensadas una con respecto a otra a través de un bi-prisma (206, 207) para dividir la radiación entre la primera trayectoria óptica (210) y la segunda trayectoria óptica (212).

2. El radiómetro (201) de correlación con filtro de gas de la reivindicación 1 en el que la sección del detector comprende además: un primer detector (202A) sobre la primera trayectoria óptica (210) y un segundo detector (202B) sobre la segunda trayectoria óptica (212) y píxeles correspondientes sobre el primer detector (202A) y el segundo detector (202B) que presentan campos de visión colocados y que se someten a toma de muestra de manera sincronizada.

3. El radiómetro (210) de correlación con filtro de gas de la reivindicación 1 ó 2 en el que la sección del detector se encuentra dispuesta para detectar la radiación empleando una técnica de formación de imágenes de barrido.

4. El radiómetro (201) de correlación con filtro de gas de la reivindicación 1, en el que el radiómetro (201) de correlación con filtro de gas está dispuesto para detectar etano usando un pico de absorción de etano a 3000 cm-1 .

5. El radiómetro (201) de correlación con filtro de gas de la reivindicación 2 en el que el primer detector (202A) y el segundo detector (202B) se encuentran lado a lado en el interior del receptáculo (200).

6. El radiómetro (201) de correlación con filtro de gas de una cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en el que el biprisma forma la parte frontal o la parte trasera de una célula de gas compuesto, comprendiendo la célula de gas compuesto una célula de correlación de gas y una célula evacuada.

7. Un procedimiento para detectar fugas de gas natural, comprendiendo el procedimiento las etapas de:

atravesar un área objetivo que contiene una tubería de gas natural con el radiómetro (201) de correlación con filtro de gas de las reivindicaciones 1, 2 ó 3, presentando el radiómetro (201) de correlación con filtro de gas un campo de visión (352) orientado hacia el área objetivo, estando dispuesto el radiómetro (201) de correlación con filtro de gas para detectar etano; e identificar una fuga de gas cuando el radiómetro (201) de correlación con filtro de gas detecte la presencia de etano.

8. El procedimiento de la reivindicación 7, en el que el radiómetro (201) de correlación con filtro de gas está dispuesto para detectar etano usando un pico de absorción de etano a 3000 cm-1 .

9. El procedimiento de la reivindicación 7 ó 8, operado usando una radiación de fondo ambiente como fuente de radiación a detectar.