光学ガスイメージングの定量化について
定量光学ガスイメージングは、石油・ガス産業の事業者に、作業者の安全性の向上、環境管理の強化、およびコスト効率の高い運用のためのツールを提供します。
Craig R O’Neill、フリアーシステムズ
比較的新しい技術である定量光学ガスイメージング (qOGI) は、石油・天然ガス産業の事業者がガス漏れを定量化するためのツールとして、各種ガス分析器、検知器の代替手段として実証されています。 この記事では、qOGI、その仕組み、用途、および使用に必要な装置について説明します。また、qOGI と他の漏れ定量化技術との比較についても詳しく説明します。
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定量光ガスイメージングとは何ですか？
定量光学ガスイメージングは、光学ガスイメージング、特に冷却炭化水素 OGI をアルゴリズムソリューションと組み合わせて、肉眼では見えないガス漏れを定量化する能力です。
これらは、通常 OGI カメラで視覚化できる漏れです。従来、OGI カメラは、漏れが発生していることを示す定性的分析に限定されて、漏れの量を示す表示はほとんどありませんでした。しかし、既存の OGI カメラと qOGI ソリューションを組み合わせることで、このような漏れを質量と体積の漏洩率、および経路長 (ppm-m) の濃度の単位で視覚化して定量化することができます。
QOGI 対 代替技術
機能の点では、有毒蒸気分析装置（TVA、一般に「スニッファ」と呼ばれる）も Bacharach Hi Flow®サンプラー (BHFS) も、質量漏洩率および体積漏洩率、ならびに濃度経路長における様々なガス漏れを定量化することはできません。TVA は濃度分析を行いますが、流量の測定はできません。BHFS は流量と濃度の両方を測定できます。
TVA と BHFS 装置はいずれも、漏れのサンプリング場所とタイミング、および装置の位置に応じて、同じ漏れについて異なる解釈を返す場合があります。この欠点は、これらの装置の機能によるものです。これらの装置は測定している特定の瞬間における漏れ量を提供しますが、qOGI システムは時間の経過に伴うローリング平均漏洩率を提供します。
さらに、TVA および BHFS 装置では、検査員が遭遇する可能性のある特定のガスを定量化する能力に限界があります。qOGI システムには、400種類以上の化合物を同定し、定量化する能力があります。また、qOGI システムは記録された OGI カメラフィードからの情報を分析するため、ユーザーはシステムの分析を確認するための視覚的証拠を得ることができます。これほど確かな技術はありません。
さらに、検査員の安全ということが qOGI の最大の利点であると言えます。監視が困難な TBA および BIFS 装置の性質を考慮する
(DTM) 装置 -- 測定器から十分な距離に位置し、定量化に課題をもたらす可能性のある漏洩源。
足場の建設にはコストや時間がかかりすぎるということがあります。そして、検査員は安全ハーネスに縛り付けられ、適切な個人用保護具を着用し、危険なほどガスの噴出口に近づき、場合によっては内部に立ち入り、ガス漏れを定量化しなければなりません。
また、安全上の理由や作業空間の不足から、検査員が漏れの可能性がある場所に全く立ち入ることができない場合もあります。
よりアクセスしやすい場所で漏れが発見された（または疑われる）場合でも、qOGI システムは優れた使いやすさを提供します。TVA は、フィールドキャリブレーションキットを使用した頻繁なキャリブレーションを必要とし、「特定の瞬間」だけ機能します。
一方、BHFS は使用と保守に多大な労力を要します。その使用には、最も正確な測定を可能にするため、検査員はテープやプラスチックの組み合わせを使用して、できる限り漏れを密封する必要があります。これらの装置は高い精度が得られる反面、毎週較正するだけでなく、毎日検証する必要があります。
また、環境条件がこれらの装置にどのように影響するかも考慮する必要があります。TVA の測定値は湿度、温度、汚染物質の影響を受ける可能性がありますが、風は最も劇的な影響をもたらす可能性があります。これは、技術が漏れを見逃す可能性があるためです (図 1)。BHFS の環境上の制限は、特定のセンサーに依存します。qOGI システムの測定値は、タブレットの入力パラメータで説明されている温度（以下で説明）と風速の影響を受ける可能性があります。
図1 - 有毒蒸気分析装置 (TVA) 測定に対する風による悪影響
QOGI はどのように機能しますか？
ガスプルームの近くにいなくても漏れのサイズを定量化できることは、qOGI と競合技術の最大の差別化要因であり、qOGI の最大の利点でもあります。OGI カメラを離れたところで使用する場合は、3つの要因によってカメラでガスを可視化できます（図2）。
図2 - OGI カメラのガス画像に影響を与える要因
IR 吸収 — α（λ) — まず、検出するガスが、OGI カメラのスペクトルウィンドウと重複する IR 吸収ピークを持っていることが必要です。応答係数 (RF) は、約400種類の化合物について開発されています。これらの RF は、異なるガスがエネルギーを吸収する波長を示し、ユーザーが特定の IR カメラによって化合物を撮像できるかどうかを評価できるようにします。また、qOGI メソッドの結果の調整にも使用でき、1回のガスによる較正を複数のガスの測定に適用することも可能です。
RF は、基準化学物質と比較した特定の化合物の感度も指定します。例えば、プロパンの RF は 1 です。別の化合物の RF 値が 0.3 の場合、化合物の感度がプロパンの 30% であることを意味します。化学物質の RF が 0.1 未満の場合、基準化学物質と同じ条件下では、OGI カメラで化学物質が見えなくなる可能性があります。
デルタ温度— ΔT— ガスプルームとバックグラウンドの間に十分な温度差があることが必要です。ΔT が高いほど、OGI カメラのディスプレイに視認しやすいプルームが表示されます。qOGI の場合、ΔT が高いほど信号対雑音比が高くなり、より優れた測定データが得られます。
QOGI ユーザーは、可能な限り高いΔ T 値を得るために、漏れをさまざまな角度で確認する必要があります。少なくとも、ガス漏れ付近の周囲空気と画像背景の見かけの温度との間で 2°C の温度差を求められます。Δ一般に、T は正確な測定値を収集する上で最も重要な要素であると考える必要があります。
ガスが高温の背景（壁）から周囲温度の背景（フェンス）に移動するときのデルタ T の影響を示すガス漏れの画像
ガスの有無 — ɠ — 画像のガスがシステムの最小検出限界を超えている必要があります。
シーンに、画像化するのに十分なガスが存在する必要があることを考慮すると、他の2つの要因—α（λ）とΔ T の効果を標準化—して、存在するガスの定量化を可能にすることが qOGI の機能になります。この測定は、異なる測定条件下で一貫しています（例： 測定条件が異なるためにΔ T が異なる場合でも、同じ測定値で同じ結果が得られます）。
QOGI は、次の 2 種類の結果を生成できます。
- ピクセルレベルで ppm-m で表される濃度経路長、および
- 質量または体積の流量（例： グラム/時またはリットル/分）。
図3 - 濃度経路長が異なるプロパンの例
質量または体積漏洩率は、ピクセルレベルの測定値を全体的な漏れの効果に集約するためのさらなるアルゴリズムプロセスを必要とします。このアルゴリズムでは、質量または体積漏洩率の測定に影響する距離と風の状態も考慮されます。
qOGI ソリューションには、リアルタイム使用と Q モード操作の 2 つのモードがあります。
現場では（リアルタイム使用）、フリアーシステムズの OGI カメラ（GF320、GFx32020、または GF620）に直接撮像されるガスを定量化するソフトウェアを搭載した高耐久性タブレットコンピュータを接続するだけで、直ちに漏れのライブビューの定量化が開始されます。
GFx320 光学ガスイメージングカメラ
Q モード操作では、後で使用するためにカメラにビデオを保存できます。その後、ファイルをタブレットにダウンロードして、後で漏れを定量化できます。
タブレット自体は、FLIR OGI カメラとプラグプレイで使用できるように設計・製造された既製の技術で構成されており（現場での使用中は USB ケーブルでデバイスを接続でき、カメラの SD カードは Q モード操作で取り外しが可能）、定期的な較正は必要ありません。そのため、既存の OGI カメラユーザーはシームレスに qOGI を導入していただけます。
さらに、TBA や BHFS システムは定期的に有毒ガスに曝されますが、タブレットはこのような環境で使用されないので、部品が同様に劣化することはありません。TVA 用の交換部品はすぐに入手できますが、BHFS 装置は2016年に製造が中止されました。
最後に、qOGI では定量化プロセスの一環として漏れを可視化できるため、カメラの移動やブレはその性能に悪影響を与える可能性があります（他のカメラと同様）。したがって、ユーザーは三脚を使用してカメラを安定化させる必要があります。
結論
qOGI は新しい技術であるため、その使用に対する米国の規制要因はありませんが、社内目的のツールとしてのメリットは明らかです。実際、
石油・ガス業界のリーダー企業は、この技術を現場でテストし、上流の ICR リクエストやタンクの排出から DTM LDAR コンポーネント（下流）、メンテナンス/信頼性モニタリングまで、すべてを定量化する実行可能性を探っています。
qOGI は、代替のガス定量法よりも明らかに安全上の利点があることに加え、CONCAWE3 の厳格な第三者試験に合格しており、TVA のような技術よりも簡単で迅速、かつ正確であることが証明されています。QOGI は、既存の OGI カメラのアドオンとして費用対効果も高く、石油・ガス事業者が事業を展開する地域社会において、環境意識の先を行くことができます。
著者について
Craig R O’Neill はフリアーシステムズに17年以上勤務し、2005年6月に商用ガスイメージャが導入されて以来、OGI 市場に積極的に関わってきました。現在は、石油・ガス産業におけるフリアーシステムズのソリューションについて、光学式ガスイメージング事業部門と戦略のグローバル責任者を務めています。この職務では、顧客、業界のステークホルダー、戦略的パートナー、および販売、マーケティング、エンジニアリング、製品管理など、FLIR Instruments 部門の多くの垂直統合された業務を結び付けています。彼の目標は、石油・ガス業界のニーズを満たすセンシングソリューションを提供するために、フリアーシステムズの連帯を確保することです。
フリアーシステムズについて
1978 年に設立され、オレゴン州ウィルソンビルに本拠を置くフリアーシステムズは、知覚を高め、意識を高め、命を救い、生産性を向上させ、環境を保護するセンサーシステムの世界的なメーカーです。3,500 人の従業員規模ながらフリアーシステムズのビジョンは、サーマルイメージングと隣接技術を活用して、セキュリティと監視、環境・状態のモニタリング、アウトドア レクリエーション、マシンビジョン、ナビゲーション、高度な脅威検出などの革新的でインテリジェントなソリューションを提供する「The Worlds Sixth Sense（世界の第六感）」となることです。詳細については、www.flir.com を参照するか、または @flir をフォローしてください。
リソース
1. http://docs.wixstatic.com/ugd/5922b2_fa557e034d654f54865a63902fb93d6e.pdf
2. http://docs.wixstatic.com/ugd/5922b2_0b8501e272274446a9aceda959ff5565.pdf
3. https://www.concawe.eu/wp-content/uploads/2017/01/rpt_17-2.pdf
光学式ガスイメージングの詳細については、www.FLIR.com/ogi を参照してください。
