ПАНОРАМНЫЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР Российский патент 1998 года по МПК G01N21/61 

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для измерения содержания и определения пространственного распределения различных газов в атмосфере.

На протяжении многих лет в нефтяной и газовой промышленности остро стояла задача обнаружения и определения мест утечек нефти, нефтепродуктов и газа из магистральных трубопроводов.

До настоящего времени не было достаточно эффективных приборов, обеспечивающих оперативное дистанционное обнаружение утечек нефти и сжиженных нефтепродуктов из магистральных трубопроводов. Поиск утечек велся визуально с борта вертолета или самолета, либо наземными средствами. Такими способами не могли быть обнаружены мелкие утечки, вероятность обнаружения низка.

Известны лазерные дистанционные газоанализаторы, предназначенные для обнаружения утечек природного газа из магистральных газопроводов. Например, система (материалы школы-семинара-выставки Лазеры и современное приборостроение. Под ред. проф. В.Е.Привалова, Санкт-Петербург, 30 сентября - 4 октября 1993 г. , Алексеев Б.А., Бутиков Ю.А. Власов О.Ф. и др. Модернизированная лазерная система обнаружения утечек метана из газопроводов с борта летательного аппарата на базе системы "Обзор-2"", с. 138,139), включающая в себя два лазера, один из которых настроен на длину волны света, поглощаемого газом, а второй на близкую длину волны, не поглощаемую; оптический коммутатор, оптопару со схемой формирования синхросигналов, приемный объектив с фотоприемником, электронный блок обработки сигналов, видеокамеру.

Такие приборы не позволяют точно определить место выхода газа, так как при поиске утечки луч лазера пересекает шлейф газа на некотором расстоянии в стороне от трубы, поэтому поиск утечки непосредственно на местности часто оказывается достаточно трудоемким, а иногда мелкие утечки обнаружить не удается ввиду несовершенства наземных средств. Кроме того, лазерный газоанализатор дает весьма приблизительную информацию о мощности утечки, настраивается только на обнаружение метана.

Известны устройства, обнаруживающие место утечки путем регистрации понижения температуры грунта, охлаждаемого выходящим под большим давлением газом. В качестве прототипа выбран тепловизор (Л.З.Крискунов, В.А.Волков, В.К. Вялов и др., "Справочник по приборам инфракрасной техники", Киев, Техника, 1980, стр. 280), включающий ИК-камеру из оптико-механического устройства сканирования с блоком синхронизации, приемного объектива, модулятора и фотоприемника, накопитель информации в виде блока регистрации сигналов на термохимической бумаге, электронный блок обработки сигналов и опорный излучатель с регулятором. Возможности такого прибора ограничены. Он не может обнаружить мелкие и глубоко залегающие утечки, критичен к освещенности и температуре грунта, результаты обследования не могут быть получены оперативно, так как после облета трассы снимки необходимо тщательно просмотреть.

Предложен универсальный панорамный газоанализатор, позволяющий отобразить на экране дисплея изображение подстилающей поверхности с нанесенными на нем изоконцентрационными линиями измеряемого газа, т.е., фактически, изображение шлейфа газа. По информации, заложенной в снимке можно точно найти место утечки, ее мощность. Обработка снимков обеспечивается в реальном масштабе времени, что дает возможность оператору оперативно, в процессе работы на борту воздушного судна получать информацию об утечках. Малый вес и габариты прибора, низкое энергопотребление позволяют использовать его практически на любом летательном аппарате.

Область применения предлагаемого прибора не ограничивается поиском утечек. Его можно использовать и для решения экологических задач, для определения уровня и распределения загрязненности атмосферы различными газами в промышленных зонах и т.д.

Предложенный панорамный газоанализатор включает ИК-камеру (ИК-камера - устройство для формирования изображения в ИК области спектра и полного или частичного преобразования его в электрический сигнал), блок синхронизации и накопитель информации; он отличается тем, что в нем дополнительно установлены оптический коммутатор с оптическим фильтром, обеспечивающий прохождение излучения через заданный слой измеряемого газа и слой атмосферы и атмосферу, вычислительное устройство, блок сопряжения ИК-камеры и вычислительного устройства, при этом оптический коммутатор установлен на оптической оси перед оптическим фильтром, вычислительное устройство выполнено в виде компьютера с дисплеем, блок сопряжения на основе АЦП, причем, первый выход ИК-камеры соединен с накопителем информации и с первым входом блока сопряжения, выход блока сопряжения соединен с входом компьютера, второй выход ИК-камеры соединен с первым входом блока синхронизации, выход которого соединен с входом коммутатора, который соединен с вторым входом блока сопряжения и с вторым входом блока синхронизации.

Функциональная схема предложенного устройства приведена на чертеже, где: оптический коммутатор - 1; оптический фильтр - 2; ИК-камера из объектива - 3, пировидикона - 4; блока - 5 электроники; блок - 6 сопряжения; компьютер - 7 со встроенным дисплеем (например, типа "note book"); видеомагнитофон или иной накопитель - 8 информации; блок - 9 синхронизации.

Работа устройства приведена на примере конкретного выполнения.

Излучение от сцены (подстилающей поверхности) через коммутатор 1 и оптический фильтр 2 поступает на ИК-видеокамеру (в нашем случае ИК-видеокамера на основе пировидикона [1]; в ИК-видеокамере на фоточувствительной площадке пировидикона 4 объектив 3 формирует изображение, которое затем блок 5 электроники преобразует в аналоговый электрический сигнал. С первого выхода ИК-видеокамеры сигнал поступает в блок 6 сопряжения, который преобразует его в цифровую форму. Возможно множество вариантов выполнения блока сопряжения, например, [2] . Далее сигнал поступает в параллельный порт компьютера 7, в нашем случае типа "note bооk". Коммутатор также может быть выполнен по-разному, у нас в виде вращающегося диска с прозрачными секторами, через один заполненными измеряемым газом. По периметру диска при этом расположены широкие и узкие ламели через одну (широкие на секторах с газом, а узкие на секторах без газа), а также оптопара, которая обеспечивает формирование синхросигнала. Так как пировидикон дает отклик только на изменение потока, то между парами прозрачных секторов на диске дополнительно расположены непрозрачные зоны для того, чтобы обеспечить перепад потока излучения при формировании кадра. Благодаря тому, что оптический фильтр выделяет спектральную область поглощения измеряемого газа, а коммутатор обеспечивает на каждый кадр, сформированный в видеокамере, пропускание светового потока то через заданный слой газа и атмосферу, то через атмосферу, в памяти компьютера записываются два кадра, несущие информацию об изображении подстилающей поверхности и о распределении измеряемого газа. Полученные пары кадров компьютер обрабатывает, как описано ниже, и полученную информацию выводит на экран дисплея. Во время обработки двух кадров, пока компьютер не воспринимает остальные кадры, их записывают на видеомагнитофон или иной накопитель 8. В дальнейшем эти кадры могут быть обработаны для получения более полной информации. Для синхронизации работы ИК-видеокамеры, коммутатора, блока сопряжения и компьютера служит блок 9 синхронизации. Он обеспечивает по синхросигналу с второго выхода видеокамеры и сигналу с оптопары стабилизацию скорости вращения двигателя коммутатора. Сигнал с оптопары поступает также в блок сопряжения, где преобразуется в цифровую форму и затем подается в компьютер, где используется для идентификации кадров.

Для обработки поступающей в компьютер информации необходима калибровочная функция, которую предварительно определяют экспериментально P(dU, U), где dU - разность сигналов в точках с одинаковыми координатами i,j в двух соседних кадрах; U - уровень сигнала в точке кадра без газа в секторе; P - приведенный слой газа вне прибора на оптическом пути. При обработке пары кадров компьютер в первую очередь определяет превышает ли dU_i,j уровень шума. Если сигнал меньше шума, то на дисплей в данной точке выводят уровень черного. Если сигнал больше шума, то вычислив разность dU_i,j = U_i,j - U_гij (где U_гi,j - уровень сигнала, когда на оптическом пути установлен сектор с газом) компьютер по калибровочной функции определяет P_i,j.

На экране дисплея информацию о наличии или отсутствии газа компьютер отображает разными цветами палитры. Например, при отсутствии газа уровень сигнала отображают зеленым либо синим цветом разной насыщенности, а при наличии газа - цветами от желтого до красного. Таким образом на экране дисплея формируется изображение поверхности, снятое в ИК области спектра и изображение шлейфа газа.

При обследовании трассы скорость воздушного судна может быть от 30 до 90 м/с. Если высота полета при этом 300 м, а угол зрения прибора 45^o, то когда время обработки пары кадров в пределах 1 с, соседние по времени кадры на дисплее перекрывают друг друга на подстилающей поверхности в пределах от 70 до 90%. Таким образом, обеспечивается непрерывный контроль трассы в реальном масштабе времени. Если на отдельных участках трассы отношение сигнал/шум было недостаточно, то обрабатывают информацию, записанную на видеомагнитофон. При этом суммируются накладывающиеся друг на друга строки соседних кадров, что позволяет увеличить отношение сигнал/шум.

Зная скорость ветра в момент съемки определяют мощность утечки. Для этого вычисляют интегральное содержание измеряемого газа в сечении шлейфа, перпендикулярном направлению ветра по информации, записанной в компьютер.

Аналогичным образом предлагаемый прибор позволяет решать задачи экологического контроля. По широкомасштабным снимкам с воздуха промышленных зон можно выявить источники загрязняющих атмосферу выбросов и дать количественные оценки.

В результате, благодаря сопряжению ИК-видеокамеры с компактным высокопроизводительным компьютером, оптической схемой, обеспечивающей двойную фильтрацию оптического сигнала с получением двух совместно обрабатываемых кадров, удалось создать прибор, обеспечивающий наряду с получением изображения облака газа на фоне подстилающей поверхности, практически стопроцентную избирательность, т.е. реакцию только на измеряемый газ.

В настоящее время на приборе отрабатывается методика обследования экологически неблагополучных зон.

Литература.

Крискунов Л.З., Рабышко В.А., Пириконы. - Киев.: Техника, 1984.

Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC. /Под ред. У. Томпкинса и Дж. Уэстера. - М.: Мир, 1992.

Изобретение предназначено для дистанционного измерения содержания и определения пространственного распределения различных газов в атмосфере. Газоанализатор включает оптический коммутатор, обеспечивающий прохождение излучения через слой измеряемого газа и атмосферу, оптический фильтр и ИК-камеру, установленные на одной оптической оси, вычислительное устройство в виде компьютера с дисплеем, блок сопряжения ИК-камеры и вычислительного устройства, накопитель информации, блок синхронизации, при этом первый выход ИК-камеры соединен с накопителем информации и с первым входом блока сопряжения, выход блока сопряжения соединен с входом компьютера, второй выход ИК-жамеры соединен с первым входом блока синхронизации, выход которого соединен с входом коммутатора, который соединен с вторым входом блока сопряжения и с вторым входом блока синхронизации. Газоанализатор обеспечивает получение изображения облака газа (в виде изоконцентрационных линий) на фоне изображения подстилающей поверхности в ИК области спектра с высокой степенью избирательности, т.е. реакцией только на измеряемый газ. Работа прибора возможна с борта любого летательного аппарата, а также в наземном варианте. 1 ил.

Панорамный газоанализатор, включающий устройство для формирования изображения в инфракрасной области спектра и преобразования его в электрический сигнал (ИК-камеру), блок синхронизации и накопитель информации, отличающийся тем, что в нем дополнительно установлены оптический коммутатор с оптическим фильтром, обеспечивающий прохождение излучения через слой измеряемого газа и атмосферы и атмосферу, вычислительное устройство, блок сопряжения ИК-камеры и вычислительного устройства, при этом оптический коммутатор установлен на оптической оси перед оптическим фильтром, вычислительное устройство выполнено в виде компьютера с дисплеем, блок сопряжения на основе АЦП, причем первый выход ИК-камеры соединен с накопителем информации и с первым входом блока сопряжения, выход блока сопряжения соединен с входом компьютера, второй выход ИК-камеры соединен с первым входом блока синхронизации, выход которого соединен с входом оптического коммутатора, который соединен с вторыми входами блока сопряжения и блока синхронизации.