Luftgestützte Ferndetektion von Propan und Methan

Für die Ferndetektion von Propan und Methan aus der Luft wurde ein drohnentaugliches Laserspektrometer entwickelt. Die Anwendung ist die Ortung von Gasleckagen und die Warnung vor explosiven Gas-Luft-Gemischen. Neuartig ist die Ferndetektion von Propan sowie die Vereinigung von Methan- und Propandetektion in einem Messsystem. Dies wird durch die Nutzung benachbarter Absorptionslinien von Methan und Propan im Spektralbereich bei 2.968 cm-1 erreicht. Als Messmethode wird die direkte Absorptionsspektroskopie mit einem abstimmbaren Interbandkaskadenlaser (ICL) als Lichtquelle genutzt. Mit einer vier Zoll (4″-) Empfangsoptik wird das rückgestreute Laserlicht aus einer Entfernung bis zu 15 m gesammelt und anschließend verarbeitet. Um eine Flugzeit der verwendeten Drohne von ca. 30 min zu ermöglichen, wurden eine leichte Optik, Elektronik und Mechanik entwickelt, sodass die Gesamtmasse des Messsystems unter 500 g liegt. Die Auflösung des Laserspektrometers für Propan und Methan unter Laborbedingungen ist jeweils kleiner als 1 ppm·m (1σ). Bei Feldtests auf einem Übungsgelände des Technischen Hilfswerkes konnte Methan von einer Drohne aus sicher und empfindlich gemessen werden. Während eines Überflugs über ein künstliches Leckszenario im Kellerschacht eines Hauses (Leckrate von 1 l/min, Überflug in ca. 3 m Höhe) konnte das Leck durch eine Methankonzentrationsmessung erfolgreich identifiziert werden. Die Auflösung (1σ-Standardabweichung) war während des Überflugs kleiner als 7 ppm·m ohne bzw. außerhalb des direkten Einflusses der Leckage, während eine maximale Leckagekonzentration von 150 ppm·m über dem Leck bestimmt wurde.

A laser spectrometer for an unmanned aerial vehicle (UAV) has been developed for the airborne remote detection of propane and methane. The application is the location of gas leaks and the warning of explosive gas-air mixtures. The remote detection of propane and the combination of methane and propane detection in a single measuring system is a new feature. This is achieved by using adjacent absorption lines of methane and propane in the spectral range around 2,968 cm-1. The measurement method used is direct absorption spectroscopy with a tunable interband cascade laser (ICL) as light source. Using a four inch (4″) receiving optics (Fresnel lens), the backscattered laser light is collected from a distance of up to 15 m and then processed. In order to enable a flight time of approx. 30 min for the UAV used, lightweight optics, electronics and mechanics have been developed so that the total mass of the measurement system is less than 500 g. The sensitivity for propane and methane under laboratory conditions is less than 1 ppm·m (1σ) each. During field tests, methane could be measured safely and sensitively from the UAV. During a flyover of an artificial leak scenario in a cellar well (leak rate of 1 l/min, flyover at an altitude of about 3 m), the leak was successfully identified by a methane concentration measurement. The resolution (1σ standard deviation) during the flyover was less than 7 ppm·m without or outside the leakage, while a maximum leakage concentration of 150 ppm·m was determined above the leak.