БЕСПИЛОТНЫЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО МОНИТОРИНГА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА Российский патент 2024 года по МПК B64U101/35 B64U10/00 

Изобретение относится к устройствам для экологического мониторинга и предназначено для дистанционных измерений параметров выбросов из источников загрязнения атмосферного воздуха.

Известен способ выявления зон загрязнений атмосферного воздуха (патент RU 2018156 С1, МГЖ G01W 1/00, опубл. 15.08.1994), заключающийся в том, что для оценки чистоты воздуха в населенных районах используют космическую инфракрасную съемку земной поверхности в спектральном диапазоне 0,8-0,9 мкм. Определяют координаты точек полученного изображения. Измеряют величины уровня яркости участков земной поверхности и обрабатывают результаты измерений. При обработке результатов измерений участки изображения квантуют по уровню яркости, окрашивают в условные цвета участки изображения различного оптического контраста и выделяют участки изображения земной поверхности с наиболее контрастными цветами по отношению к окружающим областям.

Среди недостатков данного способа можно выделить зависимость от дорогостоящего оборудования для проведения космических наблюдений и отсутствие возможности обнаружения конкретных источников загрязнения атмосферного воздуха для принятия адресных мер по предотвращению или снижению уровня загрязнений.

Известен способ комплексного мониторинга окружающей среды региона (патент RU 2778495 С1, МПК G01W 1/00, опубл. 22.08.2022 Бюл. №24), заключающийся в том, что формируют базы данных по характеристикам окружающей среды региона и правилам формализации результатов оценки состояния окружающей среды и ее изменений. Формируют на средствах контроля локальные базы данных, содержащие значения характеристик объектов контроля и единые правила формализации результатов оценки состояния. Измеряют в процессе мониторинга текущие значения характеристик объектов контроля дистанционными и контактными методами при сборе данных по каждому объекту контроля и осуществляют оценку изменения во времени показателей окружающей среды. Формируют на объектах контроля унифицированные протоколы, отображающие зафиксированные значения контролируемых характеристик, время формирования протокола. Передают по линиям связи сформированные протоколы в центр обработки и управления. Формируют в центре обработки данных объединенный протокол. Фиксируют по данным сформированных объединенных протоколов фактические значения характеристик окружающей среды, эмиссии и поглощения углекислого газа, направления их изменений и моментов времени формирования протоколов на объектах контроля. Проводят классификацию объектов окружающей среды как объектов кругооборота углекислого газа, а именно: техногенных источников выделения углекислого газа, техногенных источников поглощения углекислого газа, антропогенных и природных источников его поглощения и выделения. Включают в состав контролируемых характеристик окружающей среды региона содержание и кругооборот парниковых газов, преимущественно углекислого газа в атмосфере региона. Формируют по локальным базам данных объектов контроля для каждого природного и антропогенного источника поглощения и выделения углекислого газа суточную, сезонную и годичную модели кругооборота углекислого газа по результатам анализа показаний средств контроля и периодического контроля объема фитомассы и ее изменений. Формируют модели содержания углекислого газа и его изменения в атмосфере для объектов контроля и комплексную модель содержания углекислого газа и его изменения в атмосфере для региона по результатам измеренных характеристик объектов контроля, данным объединенных протоколов и сформированным моделям кругооборота углекислого газа для отдельных объектов. Периодически уточняют сформированные модели по результатам текущих измерений средствами контроля на объектах контроля. Причем при формировании базы данных по характеристикам окружающей среды региона периодически проводят съемку территории региона различными методами дистанционного зондирования. Определяют по данным дистанционной съемки и кадастрового учета границы и тип природных и техногенных объектов на территории региона. После формирования осуществляют периодическую коррекцию базы данных объектов окружающей среды. При измерении текущих характеристик объектов контроля определяют метеорологические параметры атмосферы региона и их оценки по зонам расположения техногенных объектов контроля, антропогенных и природных объектов. Для антропогенных источников поглощения и выделения углекислого газа измерения проводят циклично с привязкой ко времени суток. Для природных источников поглощения и выделения углекислого газа измерения проводят в различные сезоны с привязкой каждого измерения ко времени суток. В локальные базы данных объектов контроля и унифицированные протоколы дополнительно вносят значения текущих метеопараметров в зоне объектов контроля, измеряемые одновременно со значениями характеристик объекта контроля. При прогнозировании изменений характеристик окружающей среды региона используют комплексную модель содержания углекислого газа и его изменения в атмосфере региона.

Недостатком данного известного способа комплексного мониторинга окружающей среды региона является ограниченность возможности получить информацию об аэродинамических параметрах источников загрязнения атмосферного воздуха, например о скорости и температуре газовоздушного потока, влияющих на степень загрязнения и формирование различных зон загрязнения вокруг объекта инвентаризации.

В качестве прототипа выбран известный малогабаритный беспилотный летательный аппарат (БЛА) самолетного или вертолетного типа, применяемый в способе мониторинга атмосферного воздуха (патент RU 2471209 С1, МПК G01W 1/00, опубл. 27.12.2012 Бюл. №36), с помощью которого определяют текущее значение концентрации опасных веществ. БЛА оснащен навесным оборудованием, в качестве которого используют газоанализатор, пылемер, радиометр.

Недостатком данного беспилотного летательного аппарата для мониторинга атмосферного воздуха является направленность на оценку, уже сформировавшегося суммарными выбросами различных источников загрязнения атмосферного воздуха, состояния воздушного бассейна вокруг объекта. Это не позволяет прогнозировать концентрацию возможного загрязнения атмосферного воздуха при различных режимах работы конкретного объекта инвентаризации, тем более определить конкретные технические меры или ограничения (предписания) по деятельности объекта с целью предотвращения загрязнений атмосферного воздуха выше установленных норм.

Анализ возможностей и недостатков вышеуказанных способов и устройств мониторинга состояния атмосферного воздуха позволяет сделать вывод о невозможности их применения для измерения параметров газовоздушного потока конкретного источника загрязнения атмосферного воздуха, что не позволяет объективно прогнозировать возможные загрязнения атмосферного воздуха при различных режимах работы объекта в перспективе, и, соответственно, определять конкретные технические меры и ограничения (предписания) к деятельности объекта инвентаризации с целью уменьшения загрязнений атмосферного воздуха выше установленных норм.

Технической задачей изобретения является создание беспилотного летательного аппарата для мониторинга атмосферного воздуха, способствующего устранению недостатков указанных выше известных способов и устройств с помощью использования измерительных приборов, размещенных на платформе беспилотного летательного аппарата (БПЛА), модифицированных таким образом, что манипуляции с элементами управления, интегрированных с системой передачи данных оператору БПЛА в режиме on-line, будут осуществляться дистанционно, исключая необходимость физического присутствия оператора рядом с ним.

Технический результат - повышение объективности информации, оперативности и безопасности при проведении измерений аэродинамических характеристик конкретного источника загрязнения атмосферного воздуха.,

Для решения технической задачи и достижения указанного технического результата в беспилотном летательном аппарате для дистанционного мониторинга атмосферного воздуха, включающем подвес с оборудованием, согласно изобретению, в качестве оборудования, жестко закрепленного в подвесе, использован манометр дифференциальный цифровой ДМЦ-01М, на который установлена накладка для удаленного управления, внутренняя часть корпуса которой содержит элементы для дистанционного управления, расположенные напротив элементов управления дифференциального цифрового манометра, источник света и светочувствительную матрицу, установленную напротив дисплея дифференциального цифрового манометра, электронную плату с антенной и систему передачи данных с дисплея манометра на удаленный экран оператора, при этом к манометру подключена трубка Пито с термопарой.

В качестве беспилотного летательного аппарата использован квадрокоптер.

Трубка Пито с термопарой подключена к дифференциальному цифровому манометру через соединительные трубки.

Сущность изобретения поясняется фигурами.

На фиг. 1 представлен беспилотный летательный аппарат, оснащенный подвесом с оборудованием и трубкой Пито; на фиг. 2 - манометр дифференциальный цифровой ДМЦ-01М и накладка для удаленного управления; на фиг. 3 - манометр ДМЦ-01М с установленной на него накладкой для удаленного управления 5; на фиг. 4 - модернизированный дифференциальный цифровой манометр ДМЦ-01М; на фиг. 5 показан дифференциальный цифровой манометр ДМЦ-01М, закрепленный в подвесе и соединенный с трубкой Пито; на фиг. 6 представлены варианты проведения измерений аэродинамических характеристик источников загрязнения атмосферного воздуха.

Для мониторинга атмосферного воздуха разработан беспилотный летательный аппарат (БПЛА) 1 (фиг. 1) с прикрепленным к нему подвесом 3 и трубка Пито 2 с термопарой. В качестве БПЛА могут быть использованы квадрокоптеры, которые отличаются своей маневренностью, устойчивостью управляемого полета в различных метеоусловиях и способны осуществлять работу в труднодоступных для человека местах [Кочкаров, А.А. Сравнительный анализ полетов квадрокоптера вдоль траекторий различной степени гладкости / А.А. Кочкаров, Р.Т. Агишев // Современная наука. - 2016. - №3. - С. 17-22. - EDN YTFGYB.]. Подвес 3 оснащен оборудованием, в качестве которого применен манометр дифференциальный цифровой ДМЦ-01М с присоединенной к нему трубкой Пито с термопарой. Трубка Пито предназначена для проведения пробоотбора воздуха из устья источника загрязнения атмосферного воздуха.

Выбор ДМЦ-01М обоснован следующими характеристиками:

- автоматизированный расчет скорости и объемного расхода газа. ДМЦ-01М способен автоматически проводить расчет скорости и объемного расхода газа в каждой точке измерения. Результаты отображаются на дисплее. Важно подчеркнуть, что параметры газохода, коэффициент напорной трубки и температура заранее вводятся в память прибора, обеспечивая высокую точность измерений;

- автоматическое усреднение результатов. ДМЦ-01М осуществляет автоматическое усреднение значений скорости и объемного расхода газа из всех точек измерения, исключая случайные погрешности и обеспечивая более точные данные;

- информативное отображение результатов: после каждого измерения на дисплее отображаются не только значения динамического напора, локальной скорости и средней скорости в каждой точке газовоздушного потока, но также среднее значение расхода газа, обеспечивая полноту информации для анализа, формирования мнений и интерпретации;

- последовательное проведение измерений. ДМЦ-01М позволяет проводить измерения непрерывно, что особенно ценно при длительных мониторинговых работах. Таким образом, обеспечивается последовательное сравнение и анализ изменений контролируемых параметров;

- наличие канала ввода температуры: возможность получать значения температуры с термопары, которая может быть интегрирована в трубку Пито.

ДМЦ-01М представляет собой оптимальный выбор благодаря своей автоматизации, точности и информативности. Также важно отметить, что указанные характеристики оптимально соответствуют требованиям большинства методик, применяемых в лабораториях.

Выбор напорной дифференциальной трубки Пито 2 обоснован ее следующими характеристиками:

- диапазон измерений скорости воздушного (газового) потока, м/с, то есть трубка Пито обеспечивает возможность измерения скорости газового потока в различных диапазонах, включая 2-30 м/с, 4-30 м/с и 2-60 м/с, в различных исполнениях. Это обеспечивает выбор и гибкость в зависимости от конкретных условий эксплуатации;

- стабильный коэффициент преобразования динамического (скоростного) давления: средний коэффициент преобразования динамического давления находится в пределах, варьирующихся от 0,35 до 1,05 в различных исполнениях, что может обеспечить стабильные измерения даже при изменяющихся условиях эксплуатации;

- минимальная относительная погрешность: предел допускаемой относительной погрешности в определении коэффициента преобразования остается не выше ±5% (в некоторых исполнениях ±3%), что гарантирует точность измерений;

- габаритные параметры: трубка Пито имеет длину до 2 метров, масса трубки не превышает 0,5 кг, что обеспечивает удобство использования и монтажа на различных подвижных платформах. Вне зависимости от исполнения, основные диаметры у трубки Пито одинаковые, что позволяет, при необходимости, использовать различные исполнения без необходимости доработки мест крепления в подвесе;

- диапазон рабочих температур: рабочий диапазон температур для трубки Пито составляет от -40 до 40°С с нормированной погрешностью и до 600°С в предельных условиях, что обеспечивает ее применимость в широком спектре климатических условий и различных температурах внутри газохода.

Таким образом, напорная дифференциальная трубка Пито представляет собой оптимальное решение для измерения параметров газовоздушного потока, обеспечивая широкий выбор диапазонов измерений, высокую точность и стабильность в различных условиях эксплуатации.

Новизна изобретения заключается в модернизации дифференциального цифрового манометра ДМЦ-01М 4 - для возможности дистанционного управления последним. Для этого на манометр 4 установлена накладка для удаленного управления 5 (фиг. 2-3), на внутренней части корпуса которой имеются элементы для дистанционного управления 9 (фиг. 4), расположенные напротив элементов управления манометра 4, электронная плата с антенной 10, а также существует система передачи данных с монохромного дисплея 7 на удаленный экран. В качестве элементов для дистанционного управления 9 применены два пульта, объединенные в один, использующие передатчики сигналов, которые могут работать на различных диапазонах радиочастот - 900 МГц, 1,2 ГГц, 1,3 ГГц, 2,4 ГГц, 5 ГГц, 6 ГГц. Первый пульт используется для управления БПЛА, оснащен системой FPV (First Person View), позволяющей оператору получать изображение с камеры на экран управления. Второй пульт предназначен для управления накладкой для удаленного управления 5, которая дублирует органы управления прибора. Выбор частоты зависит от требуемой дальности передачи сигнала, проницаемости сигнала, учитывая наличие препятствий, наличия помех и интерференции, а также законодательных ограничений и локальных требований к безопасности. Система передачи данных с монохромного дисплея 7 на удаленный экран представляет собой комплексное аппаратно-программное решение, которое осуществляет считывание данных с монохромного дисплея и их последующее преобразование в цифровой формат с помощью аналого-цифрового преобразователя. Полученные данные передаются на удаленный экран через любой подходящий канал связи.

Светочувствительная матрица 6, установленная напротив дисплея 7 манометра 4, предназначена для регистрации разницы в яркости с помощью фоторезисторов или фотодиодов. Источник света 8, расположенный у светочувствительной матрицы 6, создает контраст фона и выводимого текста на дисплее 7 (фиг. 4).

Дифференциальный цифровой манометр ДМЦ-01М 4 с установленной на него накладкой для удаленного управления 5 жестко закреплен в подвесе 3 (фиг. 5), при этом к манометру 4 подключена трубка Пито 2 с термопарой. Трубка Пито 2 с термопарой установлена в верхней части корпуса подвеса 3 и закреплена. Трубка Пито 2 подключена к дифференциальному цифровому манометру 4 с накладкой для удаленного управления 5 через соединительные трубки 11.

Подвес 3 с оборудованием установлен на квадрокоптер с помощью шарнирного крепления, имеющего свободу в горизонтальной и вертикальной плоскостях (для предотвращения сил реакций опоры в случае соприкосновения трубки Пито с поверхностью газохода), с учетом центра массы подвеса (в целях упрощения последующей калибровки датчиков у БПЛА).

Беспилотный летательный аппарат (БПЛА) для мониторинга атмосферного воздуха работает следующим образом.

Оператор, управляя БПЛА с привязкой к системе GPS (в режиме FPV), получает возможность вывести платформу с измерительными приборами (фиг. 6) непосредственно к технологическому отверстию в воздуховоде (позиция 1) или к устью выброса источника загрязнения атмосферного воздуха (позиция 2), после чего, осуществляя дистанционное манипулирование приборами (дифференциальным цифровым манометром 4 (фиг. 3) и трубкой Пито 2 с термопарой), произвести замеры аэродинамических характеристик газовоздушного потока в газоходе, при этом исключается необходимость присутствия проводящего измерения оператора в опасной зоне.

БПЛА выполняет полет, доставляя оборудование непосредственно к месту проведения измерений - точечному источнику выброса, после чего производится сбор данных об аэродинамических характеристиках газовоздушного потока из устья выброса или заранее подготовленного технологического отверстия в воздуховоде (трубе, вентиляционном коробе). Информация передается на наземную станцию управления, где проводится анализ и обработка информации. Обработанные станцией результаты измерений используются в процессе инвентаризации источника загрязнения атмосферного воздуха и прогнозирования загрязнений.

Получаемые данные можно использовать для объективного прогнозирования вероятных загрязнений атмосферного воздуха при различных режимах работы источника выбросов, при определении конкретных технических мер и ограничений (предписаний) к деятельности объекта, имеющего источник загрязнения атмосферного воздуха, с целью предотвращения загрязнений атмосферного воздуха выше установленных норм.

Полученные данные передаются на удаленный экран (дисплей) наземной станции через беспроводной канал связи (например, Wi-Fi), где проводится последующий анализ и обработка полученной информации.

Результаты измерений позволят:

- с высокой точностью определить аэродинамические характеристики конкретного источника загрязнения атмосферного воздуха, в том числе в труднодоступных и (или) недоступных для человека (оператора) местах;

- составить прогноз возможных загрязнений атмосферного воздуха при различных режимах работы объекта инвентаризации.

Изобретение относится к устройствам мониторинга загрязнения атмосферного воздуха. Беспилотный летательный аппарат для дистанционного мониторинга атмосферного воздуха включает подвес, в котором жестко закреплен манометр (4) дифференциальный цифровой ДМЦ-01М, на который установлена накладка (5) для удаленного управления. Внутренняя часть корпуса накладки (4) для удаленного управления содержит элементы для дистанционного управления (9), расположенные напротив элементов управления дифференциального цифрового манометра, источник света (8) и светочувствительную матрицу (6), установленную напротив дисплея (7) дифференциального цифрового манометра (4), электронную плату с антенной (10) и систему передачи данных с дисплея (7) манометра (4) на удаленный экран оператора, при этом к манометру (4) подключена трубка Пито с термопарой. Достигается повышение объективности информации, оперативности и безопасности при проведении измерений аэродинамических характеристик конкретного источника загрязнения атмосферного воздуха. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Беспилотный летательный аппарат для дистанционного мониторинга атмосферного воздуха, включающий подвес с оборудованием, отличающийся тем, что в качестве оборудования, жестко закрепленного в подвесе, использован манометр дифференциальный цифровой ДМЦ-01М, на который установлена накладка для удаленного управления, внутренняя часть корпуса которой содержит элементы для дистанционного управления, расположенные напротив элементов управления дифференциального цифрового манометра, источник света и светочувствительную матрицу, установленную напротив дисплея дифференциального цифрового манометра, электронную плату с антенной и систему передачи данных с дисплея манометра на удаленный экран оператора, при этом к манометру подключена трубка Пито с термопарой.

2. Беспилотный летательный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что в качестве беспилотного летательного аппарата использован квадрокоптер.

3. Беспилотный летательный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что трубка Пито с термопарой подключена к дифференциальному цифровому манометру через соединительные трубки.