Способ дистанционного измерения концентрации газов в атмосфере Российский патент 2019 года по МПК G01N21/61 F17D5/02 

МПК: G01N 21/31

Способ дистанционного измерения концентрации газов в атмосфере

Область техники, к которой относится изобретение

Техническое решение относится к области способов и систем обеспечения безопасности при транспортировке и хранении газа. Основное применение дистанционное измерение концентрации различных газов в атмосфере. Основное предназначение: детектирование метана с целью обнаружения утечек природного газа из газопроводов высокого и низкого давления и других природных и промышленных источников метана. Способ может использоваться на открытых газовых площадках газокомпрессорных станций, терминалов сжиженного газа и т.п.

Уровень техники

В последние 20 лет декларируется о создании ряда приборов для обнаружения утечек газа с борта вертолета, часть приборов существует только в виде проектов. Остальные приборы не удовлетворяют потребителей по совокупности следующих параметров: точность и оперативность определения мест утечек и их интенсивности, динамический диапазон по интенсивности утечек, максимальная дальность обнаружения, отсутствие ложных результатов, независимость результатов от погодных условий, быстродействие, надежность и удобство в работе, габариты и вес, удобство при установке прибора на борт и его настройке, соотношение цена/качество. В результате компании, осуществляющие транспортировку природного газа, до сих пор не имеют необходимых дистанционных мобильных средств контроля утечек газа.

Из уровня техники известно множество газоанализаторов, например: патент Великобритании N 2237637, кл. G 01 N 21/61, 21/31, 1991. [1]; патент США 5130544, кл. G 01 N 21/61, 1991.[2]; Applied Optics 38, 7342 – 7354 (1999).[3], в которых измерения производятся внутри оптической кюветы. При этом используются как закрытые кюветы, в которых исследуемая газовая смесь прокачивается через кювету, так и открытые – для локальных измерений концентрации газа (метана) в воздухе. Такие газоанализаторы устанавливались на различные летательные аппараты (самолеты, вертолеты, стратостаты) для измерения концентрации метана в воздухе. При этом чувствительность измерений оказывалась достаточно высокой, особенно при использовании многопроходных кювет, как за счет большой длины оптического пути, так и за счет стабильности условий измерений. Такие приборы очень эффективны при измерениях распределения концентрации различных газов (метана) на различных высотах, в разных частях Земли [3]. Были также попытки применения таких приборов для детектирования утечек природного газа из трубопроводов, так как при высокой чувствительности измерений обнаружение утечки может производиться при значительном удалении от нее (до 100 м). Однако принципиальным недостатком таких устройств являются низкая точность определения места утечки и большое количество ложных результатов, так как незначительные превышения (на 10%) фоновой концентрации метана в воздухе может быть обусловлено различными факторами, не связанными с утечкой газа из газопроводов.

Множество различных типов приборов вертолетного или автомобильного (вездеходного) базирования непосредственно обследуют место утечки или место в непосредственной близости от утечки с некоторого расстояния (20 – 200 м). Эти приборы относятся к классу дистанционных и основаны на различных принципах действия. Они позволяют локализовать место утечки с гораздо большей точностью. К такому же типу приборов относится и представляемое устройство. Из других типов дистанционных детекторов утечек газа можно выделить четыре типа приборов, различающихся по принципу действия.

В качестве дистанционного детектора утечек газа используются различные ИнфраКрасные (ИК) камеры, установленные на борт вертолета, например: RU 2115109 C16G21/61, 1994 [4]. Тепловая аэросъемка в гидрогеологии и инженерной геологии / Под ред. Г.С.Выдрицкого. Л., 1986 [5]. При этом способе детектирования получают инфракрасное изображение поверхности Земли и различных объектов вдоль трубопровода в течение полета вертолета. Принцип действия данного способа детектирования основан на том, что при истечении газа из трубы (или другой емкости) с более высоким давлением в атмосферу через относительно небольшое отверстие, скорость потока газа оказывается достаточно высокой, что приводит к дроссельному эффекту и некоторая область пространства в окрестности утечки охлаждается. При расположении трубопровода на поверхности Земли утечка газа приведет к охлаждению некоторого участка трубы, а при подземном расположении – к охлаждению участка земли в окрестности утечки. Величина разности температур ΔT при дроссельном эффекте пропорциональна разности давлений ΔP в трубе и в окружающей среде:ΔT = K*ΔP, где K – константа, равная для метана 0,33 град/атм [6]. При давлении в магистральных газопроводах более 50 атм, максимальное охлаждение может достигать 20 град. Это приводит к уменьшению интенсивности теплового излучения охлажденных участков, что и может быть зарегистрировано ИК камерой. Однако величина охлаждения участков трубы или почвы в окрестности утечки существенно зависит также и от условий теплообмена. В частности, при наружном расположении утечки металл – материал трубы обладает достаточно высокой теплопроводностью, что приводит к «размыванию» места охлаждения на большое расстояние, в результате чего регистрируемый градиент температуры существенно уменьшается. При подземном же расположении утечки охлаждению подвергается значительный объем почвы, и охлаждение поверхностного слоя почвы значительно уменьшается. Приток энергии, уменьшающий градиент температуры, происходит не только за счет теплопроводности трубопровода и почвы, но и за счет конвекционных потоков и ветра в приземном слое атмосферы. В результате максимальный регистрируемый градиент температуры в окрестности утечки оказывается ~ 10 град, а при незначительных утечках – менее 1 град. Чувствительность современных ИК камер менее 0,1 град, и, казалось бы, утечка газа легко может быть зарегистрирована. Однако при регистрации утечки ИК камерой существует множество внешних факторов, существенно уменьшающих точность и достоверность результатов. Во-первых, растительность (трава, кустарник, деревья), которые в первую очередь попадают в поле зрения ИК камеры, охлаждаются значительно меньше, чем почва. Во-вторых, получаемый результат по величине охлаждения существенно зависит от погодных условий (ветер, влажность, температура земли и воздуха) и от типа почвы. В-третьих, ИК изображение участка Земли зависит не только от теплового излучения данного участка, но и от рассеянного солнечного излучения, которое существенно различается в освещенных и затененных местах. Это приводит к значительному числу ложных результатов, а при увеличении порога срабатывания – к уменьшению чувствительности регистрации утечек.

Наблюдение окрестности трубопровода при помощи ИК камер относится к пассивному способу регистрации утечек. Гораздо эффективнее активные дистанционные способы регистрации, при которых, поверхность Земли зондируется различными источниками света и исследуется получаемый отклик. В качестве таких источников используются различные лазеры, излучение которых напрямую взаимодействует с молекулами газа (метана) и получаемый отклик зависит от концентрации газа.

Наибольшую достоверность регистрации утечек дают газоанализаторы, работающие по методу комбинационного рассеяния. Они включают в себя лазер, систему вывода лазерного излучения, приемный оптический тракт, фотоприемник, систему обработки и записи данных : Лидарные комплексы: современное состояние и перспективы. Оптика атмосферы. 1988, т.1, N 18, с. 3 – 12.[7]; RU 2036372 C1 6 F17D 5/02, 1992. [8]; RU 2022251 C1 5 G01 N 21/61, 1991 [9].

Принцип действия данных приборов основан на том, что лазерное излучение, взаимодействуя с молекулой, возбуждает ее электронную подсистему, которая в процессе релаксации излучает на собственных колебательных частотах. Это излучение называется вынужденным комбинационным рассеянием и регистрируется приемной системой прибора.

Как правило, приемная система включает в себя спектрометр, дающий возможность регистрировать только вынужденное излучение метана. Таким образом, по интенсивности зарегистрированного излучения осуществляется прямое измерение количества молекул на оптическом пути от прибора до поверхности Земли. Существенное достоинство данного метода заключается в том, что никакие внешние условия измерений не влияют на получаемые результаты. Но такой тип прибора также имеет недостатки, существенно ограничивающие его применение. Во-первых, для комбинационного рассеяния света необходимы мощные коротковолновые (меньше 1 мкм) лазеры с мощностью до 3 кВт/см² [8]. Это требует достаточно громоздкой аппаратуры с высоким уровнем электропотребления, излучение такого лазера очень опасно для глаз. Такие лазеры, как правило, функционируют в импульсном режиме с относительно малой частотой повторения импульсов, что ограничивает быстродействие прибора. Во-вторых, сечение комбинационного рассеяния относительно невелико и составляет для метана ~10^-29 см² (для сравнения - сечение поглощения света метаном в ближнем ИК диапазоне в центре линий поглощения ~10^-20 см², а в среднем ИК – 10^-18 – 10^-19 см²). В результате интенсивность комбинационного рассеяния относительно невелика, и даже при использовании громоздкой приемной системы чувствительность таких приборов относительно невелика.

Лазерные газоанализаторы, использующие абсорбционные свойства газов, обладают большей чувствительностью и быстродействием. Существуют ряд таких приборов вертолетного базирования для детектирования утечек газа, в которых излучение лазера направляется на участок земли вблизи газопровода, рассеянное излучение принимается, и по анализу получаемого с фотоприемника сигнала вычисляется средняя концентрация метана на оптическом пути от вертолета до земли.

Для детектирования метана традиционно используются гелий-неоновые лазеры, длина волны излучения которых 3,3922 мкм совпадает с центром одной из достаточно сильных линий P7 поглощения метана: лазерные абсорбционные методы анализа микроконцентрации газов. – М.: Энергоиздат, 1984.[10]; RU 2017138 C1 5 G01 N 21/61, 21/39, 1990.[11]; RU 2029287 C1 6 G01 [12]. Однако излучение лазера только на одной длине волны недостаточно для получения достоверных результатов особенно в полевых условиях, так как ослабление излучения лазера может быть вызвано не только поглощением метана, а также многими другими факторами, прежде всего изменением коэффициента отражения света от разных топографических объектов в течение полета вертолета. Более эффективен дифференциальный метод, в котором используется два гелий-неоновых лазера, излучающих на длинах волн 3,3922 мкм и 3,3912 мкм [11, 12], причем поглощение метана на второй длине волны в 20 раз меньше, чем на первой. Оптическая схема вывода излучения в этих приборах сделана таким образом, что оба лазера освещают участок поверхности Земли поочередно с минимальной задержкой по времени. При обработке принятого сигнала вычисляется разность амплитуд сигнала в промежутки времени, соответствующие излучению различных лазеров. Эта разность пропорциональна средней концентрации метана на длине оптического пути. Разница коэффициентов поглощения для двух длин волн, вызванная фоновой концентрацией метана в воздухе на длине оптического пути 100 м, составляет 15%. Такая разность сигналов достаточно легко детектируется, и чувствительность и точность измерений, казалось бы, должны быть достаточно высоки. Однако чувствительность и точность измерений ограничиваются другими факторами. Прежде всего, излучение лазеров в сторону поверхности Земли разнесены по времени, а коэффициент отражения света типичными топографическими объектами (песок, глина, трава, листва, снег) варьируется в пределах 15%. Поэтому для получения достаточной чувствительности и точности измерений необходимо уменьшать промежуток времени между излучениями различных лазеров до 1 мсек и ниже, что усложняет оптическую систему вывода излучения. Другой способ – расфокусировка выходного лазерного пучка для усреднения коэффициента отражения по большей площади, но при этом снижается точность определения места утечки. Другой фактор ограничения точности измерений – несинхронные вариации мощностей излучения лазеров (дрейф и шум). Наиболее существенным недостатком таких приборов является крайне низкий динамический диапазон детектируемых концентраций. Превышение средней концентрации метана над фоновой всего в 10 раз приводит к уменьшению принимаемого сигнала на длине волны до нуля, и дифференциальный метод перестает работать. Для того чтобы обойти эту проблему в [12] предлагается измерять поглощение только на длине волны 3,3912 мкм в случае зануления сигнала на длине волны 3,3922 мкм. Однако в этом случае получается недифференциальный метод измерений с указанными выше недостатками. В [11] предлагается при насыщении поглощения на длине волны 3,3922 мкм делать повторные измерения в данном месте утечки после перестройки излучения одного из лазеров на другую длину волны с гораздо меньшим коэффициентом поглощения метаном. Это снижает оперативность измерений и усложняет конструкцию прибора. При этом динамический диапазон измеряемых концентраций увеличивается всего в 10 – 50 раз, а как было справедливо замечено в [13], он должен быть не менее 10⁵. Следует также заметить, что общим недостатком приборов на гелий-неоновых лазерах являются ненадежность и ограниченный срок службы газовых лазеров в полевых условиях.

Из уровня техники также известны газоанализаторы: RU 2086959 C1 6 G01 N 21/39, 21/61, 1995.[13]; RU 2091759 C1 6 G01 N 21/39, 1995.[14]. В данных газоанализаторах предлагается другой тип лазерного газоанализатора, в котором используется импульсно-периодический твердотельный Nd:YAG лазер, излучающий на длине волны 1,06 мкм.

Далее при помощи нелинейного кристалла LiNbO₃ длина волны излучения перестраивается в диапазон 3,1 – 3,6 мкм, где метан имеет множество сильных и слабых линий поглощения. Конкретное значение длины волны задается углом поворота нелинейного кристалла, осуществляемого при помощи электромеханического блока, и блоком селекции длин волн. Из-за относительно малого коэффициента нелинейного преобразования, для получения выходной мощности излучения, приемлемой для детектирования утечек метана, необходим мощный Nd:YAG лазер накачки. Поэтому лазер накачки является достаточно сложным техническим устройством, включающим в себя мощный блок питания, блок охлаждения, блок управления затвором внутри резонатора лазера для обеспечения режима генерации гигантских импульсов. Для формирования дифференциального режима детектирования метана в приборе используется два лазера накачки и два блока нелинейного преобразователя длины волны, настраиваемых независимо на разные длины волн из диапазона 3,1 мкм – 3,6 мкм. Блок вывода излучения и блок временной задержки обеспечивают поочередное облучение поверхности Земли в окрестности трубопровода излучением на двух длинах волн. Далее, как и в газоанализаторах на гелий-неоновых лазерах, рассеянное излучение попадает в приемную систему прибора, и поглощение метана вычисляется из разности получаемых сигналов для двух разных длин волн. По сравнению с детекторами метана на гелий-неоновых лазерах данный прибор [14] имеет значительное преимущество в том, что две длины волны излучения могут быть выбраны любыми из диапазона 3,1 – 3,6 мкм при помощи электромеханического блока перестройки длины волны и специального блока калибровки. Таким образом, существенно увеличивается динамический диапазон измеряемых концентраций, который достигает необходимой величины 5*10⁵ (от уровня фоновой концентрации метана до взрывоопасной). Кроме того, возникает возможность детектирования не только метана, но и других углеводородов (этан, пропан, бутан), которые имеют линии поглощения в диапазоне перестройки частоты. Это позволяет детектировать не только утечки из газопроводов с природным газом, но также и утечки из других продуктопроводов, в частности ШФЛУ (широких фракций легких углеводородов). Кроме того, прибор оборудован специальной системой пространственного сканирования для зондирования относительно широкой полосы поверхности Земли в течение полета вертолета. Также прибор дополнительно укомплектован ИК камерой для независимого детектирования утечек газа. Следует заметить, что целесообразность дополнительного использования ИК камеры для количественного анализа достаточно сомнительна, так как лазерный газоанализатор должен обеспечивать гораздо лучшие параметры детектирования. Данное техническое решение [14] наиболее близко к заявляемому лазерному газоанализатору.

Из уровня техники известен Дистанционный детектор утечек метана (RMLD)

Назначение: С помощью дистанционного детектора утечек метана (RMLD), представляющего собой (они лет 20 не меняли дизайн) техническое решение компании Heath Consultants, возможно обнаружение утечек метана на расстоянии. Прибор RMLD – первый прибор нового поколения, разработанный для обнаружения утечек метана, который позволяет значительно повысить результативность и безопасность инспектирования. Используя прибор RMLD, становится возможным проводить работы даже в труднодоступных и труднопроходимых местах. Принцип работы лазерного детектора RMLD основан на лазерной технологии, представляющей собой оптический метод абсорбционной спектроскопии перенастраиваемого диодного лазера (см. ниже раздел 7). При прохождении лазерным лучом струи газа, метан поглощает часть энергии излучения, что незамедлительно улавливается прибором RMLD. Данная технология позволяет обнаруживать утечки дистанционно по линии визирования, не делая необходимой процедуру помещения прибора в место утечки.

Также из уровня техники известен лазерный детектор LaserMethane mini. Лазерный детектор LaserMethane mini (LMm), портативный переносной прибор, предназначен для дистанционного детектирования метана, а также других газовых смесей, содержащих метан (природный газ или подобные газы). Он позволяет быстро детектировать утечки газов или накопившиеся объемы газов путем наведения лазерного луча на интересующую область. Характеристики LMm значительно улучшены по сравнению с предыдущей моделью – теперь прибор имеет искробезопасное исполнение, небольшие размеры, меньшую потребляемую мощность, обеспечивающую более длительное время работы, и расширенный диапазон рабочих температур. Принцип измерения основан на свойстве метана поглощать инфракрасное излучение лазера на определенной длине волны. Лазерный луч, направленный на объекты контроля (например, газовые трубы, потолок и т.п.), частично отражается. Устройство принимает этот отраженный поток излучения и измеряет степень его поглощения, которая затем пересчитывается в приборе в плотность метана в зондируемом слое газа (ppm-м; ppm – parts per million "число частей на миллион").

Из уровня техники также известен инфракрасный детектор с открытым оптическим трактом Searchline Excel (Honeywell International Inc.). Датчики Searchline предназначены для обнаружения наличия углеводородного облака и предотвращения образования взрывоопасных концентраций в открытом пространстве между излучателем и приемником инфракрасного излучения. Аналоговый выходной сигнал, пропорциональный фактической концентрации углеводородов в объеме воздуха между излучателем и приемником, измеряется в единицах: НПВ х м, указывающих уровень потенциальной опасности. Система управления может далее отключать опасный объект, форсировать работу системы вентиляции и т.д. Области применения: нефтехимия и химия, водоподготовка и водоочистка, производство полупроводников и т.д.

Наиболее близким аналогом заявленного технического решения является дистанционный датчик и способ для обнаружения метана (RU 137373, G01J, опубл. 10.02.2014). Дистанционный датчик метана, содержащий лазерный диод, излучающий свет на длине волны, соответствующей полосе поглощения метана, оптический детектор, принимающий и измеряющий часть лазерного излучения обратно отраженного от удаленной мишени и прошедшего через облако детектируемого газа; плату обработки сигнала, соединенную с оптическим детектором, процессорный модуль, соединенный с платой обработки сигнала, отличающийся тем, что дополнительно содержит передающий объектив с системой зеркал, соединенный с оптоволоконным делителем, который соединен с лазерным диодом с помощью оптического волокна, приемный объектив, собирающий сигнал обратно отраженный от удаленной мишени и прошедший через облако детектируемого газа, и фокусирующий сигнал на приемную площадку оптического детектора, многопроходную ячейку, пропускающую другую часть лазерного излучения, отделенную посредством оптоволоконного делителя и введенную коллиматором в многопроходную ячейку, и далее принимаемую вторым оптическим детектором, при этом коллиматор и второй оптический детектор установлены на противоположных сторонах многопроходной ячейки, а насос установлен на выходе многопроходной ячейки, одновременно покачивающий через нее за счет создаваемого разряжения детектируемый газ, поступающий из пробоотборника, расположенного на входе многопроходной ячейки.

Также близким аналогом заявленного технического решения является мобильное устройство и способ для дистанционного обнаружения скоплений газообразного метана. (RU 2333473, G01N21/31, опубл. 27.05.2007). Сущность: заключается в том, что мобильное устройство для дистанционного обнаружения скоплений газообразного метана содержит передающее устройство, снабженное источником света для генерирования света, длина волны которого согласована со спектральной сигнатурой метана, и выполненное с возможностью направления генерируемого света в зону измерения, детекторное устройство для детектирования отраженного света и устройство обработки сигналов, при этом источник света излучает свет с длиной волны, на которой метан поглощает, причем эта длина волны находится в интервале от 3200 до 3300 нм, а в состав источника света включен оптический параметрический генератор, возбуждаемый инжекцией сигнала и связанный с лазером накачки. Технический результат: обеспечение высокой чувствительности измерений.

Из уровня техники известен газоанализатор дистанционного измерения концентрации метана на основе диодного лазера ближнего ИК диапазона и выносного оптоволоконного датчика. (Ахмедов Э.Р., Понуровский Я.Я. «Газоанализатор дистанционного измерения концентрации метана на основе диодного лазера ближнего ИК диапазона и выносного оптоволоконного датчика», Вестник МГТУ МИРЭА 2015 № 2 (7) 6 Москва, Россия.) Газоанализатор предназначен для детектирования метана методом абсорбционной спектроскопии с использованием диодного лазера ближнего ИК диапазона и выносного датчика-однопроходной оптической кюветы длины 50 мм с волоконным входом и выходом излучения удаленностью более 50 км. Детектор может быть использован для дистанционного измерения концентрации газообразных веществ, в том числе метана в нефтяной, газовой промышленности, в электроэнергетике и так далее. Особо значительный эффект может быть получен от его использования при добыче и транспортировке нефти и газа.

Сущность заявленного изобретения

Задачей, решаемой заявленным техническим решением является решения проблемы по отсутствию автоматизированных систем мониторинга для обнаружения мест утечек на открытой территории. Задачей является создание системы дистанционного мониторинга утечек метана, которая позволить своевременно отреагировать, перекрыть утечку и тем самым снизить технологические потери природного газа, и предупредить.

Технический результат заявленного технического решения заключается в своевременном обнаружении утечек метана.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что cпособ дистанционного измерения концентрации газов в атмосфере, в котором: в режиме реального времени осуществляют автоматическое измерение и сбор данных концентрации газов в атмосфере посредством дистанционного газоанализатора, установленного на летательном аппарате, при этом дистанционный газоанализатор содержит: оптический блок, и средства обработки данных, при этом оптический блок включает лазерный модуль, аналитический канал, объектив (2), зеркало (5) аналитического канала, оптический фильтр (10), фотоприёмник (6) аналитического сигнала и реперный канал, в котором часть излучения лазера (1) проходит через кювету (8) с детектируемым газом и фокусируется на фотоприемнике (9) реперного канала, а часть излучения, рассеянного объектом, попадает на параболическое зеркало (5) и фокусируется на фотоприемник (6), проходя через оптический фильтр (10); дистанционный газоанализатор автоматизирован при помощи средства обработки данных, соединенных с компонентами оптического блока дистанционного газоанализатора посредством многофункциональной цифровой платы, включающей в себя аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и двух цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) и аналогового интерфейсного модуля, при этом диодным лазером управляют посредством цифро-аналогового преобразователя на многофункциональной цифровой плате оптически сопряженном через блок вывода излучения, их входа АЦП подают усиленные сигналы с фотоприемников аналитического A(t) и реперного R(t) каналов, при этом упомянутые сигналы обрабатывают в режиме реального времени для вычисления средней концентрации выбранного газа на трассе от прибора до поверхности Земли, при этом обработка упомянутых сигналов включает этапы на которых: определяют кросскорреляционную функцию F(z) = ∫ A(t)*R(t+z)dt;определяют автокорреляционную функцию сигнала реперного канала: G(z) = ∫ R(t)*R(t+z)dt; осуществляют фильтрации шума упомянутого сигнала в аналитическом канале используя значения данных функций, определяют коэффициент кросскорреляции в зависимости от значений F(z) и G(z) и определяют концентрацию газа в аналитическом канале в зависимости от коэффициента кросскорреляции, C₀ – концентрация газа в реперной кювете, L, L₀ – длины оптического пути в аналитическом и реперном каналах соответственно; затем производят одновременное детектирование по различным линиям поглощения с обеспечением широкого динамического диапазона измеряемых концентраций газа в приземном слое атмосферы, при этом определяют величину утечки газа вдоль длины оптического пути от прибора до топографического объекта при учете скорости и направления ветра, при этом результаты измерений выводят на экран монитора в режиме реального времени в течение полета летательного аппарата и одновременно записывают в память компьютера для послеполетной обработки.

В частном случае реализации заявленного технического решения используют лазерный модуль, основанный на перестраиваемом диодном лазере ближнего инфракрасного диапазона, излучающего в окрестности длины волны 1,65 мкм, функционирующим в импульсном режиме с малой скважностью со сканированием длины волны излучения в течение каждого импульса.

В частном случае реализации заявленного технического решения частоту излучения диодного лазера перестраивают в диапазоне до 100 см^-1 по волновому числу, при этом изменяют и стабилизируют температуру диодного лазера.

В частном случае реализации заявленного технического решения изменяют величину питающего тока диодного лазера и осуществляют сканирование в пределах до 5 см^-1.

В частном случае реализации заявленного технического решения детектирование метана производят каждые 1,33 мсек.

В частном случае реализации заявленного технического решения детектируют газы, имеющие линии поглощения в диапазоне температурной перестройки длины волны излучения диодного лазера

В частном случае реализации заявленного технического решения газы, имеющие близкорасположенные линии поглощения в пределах токового сканирования длины волны излучения, детектируются одновременно, в частности, это возможно для таких газов, как метан и этан.

В частном случае реализации заявленного технического решения измеряют пространственное распределение детектируемого газа в окрестности места утечки, при этом измеряют текущие координаты при помощи прибора спутниковой системы глобального позиционирования GPS и обрабатывают данные GPS в программе управления, вычисляют траекторию полета вертолета с синхронной регистрацией концентрации детектируемого газа.

В частном случае реализации заявленного технического решения перенастраивают прибор на детектирование других газов, имеющих линии поглощения в ближнем ИК диапазоне, таких как пропан, аммиак, окислы азота, окислы углерода, летучие кислоты, кислород, вода, при этом заменяют диодный лазер на аналогичный по конструкции, но излучающий на другой длине волны, и заменяют программные параметров управления излучением лазера.

Краткое описание чертежей

Детали, признаки, а также преимущества настоящего технического решения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного изобретения с использованием чертежей, на которых показано:

Фиг. 1 – схематический сборочный чертеж оптической части дистанционного газоанализатора;

Фиг.2 – оптическая схема измерений на дистанционном газоанализаторе;

Фиг.3 – форма последовательности импульсов тока, управляющих излучением диодного лазера;

Фиг.4 – спектр поглощения метана в окрестности длины волны 1,65 мкм.

Фиг.5 – спектр поглощения метана в линейном (а) и в логарифмическом (б) масштабе в окрестности линии R5 (1,65095 мкм), измеренный при следующих условиях: концентрация метана – фоновая в атмосфере, длина оптического пути – 100 м.

Фиг.6 – блок-схема электроники дистанционного газоанализатора.

На фигурах цифрами обозначены следующие позиции:

1 – диодный лазер; 2 – объектив; 3 – светоотделитель; 4 – топографический объект; 5 – параболическое зеркало; 6 – фотоприемник аналитического канала; 7 – линза; 8 – кювета с детектируемым газом; 9 – фотоприемник реперного канала; 10 – оптический фильтр; 11 – мультиплексор; 12 – программируемый усилитель; 13 – дизер; 14 – буферная память; 15 – компьютерная шина; 16 – программа управления; 17 – источник тока лазера; 18 – источник тока термоэлектрического элемента; 19 – преобразователь сопротивления термистора; 20 – прибор GPS; 21 – последовательный порт компьютера.

Раскрытие изобретения

Заявленный способ дистанционного измерения концентрации газов в атмосфере реализован посредством устройства дистанционного измерения концентрации газов, основанного на ДЛ (диодном лазере) ближнего ИК (инфракрасного диапазона) диапазона, излучающего в окрестности длины волны 1,65 мкм, По сравнению со многими другими типами лазеров, в том числе и по сравнению с лазером известного технического решения [14] ДЛ имеют значительные преимущества по совокупности свойств.

Во-первых, частота излучения ДЛ легко перестраивается в достаточно широком диапазоне (до 100 см^-1 по волновому числу) при помощи изменения и стабилизации температуры ДЛ и также может быстро сканироваться в пределах до 5 см^-1 при помощи изменения питающего его тока. Таким образом, операции выбора длины волны излучения и ее сканирования обеспечиваются в заявляемом газоанализаторе гораздо более простым и экономичным способом, чем в известном техническом решении [14].

Во-вторых, ДЛ миниатюрны по своим размерам, что немаловажно при создании компактных газоанализаторов.

В-третьих, многие типы ДЛ выпускаются массовым тиражом в стандартном корпусе, и число этих типов непрерывно увеличивается, это позволяет создавать универсальные газоанализаторы со сменными лазерными блоками на различные молекулярные объекты.

В-четвертых, энергопотребление ДЛ относительно мало: для стабилизации температуры ДЛ требуется не более 2 Вт мощности, а из-за высокого КПД преобразования (30 – 80%) само излучение лазера добавляет относительно малую долю энергопотребления.

В качестве источника излучения в приборе используют Диодный Лазер (ДЛ), излучающий на длине волны вблизи 1,65 мкм, где метан имеет ряд относительно сильных (с сечением 10^-20 см²) и множество слабых линий поглощения.

Излучение диодного лазера (1) коллимируется объективом (2) и направляется на какой-либо топографический объект (4), расположенный на достаточно большом расстоянии, таким образом, чтобы оптическая ось приемного канала была направлена в сторону объекта, в окрестности которого предполагается проводить измерения.

Диодный лазер (в дальнейшем ДЛ) излучает в импульсном режиме с длительностью импульсов 300 мксек на длине волны 1,65 мкм. Излучение лазера отражается топографическим объектом (земля, трава, лес, и т.д.), попадает на приемное зеркало и фокусируется на фотоприемник (ФП).

Дистанционный газоанализатор состоит из оптического блока и компонентов электроники прибора. Оптический блок газоанализатора содержит лазерный модуль, объектив, зеркало аналитического канала, оптический фильтр, фотоприёмник аналитического сигнала и реперный канал. При этом в качестве источника излучения в детекторе используется диодный лазер, работающий в ближнем инфракрасном диапазоне со средней длиной волны 1,65 мкм, которая может изменяться в зависимости от температуры лазера и величины тока накачки. Лазерный модуль выполнен в корпусе стандарта TO-8, в котором ДЛ установлен на термоэлектрическом элементе, позволяющем изменять температуру лазера в диапазоне от -10⁰С до + 60⁰С. Максимальная мощность излучения лазера: 15 мВт. Оптический модуль прибора содержит объектив с максимальным пропусканием в ближней инфракрасной области спектра. При помощи данного объектива в детекторе формируется почти параллельный (слабо расходящийся) лазерный луч, имеющий диаметр 5 см на расстоянии 50 м.

Для фокусирования рассеянного лазерного излучения в приборе используется специальное короткофокусное параболическое зеркало аналитического канала, которое по сравнению со сферическим зеркалом, имеющим аналогичные параметры, вносит существенно меньше аберрационных искажений.

В качестве фотоприемника аналитического канала в аналитическом канале используется фотодиод на основе InGaAs в корпусе типа ТО-5 с диаметром фоточувствительной области 2 мм.

Для уменьшения влияния солнечной засветки, непосредственно перед фотоприемником аналитического канала установлен оптический фильтр, который позволяет уменьшать интенсивность солнечной засветки в 90 раз. Пропускание этого фильтра на рабочей длине волны составляет 90%.

Реперный канал содержит кювету, заполненную смесью метана (25%) и азота (75%) при атмосферном давлении и линзу, в фокусе которой расположен фотодиод InGaAs с диаметром фоточувствительной области 1 мм.

Оптический блок детектора также включает в себя реперный канал, в котором часть излучения лазера проходит через кювету с метаном и фокусируется на другом фотоприемнике. Часть излучения, рассеянного объектом (4), попадает на параболическое зеркало (5) и фокусируется на фотоприемник (6), проходя через оптический фильтр (10). Эти элементы образуют аналитический канал измерений. В реперный канал отводится часть (~10%) излучения диодного лазера при помощи светоделителя (3). Реперный канал включает в себя линзу (7), кювету (8) с метаном и фотоприемник (9).

Применение дополнительного реперного оптического канала, включающего в себя кювету с детектируемым газом, и режим быстрого сканирования длины волны излучения лазера позволяет применить такой способ подавления шумов при обработке данных, как фильтр кросскорреляционной функции сигналов основного и реперного каналов, что способствовало значительному увеличению чувствительности измерений.

Несмотря на то, что поглощение метана в средней ИК области спектра (3,1 – 3,6 мкм) примерно в 100 раз больше, чем в ближней ИК области около 1,65 мкм, в заявляемом устройстве используются ДЛ ближнего ИК диапазона. Для этого существует несколько причин. Прежде всего, чувствительность и уровень шумов используемых в заявляемом устройстве фотоприемников (типа InGaAs) в 100 раз лучше по сравнению с лучшими фотоприемниками из диапазона 3 – 4 мкм. Используемая в заявляемом устройстве приемная система обеспечивает уровень шумов 2 пВт (при усреднении за 0,5 сек). Это дает возможность производить измерения при меньшем уровне мощности излучения лазера. В устройстве используется ДЛ мощностью 15 мВт, при этом мощность излучения, попадающая на приемник в аналитическом канале, составляет примерно 15 нВт при коэффициенте рассеяния света около 0,25 (для песка, земли, травы, листвы) и при расстоянии до топографического объекта 50 м. Таким образом, минимальное измеряемое значение поглощения составляет 1,3*10^-4.

К достоинствам ДЛ ближнего ИК диапазона следует также отнести то, что они могут излучать как в непрерывном режиме, так и в импульсном вплоть до частот 10 МГц; это открывает широкие возможности по использованию различных режимов излучения. Также, для полевых измерений важно, что ИК диапазон 1 – 2 мкм является наиболее безопасным для глаз человека, в отличие от более коротковолновых лазеров и лазеров среднего ИК диапазона, используемых в известном техническом решении и в других лазерных газоанализаторах.

Применение перестраиваемого диодного лазера в качестве источника зондирующего излучения и используемая методика измерений позволяет проводить одновременное детектирование таких газов как метан и этан, а также перенастраивать прибор на детектирование других газов, имеющих линии поглощения в ближнем ИК диапазоне, таких как пропан, аммиак, окислы азота, окислы углерода, летучие кислоты, кислород, вода, при помощи замены диодного лазера на аналогичный по конструкции, но излучающий на другой длине волны, и замены программных параметров управления излучением лазера

В представляемом устройстве ДЛ установлен на термоэлектрическом нагревателе/охладителе, который позволяет изменять температуру лазера в диапазоне -10 + 60 ⁰С, что приводит к изменению длины волны излучения лазера в диапазоне 1,642 – 1,656 мкм. Для детектирования метана может быть выбрана, например, линия R5, центр которой находится на 1,65095 мкм. Для стабилизации температуры ДЛ используется термистор, находящийся в тепловом контакте с корпусом лазера. ДЛ в представляемом устройстве излучает в импульсном режиме с длительностью импульсов 1 мсек с промежутком между импульсами 0,33 мсек.

Импульсы тока, питающие лазер, изображены на Фиг. 3, они имеют трапециевидную форму. Это дает возможность осуществить сканирование частоты излучения ДЛ, например, в окрестности линии метана R5 в диапазоне около 5 см^-1 (по волновому числу).

Спектр поглощения метана в диапазоне в окрестности длины волны 1,65 мкм показан на Фиг. 4, а детальный спектр в окрестности линии R5 – на Фиг. 5. Из рисунка видно, что кроме линии R5 в данном диапазоне находится множество слабых линий поглощения метана. Это дает возможность производить измерения одновременно не только по линии R5 (при относительно малых концентрациях метана), но также по слабым линиям метана при достаточно больших концентрациях, когда поглощение на линии R5 насыщается.

Фоновая концентрация метана в атмосфере (1,6*10^-4%) приводит к поглощению 7*10^-3 в центре линии R5 на длине оптического пути 100 м (см. Фиг.5). В результате фоновая концентрация метана на высоте 50 м может быть измерена с отношением сигнал/шум 50 (при усреднении результатов за 0,5 сек). Максимальная концентрация метана в облаке утечки газа, которая может быть измерена по линии R5, составляет 0,04%. Более высокие значения концентраций (до 4%) измеряются одновременно при помощи слабой линии метана на длине волны 1,6501 мкм. Таким образом, динамический диапазон измеряемых концентраций составляет 10⁶ (при относительно медленных измерениях с усреднением за 0,5 сек) и 10⁵ (при быстрых измерениях за 50 мсек).

Необходимый динамический диапазон (от фоновой до взрывоопасной концентрации) достигается в представляемом устройстве без дополнительной настройки параметров излучателя, тогда как в известном техническом решении [14] необходимо перенастраивать частоту излучателя, что существенно снижает оперативность измерений.

Описанный способ измерения позволяет помимо метана детектировать и другие летучие углеводороды, имеющие линии поглощения в диапазоне температурной перестройки длины волны излучения диодного лазера. При этом ряд газов, имеющих близкорасположенные линии поглощения в пределах токового сканирования длины волны излучения, могут детектироваться одновременно, в частности, это возможно для таких газов, как метан и этан. Хотя в известном техническом решении [14] возможно детектирование других летучих углеводородов помимо метана, но отсутствует возможность их одновременного детектирования.

Детектирование метана может производиться каждые 1,33 мсек и по быстродействию заявляемое устройство существенно превосходит как известное техническое решение, так и другие известные дистанционные газоанализаторы. В реальных полевых измерениях такое быстродействие избыточно, поэтому в данном приборе производится усреднение и данные обрабатываются через 40 мсек и 0,5 сек (два режима усреднения – одновременно).

Электрическая блок-схема устройства представлена на Фиг. 6.

Прибор автоматизирован при помощи компьютера типа Note-book, который соединен с компонентами оптического блока (лазером и двумя фотоприемниками) посредством многофункциональной цифровой платы (включающей в себя набор аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и двух цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) и аналогового интерфейсного модуля. Управление прибором производится при помощи компьютерной программы, созданной в среде LabView.

Один ЦАП управляют током через лазер, другой - током через термоэлектрический элемент согласно описанной процедуре. Для преобразования управляющих напряжений с выхода обоих ЦАП в источники тока в составе интерфейсного аналогового модуля используются преобразователи-усилители (см. Фиг. 6).

Сопротивление термистора преобразуется в напряжение, подаваемое на один из входов АЦП. На два других входа АЦП подаются усиленные сигналы с фотоприемников аналитического A(t) и реперного R(t) каналов.

Программная обработка сигналов с фотоприемников включает в себя ряд математических процедур, включая вычисление кросскорреляционной функции:

F(z) = ∫ A(t)*R(t+z)dt

и автокорреляционной функции сигнала реперного канала:

G(z) = ∫ R(t)*R(t+z)dt

Значения данных функций используют для фильтрации шума упомянутого сигнала в аналитическом канале, используя в качестве фильтра форму линии метана в реперном канале, что существенно увеличивает точность и чувствительность измерений.

Далее вычисляется коэффициент кросскорреляции:

K = ∫ F(z)*G(z)dz/ ∫ G(z)*G(z)dz

и концентрация метана в аналитическом канале вычисляется по формуле:

C = K*C₀*L₀/L,

где C₀ – концентрация метана в реперной кювете, L, L₀ – длины оптического пути в аналитическом и реперном каналах соответственно.

Возможность использования кросскорреляционной функции существует в заявляемом устройстве благодаря выбранному режиму управления лазером с быстрым сканированием его длины волны излучения.

В известном же техническом решении [14] и в других лазерных газоанализаторах концентрация метана вычисляется из разности сигналов на двух длинах волн и данная математическая процедура увеличения точности измерений не применима. Применяемая в устройстве процедура кросскорреляции также обеспечивает существенно более высокую (чем в известном техническом решении) селективность измерений – прибор нечувствителен к искажениям сигнала и к другим газам помимо метана.

В результате обработки сигналов фотоприемников вычисляется концентрация метана вдоль длины оптического пути от прибора до топографического объекта. При утечке газа из трубопровода (или из других источников метана) образуется облако метана с неоднородным распределением концентрации метана. Характерные размеры облака и среднее значение концентрации метана в облаке зависят как от давления газа в трубе и диаметра отверстия, так и от направления и скорости ветра.

При помощи прибора спутниковой системы глобального позиционирования GPS, входящего в состав газоанализатора, можно измерять текущие координаты, которые считываются через последовательный порт компьютера и обрабатываются в программе. В результате вычисляется траектория полета вертолета с синхронной регистрацией концентрации метана. Используемый дополнительно прибор спутниковой системы глобального позиционирования GPS и обработка данных GPS в программе управления прибором позволяет измерять пространственное распределение детектируемого газа в окрестности места утечки.

При облете зарегистрированной утечки газа определяется пространственное распределение метана в окрестности места утечки, а координаты утечки газа фиксируются. Величина утечки далее вычисляется при учете скорости и направления ветра. Результаты измерений выводятся на экран монитора в режиме реального времени в течение полета вертолета и одновременно записываются в память компьютера для послеполетной обработки. Программа управления прибором и обработки данных работает в автоматическом режиме и не требует вмешательства оператора.

Устройство для осуществления способа организовано в виде двух независимых частей: оптического блока, устанавливаемого на вертолете, и электроники с компьютером типа Note-book, собранной в отдельном кейсе. Габариты оптического блока – 400х400х600 мм³, вес – 25 кг; габариты кейса-электроники – 500х400х200 мм³, вес – 10 кг. Таким образом, по сравнению с известным техническим решением прибор является гораздо более компактным и удобным при транспортировке и установке в вертолете. Суммарное энергопотребление заявляемого устройства от бортовой сети вертолета составляет 100 Вт, что значительно меньше, чем в известном техническом решении и в других известных дистанционных газоанализаторах.

Предлагаемое изобретение было реализовано на практике и прошло наземные испытания. Далее прибор устанавливался на вертолеты типа Ми-2 и К-26 как для проведения испытаний с демонстрационной искусственно-создаваемой утечкой, так и для реальных измерений. Результаты испытаний продемонстрировали работоспособность заявляемого устройства, как по составным частям, так и в целом.

Описанный способ измерения позволяет помимо метана детектировать и другие летучие углеводороды, имеющие линии поглощения в диапазоне температурной перестройки длины волны излучения диодного лазера. При этом ряд газов, имеющих близкорасположенные линии поглощения в пределах токового сканирования длины волны излучения, могут детектироваться одновременно, в частности, это возможно для таких газов, как метан и этан. Хотя в известном техническом решении [14] возможно детектирование других летучих углеводородов помимо метана, но отсутствует возможность их одновременного детектирования.

Детектирование метана может производиться каждые 1,33 мсек и по быстродействию заявляемое техническое решение существенно превосходит как известное техническое решение, так и другие известные дистанционные газоанализаторы. В реальных полевых измерениях такое быстродействие избыточно, поэтому в данном приборе производится усреднение и данные обрабатываются через 40 мсек и 0,5 сек (два режима усреднения – одновременно).

Изобретение относится к области обеспечения безопасности при транспортировке и хранении газа и касается способа дистанционного измерения концентрации газов в атмосфере. Измерения осуществляют дистанционным газоанализатором, содержащим оптический блок и средства обработки данных. Оптический блок включает в себя лазерный модуль с диодным лазером, аналитический и реперный каналы. При проведении измерений изменяя и стабилизируя температуру диодного лазера, перестраивают частоту излучения в диапазоне до 100 см^-1. Кроме того, изменяют величину питающего тока диодного лазера и осуществляют сканирование в пределах до 5 см^-1. Усиленные сигналы аналитического A(t) и реперного R(t) каналов обрабатывают в режиме реального времени. При этом определяют кросскорреляционную функцию F(z) и автокорреляционную функцию сигнала реперного канала: G(z), осуществляют фильтрации шума сигнала в аналитическом канале, используя значения данных функций, определяют коэффициент кросскорреляции в зависимости от значений F(z) и G(z) и определяют концентрацию газа в аналитическом канале в зависимости от коэффициента кросскорреляции, концентрации газа в реперной кювете и длины оптического пути в аналитическом и реперном каналах. Технический результат заключается в обеспечении возможности своевременного обнаружения утечки нескольких газов одновременно. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ дистанционного измерения концентрации газов в атмосфере, в котором

в режиме реального времени осуществляют автоматическое измерение и сбор данных концентрации газов в атмосфере посредством установленного на летательном аппарате дистанционного газоанализатора, содержащего оптический блок и средства обработки данных, при этом оптический блок включает лазерный модуль с диодным лазером, аналитический канал, объектив, зеркало аналитического канала, оптический фильтр, фотоприемник аналитического сигнала и реперный канал, в котором часть излучения лазера пропускают через кювету с детектируемым газом и фокусируют на фотоприемнике реперного канала, содержащем фотодиод, выполненный с диаметром фоточувствительной области в 1 мм, а часть излучения, рассеянного объектом, подают на параболическое зеркало и фокусируют через оптический фильтр на фотоприемнике, содержащем фотодиод, выполненный с диаметром фоточувствительной области в 2 мм, причем дистанционный газоанализатор автоматизирован при помощи средства обработки данных, соединенных с компонентами оптического блока дистанционного газоанализатора посредством многофункциональной цифровой платы, включающей в себя аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и два цифро-аналоговых преобразователя (ЦАП), и аналогового интерфейсного модуля,

изменяют и стабилизируют температуру диодного лазера, при этом перестраивают частоту излучения диодного лазера в диапазоне до 100 см^-1 по волновому числу,

изменяют величину питающего тока диодного лазера и осуществляют сканирование в пределах до 5 см^-1,

подают усиленные сигналы с фотоприемников аналитического A(t) и реперного R(t) каналов на входы АЦП, и обрабатывают сигналы в режиме реального времени, вычисляют среднюю концентрацию газа на трассе от прибора до поверхности Земли, при этом обработка упомянутых сигналов включает этапы, на которых:

определяют кросскорреляционную функцию F(z) = ∫ A(t)*R(t+z)dt; определяют автокорреляционную функцию сигнала реперного канала: G(z) = ∫ R(t)*R(t+z)dt; осуществляют фильтрации шума упомянутого сигнала в аналитическом канале, используя значения данных функций,

определяют коэффициент кросскорреляции в зависимости от значений F(z) и G(z) и определяют концентрацию газа в аналитическом канале в зависимости от коэффициента кросскорреляции, концентрации газа в реперной кювете, длины оптического пути в аналитическом и реперном каналах соответственно;

затем производят одновременное детектирование по различным линиям поглощения с обеспечением широкого динамического диапазона измеряемых концентраций газа в приземном слое атмосферы, при этом определяют величину утечки газа вдоль длины оптического пути от прибора до топографического объекта при учете скорости и направления ветра и результаты измерений выводят на экран монитора в режиме реального времени в течение полета летательного аппарата и одновременно записывают в память компьютера для послеполетной обработки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что детектирование осуществляют каждые 1,33 мсек.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют одновременное детектирование газов, имеющих близкорасположенные линии поглощения в пределах токового сканирования длины волны излучения.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что измеряют пространственное распределение детектируемого газа в окрестности места утечки, при этом измеряют текущие координаты при помощи прибора спутниковой системы глобального позиционирования GPS и обрабатывают данные GPS в программе управления, вычисляют траекторию полета летательного аппарата с синхронной регистрацией концентрации детектируемого газа.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что измеряют концентрацию в атмосфере газа этан и/или метан.