СКАНИРУЮЩИЙ ИНФРАКРАСНЫЙ АНАЛИЗАТОР МЕТАНА И ПАРОВ УГЛЕВОДОРОДОВ В АТМОСФЕРНОМ ВОЗДУХЕ

Область техники
Полезная модель относится к области измерительной техники, а именно к устройствам, предназначенным для анализа метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе, и может быть использована для сканирования распределений их объемной концентрации в крупномасштабных углеродно-воздушных смесях при авариях, в системах контроля промышленной безопасности объектов нефтегазовой промышленности и экологического мониторинга атмосферы.
Уровень техники
Известен газоанализатор, содержащий газовый датчик, подключенный к электронному блоку питания, управления и внешней коммутации (патент РФ на полезную модель №84563). Его недостатком является невозможность сканирования концентрации газов по длине и высоте объема углеводородного облака в воздухе.
Известен газоанализатор токсичных, радиоактивных и горючих углеводородных газов (патент РФ на полезную модель №127928), содержащий датчик радиоактивности и набор съемных газовых сенсоров, расположенных в газовом канале с внешним обогревателем для устранения конденсации влаги, внутренний измеритель температуры газов, пылевой фильтр на входе в газовый канал, на выходе из которого установлен побудитель расхода газа, и электронный модуль, включающий платы питания, интерфейса и внешней коммутации для питания и управления.
Недостатком данного устройства является невозможность сканирования с непрерывным и последовательным измерением по высоте и длине концентрации метана и углеводородов внутри атмосферного облака.
Известен инфракрасный газоанализатор (патент РФ №2187093) для измерения объемной концентрации метана и других паров (этан, пропан, бутан и другие алканы) регазифицированного сжиженного газа (СПГ), включающий корпус, в котором установлен инфракрасный оптический датчик с отверстиями для диффузионного входа анализируемого газа, закрытые аэрозольным фильтром, содержащий инфракрасный светодиод, интерференционные фильтры для выделения опорной и рабочих длин волн инфракрасного излучения, расположенную по ходу инфракрасного излучения светодиода измерительную газовую кювету, установленные за ней фотоприемники инфракрасного излучения опорного и рабочего измерительных каналов, электронный модуль, с усилителем сигналов, стабилизатором питания, управляющим микропроцессором и коммуникационную плату с устройством внешней коммутации, стабилизированного питания, управляющим микропроцессором и интерфейсом с формирователем цифровых сигналов.
Недостатком данного устройства является невозможность сканирования концентрации углеводородов по длине и высоте облака в атмосфере и большое значение времени быстродействия τ ≈ 10-15 с вследствие диффузионного отбора анализируемого газа. Величина т определяется как время, необходимое для регистрации концентрации газовой смеси на уровне 90% от конечного значения после ее быстрого изменения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является инфракрасный газоанализатор (прототип, патент РФ на полезную модель №191610), содержащий цилиндрический корпус, внутри которого расположены электронный блок управления и плата внешней коммуникации, а на его поверхности установлен разъем для подключения внешних цепей и инфракрасный оптический датчик с отверстиями для входа и выхода анализируемого газа, газовый канал, состоящий из коаксиальных внутренней и внешней цилиндрических труб, причем внешняя труба герметично присоединена к цилиндрическому корпусу и на ее выходе размещен пылевой фильтр, а внутренняя труба коаксиально и герметично соединена с инфракрасным оптическим датчиком, на ее торце расположен измеритель наружной температуры газа, а внутри нее коаксиально и последовательно размещены аэрозольный фильтр и побудитель расхода анализируемого газа через отверстия для его входа и выхода в инфракрасном оптическом датчике, установленную внутри цилиндрического корпуса дополнительную плату управления измерителем наружной температуры анализируемого газа и побудителем его расхода. Инфракрасный оптический включает инфракрасный светодиод, интерференционные фильтры, расположенную по ходу инфракрасного излучения светодиода газовую кювету с фокусирующими линзами инфракрасного излучения и его фото приемники. Принцип его действия основан на избирательном поглощении инфракрасного излучения молекулами исследуемого газа. Данный инфракрасный оптический датчик метана и других газообразных углеводородов разработан ООО "Оптосенс" под маркой MIPEX-02-X-X-X.1 (RX) согласно патенту РФ №2187093.
Устройство по прототипу позволяет измерять объемную концентрацию метана и паров углеводородов СПТ известного состава с быстродействием τ<1 с. Его недостатком является невозможность сканирования распределения концентрации метана и паров углеводородов по длине и высоте внутри углеродно-воздушных облаков в атмосферном воздухе, так как инфракрасный газоанализатор устанавливается стационарно.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель является унификация ее конструкции с расширением функциональных возможностей для осуществления сканирования распределения концентрации метана и паров углеводородов непрерывно и последовательно по длине и высоте внутри углеродно-воздушных облаков в атмосферном воздухе.
Раскрытие сущности полезной модели
Техническим результатом заявляемой полезной модели является осуществление непрерывного, упорядоченного и последовательного измерения концентрации метана и паров углеводородов по высоте и длине их облаков в смеси с атмосферным воздухом.
Для достижения технического результата предложен сканирующий инфракрасный анализатор метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе, содержащий обтекаемый корпус, внутри которого расположены электронный блок управления и плата внешней коммуникации, а на его поверхности установлен разъем для подключения внешних цепей и инфракрасный оптический датчик с отверстиями для входа и выхода анализируемого газа, газовый канал, состоящий из коаксиальных внутренней и внешней цилиндрических труб, причем внешняя труба герметично присоединена к обтекаемому корпусу и на ее выходе размещен пылевой фильтр, а внутренняя цилиндрическая труба коаксиально и герметично соединена с инфракрасным оптическим датчиком, а внутри нее последовательно размещены аэрозольный фильтр и побудитель расхода анализируемого газа через отверстия для его входа и выхода в инфракрасном оптическом датчике, установленную внутри обтекаемого корпуса дополнительную плату управления измерителем наружной температуры анализируемого газа и побудителем его расхода, при этом, обтекаемый корпус присоединен к фиксатору крепления, который приварен к фюзеляжу в центре тяжести радиоуправляемого беспилотного летательного аппарата, включающего взлетно-посадочное основание, на котором установлен фюзеляж с креплением на раме из четырех радиальных балок, на концах которых расположены вертикально четыре электродвигателя с несущими винтами для создания тяговой струи атмосферного воздуха, перемешенной с метаном и парами углеводородов, а в обтекаемом корпусе размещена плата памяти и радиопередачи данных сканирования концентрации метана и паров углеводородов в тяговой струе атмосферного воздуха, причем отношение расстояния L между фюзеляжем и торцом коаксиальной, внутренней, цилиндрической трубы к диагональному расстоянию d между расположенными вертикально электродвигателями с несущими винтами составляет L/d ≤ 0,4.
В результате присоединения обтекаемого корпуса к фиксатору крепления, который приварен к фюзеляжу в центре тяжести радиоуправляемого беспилотного летательного аппарата, включающего взлетно-посадочное основание, на котором установлен фюзеляж с креплением на раме из четырех радиальных балок, на концах которых расположены вертикально четыре электродвигателя с несущими винтами для создания тяговой струи атмосферного воздуха, перемешенной с метаном и парами углеводородов, создания в обтекаемом корпусе платы памяти и радиопередачи данных сканирования концентрации метана и паров углеводородов в тяговой струе атмосферного воздуха, и расположения обтекаемого корпуса так, что отношение расстояния L между фюзеляжем и торцом коаксиальной, внутренней, цилиндрической трубы к диагональному расстоянию d между расположенными вертикально электродвигателями с несущими винтами составляет L/d ≤ 0,4, удалось улучшить технические характеристики заявляемой полезной модели по сравнению с прототипом за счет создания сканирующего инфракрасного анализатора для непрерывного, упорядоченного и последовательного измерения концентрации и температуры углеводородов в объеме облака при температуре от -15 до 40-50°С с непрерывной регистрацией сигналов инфракрасного оптического датчика, их накоплением в плате памяти и радиопередачи на базовую станцию.
Сканирование концентрации метана и паров углеводородов по длине и высоте облака осуществляется путем одновременного и взаимосвязанного использования инфракрасного газоанализатора и радиоуправляемого беспилотный летальный аппарат типа квадрокоптера (БПЛА), который держится в воздухе, управляется и перемещается за счет несущих винтов, причем два винта по диагонали вращаются по часовой стрелке и два против часовой стрелки, взаимно уравновешивая реактивные моменты (Бондарев А.Н., Киричек Р.В. Обзор беспилотных летательных аппаратов общего пользования и регулирования воздушного движения БПЛА в разных странах // Информационные технологии и телекоммуникации. 2016. Том 4. №4. С. 13; Свердлов С.З. Оптимальный вертикальный подъем электрического мультикоптера. Инженерный журнал: наука и инновации, 2016, выпуск 11, С.1. http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2016-11-1551).
Анализ расчетных данных и компьютерной анимации потоков воздуха от четырех работающих винтов БПЛА типа квадрокоптера выявил сложные колебания турбулентной скорости закрученной тяговой струй атмосферного воздуха, сформированной работой четырех вертикально расположенных электродвигателей с несущими винтами на режиме осевого обтекания, а также влиянием его рамы и фюзеляжа. (Свердлов С.З. Оптимальный вертикальный подъем электрического мультикоптера. Инженерный журнал: наука и инновации, 2016, выпуск 11, С.1. http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2016-11-1551). Эти данные согласуются с экспериментальным анализом скорости воздушного потока под БПЛА в зависимости от расстояния от фюзеляжа.
Под рамой, несущими винтами и фюзеляжем БПЛА образуется зона с интенсивным турбулентным перемешиванием закрученной тяговой струи атмосферного воздуха с объемной скоростью Q с анализируемыми метаном и парами углеводородов. По мере удаления от БПЛА за счет размывания, поперечного подсасывания воздуха и расширения тяговой струи атмосферного воздуха ее объем расход Q и продольная скорость уменьшаются до значений меньших характерных величин скорости движения БПЛА и естественных турбулентных потоков атмосферного воздуха в анализируемом облаке в диапазоне от 1 до 10 м/с. На расстоянии более 5d воздушный поток Q от несущих винтов практически не отличается от атмосферных потоков ветра, не перемешивает несущими винтами и не влияет на содержание анализируемого метана и паров углеводородов в их облаке в смеси с воздухом.
При расположении обтекаемого корпуса сканирующего инфракрасного анализатора под фюзеляжем так, что отношение расстояния L между фюзеляжем и торцом коаксиальной, внутренней, цилиндрической трубы к диагональному расстоянию d между расположенными вертикально электродвигателями с несущими винтами составляет L/d ≤ 0,4, из тяговой струи атмосферного воздуха с расходом Q осуществляется представительный отбор однородно перемешенной смеси воздуха с метаном и парами углеводородов в инфракрасный оптический датчик с расходом q и последующим их анализом с величиной быстродействия τ<1 с. За время τ за счет работы несущих винтов через их ометаемую площадь прокачивается объем газа Q×τ с достаточно однородно перемешенной по сечению винтов смесью углеводородов и воздуха. Из этого объема в инфракрасный оптический датчик непрерывно отбирается для представительного анализа проба газа объемом q×τ. В результате имеет место непрерывное и последовательное измерение перемешенной концентрации метана и паров углеводородов с атмосферным воздухом по объему Q×τ. Таким образом, использование БПЛА позволяет не только осуществлять сканирование распределений концентрации углеводородов в воздухе по высоте и длине облака, но и осуществлять интенсивное перемешивание углеводородов с воздухом и представительный отбор пробы анализируемого газа объемом Q×τ, который существенно превышает объем анализируемой пробы по прототипу. Этот вывод был подтвержден экспериментально путем создания неоднородных метановоздушных смесей над БПЛА с их последующим анализом под БПЛА на длине L=(0,1-1)×d.
Кроме того, удаление инфракрасного газоанализатора от фюзеляжа на оптимальное расстояние L=(0,2-0,4)×d позволяет уменьшить помехи, обусловленные токами, протекающими через проводники силовых цепей и порождающими электромагнитные поля в пространстве, напряженность которых постоянно меняется в зависимости от нагрузки на электродвигатели. Причем, аналоговые сигналы в сканирующем инфракрасном газоанализаторе метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе преобразуются в цифровые и передаются на удаленный сервер сбора информации.
Оптимальное диагональное расстояние между расположенными вертикально электродвигателями с несущими винтами, совпадающее с размером рамы БПЛА, составляет d=0,35-0,7 м.
Питание сканирующего инфракрасного анализатора осуществляется от литий-полимерного электрического аккумулятора, расположенного в фюзеляже. Сканирующей инфракрасный анализатор обтекаемой формы массой менее 350 г изготовлен на основе пластика и капролона.
Длительность анализа облаков метана и паров углеводородов в воздухе определяется емкостью электрического аккумулятора БПЛА, весовой нагрузкой и состоянием атмосферы. В частности, для БПЛА типа «Phantom 4» или «Геоскан 401» время полета варьируется от 15 до 60 минут, соответственно.
БПЛА предназначен для эксплуатации при отрицательной температуре воздуха Т≥ -15°С, поскольку при более низкой температуре его электрический аккумулятор теряет накопленный заряд даже без нагрузки.
Летательный аппарат оснащен системой определения его местоположения ГЛОНАСС с привязкой к координатам исследуемого облака углеводородов. Электродвигатели снабжены регуляторами их оборотов для варьирования вертикальной V(y) ≤ 3-5 м/с и горизонтальной V(x) ≤ 10-15 м/с скоростей движения БПЛА. Скорость набора высоты не превышает 5 м/с, а скорость снижения составляет менее 3 м/с.
Заявленное устройство позволяет осуществлять дистанционное на оптимальном расстоянии от 200 до 1500 м измерение распределений концентрации и температуры в облаках метана и паров углеводородов (этан, пропан, бутан, гексан и т.п.) без использования оптоволоконной лини для передачи данных на головной сервер согласно прототипу.
Измеряемая объемная концентрация метана в воздухе, как и в прототипе, составляет от 0,1 до 99% об., а паров углеводородов от 0,1 до 10% об. с предварительной калибровкой инфракрасного оптического датчика.
В процессе записи или передачи данных от инфракрасного оптического датчика синхронно и непрерывно определяются его пространственные координаты с помощью системы ГЛОНАСС. Это позволяет определять температуру и концентрацию метана или паров углеводородов с привязкой к объему облаков и/или затопленных струй углеводородов в зависимости от их положения в пространстве.
При частоте поступающих сигналов с инфракрасного оптического датчика в диапазоне 1-10 Гц информация записывается на обычную карту памяти и после приземления сканирующего инфракрасного анализатора метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе осуществляется считывание данных в компьютер по USB-интерфейсу.
Для анализа данных инфракрасного оптического датчика в реальном масштабе времени, а также в случаях вероятного повреждения или потери БПЛА, осуществляется их передача платой памяти и радиопередачи данных сканирования концентрации метана и паров углеводородов в тяговой струе атмосферного воздуха через 0,1 с по радиоканалу на наземную базовую станцию, связанную с компьютером, с последующей индикацией на экране и записью на носитель информации.
Фиксатор крепления приварен к фюзеляжу в центре тяжести БПЛА для обеспечения его устойчивости в полете.
В результате решается поставленная техническая задача заявленного сканирующего инфракрасного анализатора метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе путем измерения распределений их концентрации внутри облака по его высоте и длине за счет быстрого и непрерывного сканирования внутреннего объема при Т ≥ -15°С с использованием БПЛА, например, типа квадрокоптера с непрерывной регистрацией сигналов инфракрасного оптического датчика на плате памяти и радиопередачи. Причем, заявленное устройство позволяет сканировать интенсивно перемешенные метановоздушные смеси и пары углеводородов на высоте от 5-10 до 150-200 м. По прототипу сканирование или непрерывное упорядоченное и последовательное измерение концентрации и температуры в объеме облака углеводородов возможно только путем создания стационарных сетевых систем инфракрасных анализаторов на высоте до 50 м в заранее заданном пространстве и с передачей данных по оптоволоконному кабелю на головной сервер.
Краткое описание чертежей
На фигуре приведена принципиальная схема сканирующего инфракрасного анализатора метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе, где:
1 - инфракрасный газоанализатор метана и паров углеводородов;
2 - инфракрасный оптический датчик;
3 - отверстие для потока анализируемого газа в инфракрасный оптический датчик 2;
4 - отверстия для выхода потока анализируемого газа из инфракрасного оптического датчика 2;
5 - электронный блок управления инфракрасным оптическим датчиком 2;
6 - плата внешней коммуникации;
7 - плата памяти и радиопередачи данных с инфракрасного оптического датчика 2;
8 - разъем для подключения внешних цепей;
9 - плата управления измерителем наружной температуры и побудителем расхода анализируемого газа 11;
10 - торец внутренней коаксиальной цилиндрической трубы с измерителем наружной температуры анализируемого газа;
11 - побудитель расхода анализируемого газа;
12 - аэрозольный фильтр;
13 - пылевой фильтр;
14 - внешняя коаксиальная цилиндрическая труба;
15 - обтекаемый корпус;
16 - внутренняя коаксиальная цилиндрическая труба;
17 - радиоуправляемый беспилотный летальный аппарат (БПЛА) виде квадрокоптера;
18 - четыре расположенных вертикально электродвигателя с несущими винтами;
19 - четыре несущих винта;
20 - взлетно-посадочное основание радиоуправляемого беспилотного летального аппарата;
21 - рама из четырех радиальных балок;
22 - фюзеляж с электрическим аккумулятором;
23 - фиксатор крепления обтекаемого корпуса 15, приваренный к фюзеляжу с электрическим аккумулятором 22 в центре тяжести радиоуправляемого беспилотного летательного аппарата;
d - диагональное расстоянию между расположенными вертикально электродвигателями 18 с несущими винтами 19;
L - расстояние между фюзеляжем 22 и торцом 10 коаксиальной, внутренней, цилиндрической трубы 16;
Q - объемный расход тяговой струи атмосферного воздуха;
q - объемный расход анализируемого газа в инфракрасный газоанализатор 1.
Осуществление полезной модели
На фигуре приведена принципиальная схема заявленного сканирующего инфракрасного анализатора метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе, который содержит инфракрасный газоанализатор метана и паров углеводородов 1, содержащий обтекаемый корпус 15, внутри которого расположены электронный блок управления 5, плата внешней коммуникации 6, плата памяти и радиопередачи 7 данных сканирования концентрации метана и паров углеводородов в тяговой струе атмосферного воздуха, дополнительная плата управления 9 измерителем наружной температуры анализируемого газа (на фигуре не показан) и побудителем его расхода 11. На поверхности обтекаемого корпуса 15 установлен разъем для подключения внешних цепей 8 и инфракрасный оптический датчик 2 с отверстиями для входа 3 и выхода 4 анализируемого газа, газовый канал, состоящий из коаксиальных внутренней 16 и внешней 14 цилиндрических труб, причем внешняя труба 14 герметично присоединена к обтекаемому корпусу 15 и на ее выходе размещен пылевой фильтр 13, а внутренняя цилиндрическая труба 16 коаксиально и герметично соединена с инфракрасным оптическим датчиком 2, на ее торце 10 расположен измеритель наружной температуры газа (на фигуре не показан), а внутри нее последовательно размещены аэрозольный фильтр 12 и побудитель расхода анализируемого газа 11 через отверстия для его входа 3 и выхода 4 в инфракрасном оптическом датчике 2.
Аналоговые сигналы в сканирующем инфракрасном газоанализаторе метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе преобразуются в цифровые для устранения шумов и электромагнитных наводок и, далее, передаются на удаленный сервер сбора информации.
На фигуре показан БПЛА в виде квадрокоптера 17, включающего взлетно-посадочное основание 20, на котором установлен фюзеляж с электрическим аккумулятором 22 и с рамой из четырех радиальных балок 21, на концах которых расположены вертикально четыре электродвигателя 18 с четырьмя несущими винтами 19. В фюзеляже 22 с электрическим аккумулятором установлена центральная плата радиоуправления БПЛА (на фигуре не показаны).
Обтекаемый корпус 15 присоединен к фиксатору крепления 23, который приварен к фюзеляжу 22 в центре тяжести радиоуправляемого беспилотного летательного аппарата 17 для обеспечения его устойчивости в полете. Отношение расстояния L между фюзеляжем 22 и торцом 10 коаксиальной, внутренней, цилиндрической трубы 16 к диагональному расстоянию d между расположенными вертикально электродвигателями 18 с несущими винтами 19 составляет L/d ≤ 0,4. Оптимальное расстояние L=(0,2-0,4)×d.
Инфракрасный оптический датчик 2 включает корпус с отверстиями для входа 3 выхода 4 потока анализируемого газа q, инфракрасный светодиод с опорной 3,65 мкм и рабочей 3,31 мкм длиной волн инфракрасного излучения, интерференционные фильтры для выделения опорной и рабочих длин волн инфракрасного излучения и расположенную по ходу инфракрасного излучения светодиода газовую кювету с фокусирующими линзами инфракрасного излучения и фотоприемники инфракрасного излучения опорного и рабочего измерительных каналов (на фигуре не показаны).
Диапазон рабочей температуры инфракрасного оптического датчика 2 варьируется от -40 до 60°С. Электронный блок управления 5 содержит усилители сигналов, платы стабилизированного питания и микроконтролер (на фигуре не показаны). Коммуникационная плата 6 включает устройство внешней коммутации и стабилизированного питания, управляющий микропроцессор и интерфейс с формирователем цифровых сигналов (на фигуре не показаны). Измеритель наружной температуры анализируемого газа собран из термопарного кабеля хромель-алюмель (на фигуре не показан). Входные отверстия 3 защищены от воздействия дисперсной фазы аэрозольным фильтром 12 из стойкого к парам и перепадам температуры волокнистого из полиэстера с медным наполнителем класса очистки F7-F8.
Быстродействие платы памяти и радиопередачи 7 сигналов инфракрасного оптического датчика 2 составляет τ<0,1 с. Передача ее радиосигналов на удаленный головной сервис осуществляется каждую 0,1 с.
Сканирующий инфракрасный анализатор метана и паров углеводородов держится в воздухе, управляется и перемещается за счет несущих винтов 19, причем два винта вращаются по часовой стрелке и два против часовой стрелки, взаимно уравновешивая реактивные моменты (Бондарев А.Н., Киричек Р.В. Обзор беспилотных летательных аппаратов общего пользования и регулирования воздушного движения БПЛА в разных странах. // Информационные технологии и телекоммуникации. 2016. Том 4. №4. С. 13; Свердлов С.З. Оптимальный вертикальный подъем электрического мультикоптера. Инженерный журнал: наука и инновации, 2016, выпуск 11, С.1. http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2016-11-1551)
Анализ расчетов и данных компьютерной модели анимации потоков воздуха от четырех работающих винтов БПЛА типа квадрокоптер выявил сложные колебания турбулентной скорости тяговой струи атмосферного воздуха Q, сформированной работой четырех электродвигателей и несущих винтов на режиме осевого обтекания, а также влиянием его рамы и фюзеляжа (Свердлов С.З. Оптимальный вертикальный подъем электрического мультикоптера. Инженерный журнал: наука и инновации, 2016, выпуск 11, С.1. http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2016-11-1551). Эти данные согласуются с экспериментальным анализом скорости воздушного потока под БПЛА в зависимости от расстояния от несущих винтов и рамы с четырьмя балками
Под рамой, фюзеляжем и электродвигателями с несущими винтами образуется турбулентная зона воздуха с активным перемешиванием тяговой струи атмосферного воздуха с объемной скоростью Q с анализируемым метаном и парами углеводородов. По мере удаления от БПЛА за счет размывания, поперечного подсасывания воздуха и расширения тяговой струи атмосферного воздуха ее объем расход Q и продольная скорость уменьшаются до значений меньших характерных величин скорости движения БПЛА и естественных турбулентных потоков атмосферного воздуха в анализируемом облаке в диапазоне от 1 до 10 м/с. На расстоянии L>5d воздушный поток Q от несущих винтов практически не отличается от атмосферных потоков ветра, не перемешивается несущими винтами 19 и не влияет на содержание анализируемого метана и паров углеводородов в их облаке в смеси с атмосферным воздухом.
При расположении инфракрасного анализатора под фюзеляжем так, что отношение расстояния L между фюзеляжем и торцом коаксиальной, внутренней, цилиндрической трубы к диагональному расстоянию d между расположенными вертикально электродвигателями с несущими винтами составляет L/d ≤ 0,4 из тяговой струи атмосферного воздуха с расходом Q осуществляется представительный отбор перемешенной смеси воздуха с метаном и парами углеводородов в инфракрасный оптический датчик 2 с расходом q, где осуществляется их анализ с величиной быстродействия τ<1 с. За время τ через БПЛА протекает объем газа Q×τ с однородно перемешенной смесью углеводородов и воздуха по ометаемой площади несущих винтов. Из этого объема в инфракрасный оптический датчик 2 непрерывно отбирается и анализируется представительная проба газа объемом q×τ. В результате имеет место непрерывное и последовательное представительное измерение перемешенной концентрации углеводородов по объему Q×τ. Таким образом, использование БПЛА позволяет не только осуществлять сканирование распределений концентрации углеводородов в воздухе по высоте и длине облака, но и осуществлять представительный анализ пробы смеси углеводородов с воздухом объемом Q×τ, который существенно превышает объем анализируемой смеси по прототипу. Этот вывод был подтвержден экспериментально путем создания неоднородных смесей углеводородов с воздухом сверху БПЛА и их последующим анализом снизу БПЛА.
Наконец, удаление инфракрасного анализатора 1 от фюзеляжа 22 на оптимальное расстояние L=(0,2-0,4)×d позволяет уменьшить помехи, обусловленные токами, протекающими через проводники силовых цепей и порождающими магнитные поля, напряженность которых в пространстве постоянно меняется в зависимости от нагрузки на вертикальные электродвигатели. Причем, аналоговые сигналы в сканирующем инфракрасном газоанализаторе метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе преобразуются в цифровые с их одновременной передачей на удаленный сервер сбора информации.
Оптимальное диагональное расстояние между вертикально установленными электродвигателями 18 с несущими винтами 19, составляет d=0,35-0,7 м. Питание сканирующего инфракрасного анализатора метана и паров углеводородов атмосферного воздуха массой менее 350 г осуществляется от литий-полимерного электрического аккумулятора, расположенного в фюзеляже БПЛА.
Длительность анализа облаков метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе определяется емкостью электрического аккумулятора БПЛА, весовой нагрузкой и состоянием атмосферы. Максимальное время полета БПЛА зависит от его типа и варьируется от 15 (тип «Phantom 3 или 4») до 60 минут (модель «Геоскан 401»).
БПЛА предназначен для длительной эксплуатации при отрицательной температуре воздуха Т≥ -15°С, поскольку при более низкой температуре его электрический аккумулятор теряет накопленный заряд даже без нагрузки.
БПЛА 17 позволяет определять свое местоположения системой ГЛОНАСС с привязкой к пространственным координатам исследуемого облака углеводородов. Электродвигатели снабжены регуляторами их оборотов для варьирования вертикальной V(y) ≤ 3-5 м/с и горизонтальной V(x) ≤ 10-15 м/с скоростей движения БПЛА. Скорость набора высоты не превышает 5 м/с, а скорость снижения составляет менее 2-3 м/с.
Измеряемая объемная концентрация метана в воздухе, как и в прототипе, составляет от 0,1 до 99% об., а более тяжелых паров углеводородов от 0,1 до 10% об. с предварительной калибровкой инфракрасного оптического датчика 2.
При частоте поступающих сигналов с инфракрасного оптического датчика 2 в диапазоне 1-10 Гц информация записывается на плату памяти и радиопередачи 7 и после приземления БПЛА осуществляется считывание данных в компьютер по USB-интерфейсу.
Для анализа сигналов инфракрасного оптического датчика 2 в реальном масштабе времени, а также в случаях вероятного повреждения или потери БПЛА, осуществляется их передача с помощью платы памяти и радиопередачи данных 7 с инфракрасного оптического датчика 2 через 0,1 с по радиоканалу на наземную базовую станцию, связанную с компьютером через USB-интерфейс.
Сканирующий инфракрасный анализатор метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе работает следующим образом. В процессе его движения анализируемый газ отбирается побудителем расхода 11 через аэрозольный фильтр 12 и отверстия 3 в инфракрасный оптический датчик 2. Метан и углеводородные пары детектируются путем измерения избирательного поглощения молекулами инфракрасного излучения с рабочей длиной волны 3,31 мкм. Исследуемый газ поглощает излучение рабочей длины волны и не влияет на излучение опорной длины волны 3,65 мкм.
Сканирование метана и паров углеводородов в объеме облака при скорости ветра в атмосфере менее 10 м осуществляется при ручном управлении или в режиме автопилота БПЛА. Устройство двигается горизонтально со скоростью V(x) ≈ 1-5 и вертикально вниз или вверх со скоростью V(y) ≈ 1-3 м/с через облако с непрерывным анализом отбираемой смеси газов в инфракрасном оптическом датчике 2. Сигнал с него записывается на карту памяти 7 с временным откликом менее 0,1 си считывается после приземления в компьютер через USB-интерфейс. В процессе сканирования скорость летального аппарата поддерживаются постоянной для исключения его опрокидывания.
Для анализа данных инфракрасного оптического датчика 2 в режиме текущего времени, а также в случаях вероятного повреждения или потери летательного аппарата, осуществляется передача данных через 0,1 с по радиоканалу на наземную базовую станцию. Выбор конкретной модели аппаратуры радиоканала и его номенклатура зависит от требуемой скорости передачи данных и расстояния удаления летательного аппарата от базовой станции. В частности, для экспресс анализа сигнал с карты памяти 7 типа San Disk 256 MB через радиомодем 433 МГц RF LoRa модуль SX1278 РМ1280 с соответствующими настройками передается каждую 0,1 с на наземную базовую станцию, связанную с компьютером.
В процессе записи или передачи данных от инфракрасного оптического датчика 2 синхронно и непрерывно определяются его пространственные координаты с помощью системы ГЛОНАСС. Это позволяет определять температуру и концентрацию метана или паров углеводородов с привязкой к объему облаков углеводородов в зависимости от его местонахождения.
В заявленном устройстве осуществляется дистанционное на оптимальном расстоянии от 200 до 1500 м измерение распределений концентрации и температуры по объему облаков метана и паров углеводородов (этан, пропан, бутан, гексан и т.п.) в атмосфере без использования оптоволоконной связи для передачи данных на головной сервер их приема и обработки согласно прототипу.
В результате решается поставленная техническая задача заявленного сканирующего инфракрасного анализатора метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе путем непрерывного и последовательного сканирования распределений их концентрации внутри объема их облака в смеси с атмосферным воздухом по его высоте и длине при температуре от -15 до 40-50°С с использованием БПЛА, например, типа квадрокоптера с непрерывной регистрацией сигналов инфракрасного оптического датчика 2 с их накоплением в плате памяти и передачи данных по радиоканалу 7. Причем, заявленное устройство позволяет сканировать метановоздушные смеси и пары углеводородов в атмосфере на высоте от 5-10 до 150-200 м. По прототипу их сканирование возможно только путем создания стационарных сетевых систем инфракрасных газоанализаторов 1 в количестве до 30-50 одновременно работающих устройств на высоте менее 50 м и с передачей их данных по оптоволоконному кабелю на удаленный головной сервер.
Пример.
Для регистрации метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе использовался инфракрасный оптический датчик 2 типа MIPEX с отверстиями 3 и 4 в корпусе для входа т выхода потока анализируемого газа q, с электронным блоком управления 5 и коммуникационной платой 6 согласно патенту №2187093. Характерное время срабатывания его электронной схемы составляет менее 0,35 с. Время быстродействия τ=0,4 с.
Для измерения наружной температуры газовой смеси применялась термопара хромель-алюмель с быстродействием около 0,15 с.
Длина инфракрасного газоанализатора 1 составляла 9,5 см, а его максимальный диаметр был равен 8 см.
В качестве БПЛА 17 использовались квадрокоптеры типа DJI "Phantom 4 professional" с d ≈ 0,36 м и временем полета до 12 мин с бесколлекторными двигателями. (Свердлов С.З. Оптимальный вертикальный подъем электрического мультикоптера. Инженерный журнал: наука и инновации, 2016, выпуск 11, С.1. http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2016-11-1551). Скорость и время горизонтального сканирования составляли V(x) ≈ 3-5 м/с и t(x) ≈ 10-15 с, а для вертикального сканирования вверх или вниз V(y) = 2-3 м/с и t(y) ≈ 15 с. Радиоуправление БПЛА осуществлялось на частоте 2,4 ГГц.
3
При L = 0,4d ≈ 0,15 м измеренный объемный расход тяговой струи атмосферного воздуха составлял Q ≈ 1,8 и 3 м/с в режиме полета без нагрузки и при форсаже с нагрузкой соответственно.
Измеренная продольная линейная скорость тяговой струи атмосферного воздуха на оси инфракрасного газоанализатора 1 при L = 0,4d ≈ 0,15 м была равна 9 и 15 м/с в режиме полета без нагрузки и при форсаже с нагрузкой соответственно.
Сигнал с инфракрасного оптического датчика 2 с частотой 2 Гц записывался на плату памяти и радиопередачи 7 типа San Disk 256 MB с временным откликом менее 0,1 си после приземления сканирующего инфракрасного анализатора метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе считывался в компьютер через USB-интерфейс.
Для экспресс анализа облаков углеводородов и работы в режиме текущего времени сигнал инфракрасного оптического датчика 2 с карты памяти и радиопередачи 7 типа San Disk 256 MB через радиомодем 433 МГц RF LoRa модуль SX1278 РМ1280 с соответствующими настройками передавался каждую 0,1 с на наземную базовую станцию, связанную с компьютером с последующей индикацией на экране и записью на носитель информации. Расстояние удаления сканирующего инфракрасного анализатора метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе от базовой станции составляло от 200 до 1500 м.
В процессе записи и радиопередачи данных от инфракрасного оптического датчика 2 синхронно определялись его пространственные координаты с помощью ГЛОНАСС системы.
5
3
3
С помощью заявленного устройства было просканированы облако метана и паров углеводородов регазифицированного СПГ для коммунально-бытового назначения с концентрацией метана около 97% об. в воздухе объемом более 10 м при температуре от -15 до 15°С. Облако создавалось импульсным распылением и разливом СПГ при моделировании техногенной аварии при начальной температуре воздуха около 15°С. Инфракрасный оптический датчик 2 был предварительно прокалиброван для использованного состава СПГ. Скорость отбора пробы для анализа метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе составляла q=35-40 см/с.
В результате было измерено неоднородное распределение концентрации углеводородов в воздухе от 1 до 30% об., а также температуры от 15°С по краям облака до -(10-25)°С в центре облака.
Таким образом, сравнение характеристик заявленного сканирующего инфракрасного анализатора метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе с прототипом показывает, что удалось расширить функциональные возможности заявленной конструкции путем сканирования распределений концентрации и температуры внутри облаков углеводородов и воздуха в атмосфере по высоте от 5-10 до 150-200 м и длине до 100 м при температуре от -15 до 40-50°С с быстродействием менее 1 с и накоплением информации в плате памяти и радиопередачи 7 с периодом регистрации 0,1 с и ее радиопередачей на базовую станцию каждые 0,1 с. По прототипу осуществить сканирование или непрерывное и последовательное измерение концентрации и температуры внутри объема углеводородов возможно только путем создания стационарных сетевых систем большого количества инфракрасных анализаторов по его объему на высоте до 50 м с передачей данных по оптоволоконному кабелю на удаленный головной сервер их приема и обработки.