СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ РАЗМЕРОВ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ АЭРОЗОЛЕЙ СТОЙКИХ ТОКСИЧНЫХ ХИМИКАТОВ ПРИ ВОЗНИКНОВЕНИИ ЗАПРОЕКТНЫХ АВАРИЙ НА ХИМИЧЕСКИ ОПАСНЫХ ОБЪЕКТАХ
METHOD FOR REMOTE MONITORING OF DIMENSIONS OF FINELY DISPERSED AEROSOLS OF PERSISTENT TOXIC CHEMICALS DURING OFF-DESIGN ACCIDENTS AT CHEMICALLY HAZARDOUS FACILITIES

Изобретение относится к области оптических методов измерения физико-химических характеристик аэрозольных сред и может быть использовано при разработке лидарных комплексов для дистанционного контроля дисперсного состава аэрозольных облаков токсичных химикатов (ТХ) при возникновении запроектных аварий и техногенных катастроф в местах хранения и уничтожения химического оружия (ХО) и на предприятиях, использующих в своем рабочем цикле стойкие токсичные химические вещества.
2
В настоящее время экологический мониторинг объектов по уничтожению ХО осуществляется в соответствии с Приказом Госкомэкологии России «Об утверждении временного руководства по государственному экологическому контролю за объектами, связанными с уничтожением химического оружия», 1998 г. Размер районов постоянного экологического мониторинга устанавливается в соответствии с требованиями Постановления Правительства Российской Федерации «Об утверждении положения о зоне защитных мероприятий, устанавливаемой вокруг объектов по хранению химического оружия и объектов по уничтожению химического оружия», 1997 г. При этом в соответствии со специальными Постановлениями Правительства РФ для каждого объекта по уничтожению химического оружия устанавливается конкретная площадь зоны защитных мероприятий, размер которой может превышать 1000 км.
2
Так, например, на объекте по уничтожению ХО (п. Марадыковский Кировской области) в зоне защитных мероприятий площадью 892 км создана специальная сеть пробоотбора, включающая 155 постоянных пунктов отбора проб воздуха, почвы, воды и донных отложений (Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. общ-ва им. Д.И. Менделеева). - 2007. - Т. LI., №2. - с. 11-17).
-8
3
Действующая в настоящее время система экологического мониторинга на объектах по уничтожению ХО основана на применении хромато-масс-спектрометрических, ионизационных и биохимических методов анализа, т.е. ориентирована на использование локальных методов контроля. Установленный на предприятиях по уничтожению ХО парк приборов и вспомогательного оборудования позволяет осуществлять контроль зараженности воздуха парами ТХ и продуктами их деструкции. Значительную трудность вызывает задача контроля зараженности воздуха О-этил-S-2-диизопропиламиноэтилметилфосфонатом, температура кипения которого более 300°С. Необходимо отметить, что в связи с чрезвычайно высокой токсичностью стойких фосфорорганических ТХ (предельно допустимая концентрация в воздухе населенных пунктов составляет величину порядка 5·10 мг/м) и их низкой летучестью актуальной является задача контроля зараженности воздуха аэрозолями данных веществ. Именно аэрозоль является основным фазовым состоянием стойких фосфорорганических ТХ.
Кроме того, образованию тонкодисперсного аэрозоля благоприятствует большинство технологий уничтожения ТХ, которые основаны на использовании высоких температур, давления, а также применении взрыво- и пожароопасных продуктов. Актуальной является также задача контроля микроструктуры аэрозольного облака ТХ, которое может образоваться в санитарно-защитной зоне на объектах по уничтожению ХО в результате стихийных бедствий, взрывов, пожаров, террористических актов и т.п.
Так, например, для измерения дисперсного состава аэрозолей физиологически активных веществ может быть использован способ экспрессного определения аэрозолей, описанный в патенте №2287805 С2 (в/ч 61469), 06.02.2004. Однако этот способ предусматривает применение средств контроля локального действия и индикаторных подложек. Применение локальных средств контроля не может обеспечить мониторинг приземного слоя атмосферы в реальном масштабе времени в случае аварийных ситуаций на крупных площадных объектах по хранению и уничтожению ХО, сопровождающихся выбросом в атмосферу аэрозолей стойких фосфорорганических ТХ.
Следовательно, разработка дистанционных методов измерения микроструктуры аэрозольного облака является перспективным направлением совершенствования системы экологического мониторинга на объектах по хранению и уничтожению ХО. Необходимо также отметить, что по сравнению с локальными методами контроля параметров аэрозольных облаков оптические методы имеют ряд преимуществ (возможность контроля распространения облака, высокое быстродействие, широкий территориальный охват и т.д.), что обусловливает перспективность их применения в интересах экологического мониторинга химически опасных объектов. Кроме того, дистанционный контроль дисперсности аэрозольных частиц ТХ позволяет определять скорость их седиментации, время существования и глубину распространения облака, а следовательно, прогнозировать масштабы заражения местности в реальном масштабе времени при возникновении нештатных ситуаций на объектах по хранению и уничтожению ХО.
В настоящее время предложены различные способы дистанционного контроля микроструктуры (дисперсный состав, концентрация) аэрозольных облаков в атмосфере. Так, например, известен способ дистанционного контроля среднего размера частиц атмосферного аэрозоля, основанный на регистрации рассеянного в области углов дифракции электромагнитного излучения (Ван де Хюлст Г. Рассеяние света малыми частицами. - М.: ИЛ, 1961. - 315 с.). Данный способ имеет ряд недостатков, обусловленных бистатической схемой зондирования, что не позволяет использовать его для дистанционного мониторинга динамики распространения аэрозольного облака ТХ в открытой атмосфере.
Известны также способы определения характеристик дисперсных рассеивающих сред путем обращения результатов лазерного зондирования в микроструктурные параметры аэрозолей (И.Э. Наац. Метод обратной задачи в атмосферной оптике. - Новосибирск: Наука, 1986. - 198 с.). Однако данный подход к решению обратной оптической задачи основывается на использовании сложных регуляризирующих алгоритмов, подробно рассмотренных в работе (Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. - М.: Наука, 1974. - 288 с.), и носит, в основном, глубоко теоретический характер, а его практическое применение ограничено изучением физики верхней и средней атмосферы, содержащей фракции аэрозоля с размерами частиц существенно меньше 1 мкм. Кроме того, в значительной степени эти подходы ориентированы на измерение углового хода поляризационных характеристик рассеянного лазерного излучения (параметров Стокса), что не позволяет реализовать их в моностатической лидарной схеме измерений.
Количественный контроль аэродисперсных систем направлен на определение микроструктуры аэрозольного облака, т.е. определение его дисперсного состава и концентраций аэрозольных частиц. В общем случае задача дистанционного контроля дисперсного состава аэрозолей неизвестного химического соединения не имеет в настоящее время удовлетворительного технического решения. В связи с этим отсутствует запатентованный лидарный способ дистанционного контроля даже атмосферных аэрозолей, так как они могут иметь различные функции распределения по дисперсному составу (распределение Юнге, гамма-функция). Кроме того, химический состав атмосферных аэрозолей может быть различным, что вносит существенную неопределенность в решение задачи лазерного зондирования аэрозолей.
Необходимо отметить, что существенным недостатком способов восстановления микроструктуры дисперсной среды на основе оптических операторов перехода является также большая ошибка результатов восстановления при незначительных погрешностях в массиве исходных данных.
В настоящее время известен корреляционно-экстремальный способ дистанционного мониторинга загрязняющих веществ (Патент РФ №2313779, С2, в/ч 61469, 27.12.2007), который определяет алгоритм и порядок обработки спектральной информации (спектров поглощения) с целью идентификации загрязняющих веществ. Решение этих задач относится к области качественного химического анализа многокомпонентных смесей. В связи с этим он не может быть использован для решения задачи дистанционного количественного контроля аэрозолей известного ТХ, находящегося на объекте хранения и уничтожения ХО. Это объясняется тем, что спектр аэрозольного рассеяния изменяется не только при изменении мнимой и действительной частей комплексного показателя преломления вещества аэрозоля, но и при изменении медианного диаметра частиц и дисперсии распределения логарифмически нормального закона. Эту задачу целесообразно решать с помощью многопараметрических рядов. Многопараметрический ряд оформляется в виде таблиц-сеток (Большой энциклопедический словарь. Политехнический. Под ред. А.Ю. Ишлинского. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1998, с. 363). Многопараметрический ряд представляет собой совокупность числовых значений параметров, объединенных в рамках системного анализа наиболее представительными и существенными отличительными признаками. Такой ряд целесообразно формировать в виде матриц на основе инструментально измеренных величин мнимой (показатель поглощения) и действительной (коэффициент преломления) частей комплексного показателя преломления ТХ и точных формулах теории аэрозольного рассеяния. Многопараметрический ряд является практической реализацией инструментальных измерений оптических констант ТХ на объектах по хранению и уничтожению ХО.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ дистанционного контроля массовой концентрации тонкодисперсных аэрозолей отравляющих веществ по их собственной люминесценции в местах их хранения и уничтожения при возникновении нештатных ситуаций (Патент РФ №2155954, С2, в/ч 61469, 10.09.2000). Данный способ обеспечивает дистанционный контроль концентрации люминесцирующих аэрозолей ТХ дисперсностью менее 10 мкм. Однако вышеуказанный способ дистанционного контроля аэрозолей обеспечивает измерение только концентрации аэрозольных частиц и не может быть использован для регистрации спектра размеров этих частиц.
Однако анализ информационных материалов показывает, что метод лазерного зондирования тонкодисперсных аэрозолей ТХ с диаметром частиц d<10 мкм в случае расширения объема априорной информации об объекте зондирования и усовершенствования алгоритмов обработки информации может быть использован для решения задач экологического мониторинга объектов по уничтожению ХО. В настоящее время при решении обратных оптических задач аэрозольного светорассеяния за основу берется распределение Юнге или гамма-распределение аэрозольных частиц по дисперсному составу, которые адекватно описывают распределение частиц в естественных гидрометеорах (облаках, туманах, дымках). В то же время результаты теоретических и экспериментальных исследований показывают, что в случае перевода жидкости в аэрозольное состояние путем дробления (взрыв, дисковые аэрозольные генераторы, пневматические распылители и т.п.) образуются аэрозоли, дисперсный состав которых описывается логарифмически нормальным законом распределения частиц по размерам (Колмогоров А.Н. О логарифмически нормальном законе распределения частиц при дроблении. ДАН СССР. - 1941. - №2. - С. 11-15). Логарифмически нормальный закон распределения частиц по дисперсному составу характеризуется двумя параметрами и описывается выражением:
∂
где d - средний геометрический (медианный) диаметр частиц, мкм;
∂
σ - геометрическое квадратическое отклонение.
Именно логарифмически нормальный закон распределения частиц по дисперсному составу широко используется как базовый при решении различных прикладных задач в промышленности и в военном деле. Он позволяет описывать дисперсный состав аэрозольных систем в широком диапазоне размеров частиц, характеризующихся различной дисперсией распределения (геометрическим квадратическим отклонением).
Кроме того, объем априорной информации об индицируемом облаке аэрозоля ТХ может быть расширен за счет использования оптических констант ТХ. В процессе хранения ТХ осуществляется периодический контроль физико-химических свойств рецептур, то есть измеренные значения комплексного показателя преломления ТХ могут быть использованы для формирования параметрического ряда при решении задачи дистанционного контроля дисперсного состава аэрозольного облака ТХ при возникновении нештатных ситуаций на объектах по хранению и уничтожению ХО.
Согласно теории рассеяния Ми факторы эффективности рассеяния, поглощения и ослабления изотропными сферическими частицами могут быть рассчитаны с учетом относительного размера аэрозольных частиц (ρ) и значений комплексного показателя преломления (m) ТХ:
где d - диаметр аэрозольной частицы, мкм;
λ - длина волны зондирующего излучения, мкм;
n - коэффициент преломления ТХ;
χ - показатель поглощения ТХ.
По точным формулам теории рассеяния Ми могут быть рассчитаны характеристики обратного аэрозольного рассеяния для системы полидисперсных аэрозольных частиц ТХ, находящихся в локальном объеме аэрозольного облака ТХ. Для этого может быть использован метод Монте-Карло или проведено интегрирование по всему спектру размеров рассеивающих аэрозольных частиц ТХ. При этом для обращения данных многочастотного лазерного зондирования в параметры логарифмически нормального закона распределения аэрозоля ТХ по дисперсному составу должны быть использованы характеристики аэрозольного рассеяния, не зависящие от концентрации аэрозоля ТХ и наличия в атмосфере помеховых аэрозолей (пыль, сажа, дым и т.п.). Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований показывает, что в качестве таких характеристик могут быть использованы относительные интенсивности сигналов обратного аэрозольного рассеяния, а для снижения влияния помеховых аэрозолей на результаты зондирования могут быть использованы поляризационные характеристики лазерного излучения. При этом на величины относительных интенсивностей сигналов обратного аэрозольного рассеяния не должны оказывать влияние колебания мощности лазерного передатчика, обусловленные нестабильностью работы аппаратуры зондирования в различных спектральных диапазонах. Необходимо отметить, что масштабы заражения промышленной и санитарно-защитной зон объекта по уничтожению ХО в результате аварийного выброса ТХ будут формироваться за счет высокой скорости седиментации грубодисперсных фракций аэрозоля ТХ. При этом масштабы заражения зоны защитных мероприятий, площадь которой может достигать нескольких сотен квадратных километров, напротив, будут обусловлены глубиной распространения тонкодисперсных фракций аэрозоля ТХ с размерами частиц d<<20 мкм. Следовательно, контроль микроструктурных параметров тонкодисперсных аэрозолей ТХ в динамике их распространения является одним из приоритетных направлений разработки дистанционных средств экологического мониторинга на объектах по хранению и уничтожению ТХ.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа дистанционного контроля дисперсного состава облаков аэрозолей стойких ТХ с диаметром частиц d<10 мкм для оценки масштабов и последствий аварийных выбросов ТХ на объектах по хранению и уничтожению ТХ с целью оперативного прогнозирования масштабов химического заражения окружающей среды и проведения защитных мероприятий.
Пример осуществления способа
1
2
3
4
Поставленная задача достигается тем, что зондирование аэрозольного облака имитатора ТХ осуществляется лазерным излучением с длинами волн λ=266 нм (4-я гармоника лазера на алюмо-иттриевом гранате (АИГ), УФ-диапазон), λ=354 нм, λ=532 нм (2-я и 3-я гармоники лазера на АИГ, видимый диапазон) и λ=1064 нм (1-я гармоника лазера на АИГ, ближний ИК-диапазон) и регистрируются интенсивности сигналов обратного аэрозольного рассеяния модельным облаком ТХ на данных длинах волн. При этом параметры микроструктуры (концентрация, дисперсный состав) модельного облака имитатора ТХ и его оптические константы соответствуют характеристикам реального облака фосфорорганического ТХ, которое может образоваться в зоне защитных мероприятий в результате аварийных выбросов на объектах по хранению и уничтожению ХО. Для устранения влияния нестабильности работы приемно-передающей системы лидара на результаты лазерного зондирования осуществляется нормировка аппаратуры зондирования по методу внутреннего эталона по каждому лазерному импульсу. С целью исключения влияния колебаний концентрации аэрозольных частиц в зондируемом объеме облака ТХ на точность восстановления параметров функции распределения аэрозоля по дисперсному составу абсолютные значения сигналов обратного аэрозольного рассеяния переводятся в относительные величины интенсивности. Эта процедура осуществляется путем нормировки сигналов во всех рабочих каналах лидара на минимальное значение интенсивности сигнала обратного аэрозольного рассеяния в одном из рабочих каналов. В этом случае величины относительных интенсивностей обратного рассеяния обусловлены только изменениями дисперсного состава аэрозоля ТХ и его оптическими характеристиками.
∂
∂
1
2
3
4
Перед проведением натурного эксперимента методом Монте-Карло решается прямая оптическая задача аэрозольного рассеяния по точным формулам теории рассеяния Ми для аэрозольных частиц имитатора стойкого фосфорорганического ТХ. Расчет проводится для полидисперсного аэрозоля ТХ с логарифмически нормальным законом распределения частиц по размерам с различной шириной распределения σ=1,5…1,9 и медианным диаметром частиц (d=0,5…7,5 мкм). При решении прямой задачи аэрозольного рассеяния используются оптические константы имитатора ТХ (коэффициент преломления n, показатель поглощения χ) на рабочих длинах волн лидарной системы (λ, λ, λ, λ), которые контролируются и измеряются с помощью спектральных приборов (рефрактометров, Фурье-спектрометров и т.п.) в процессе хранения ТХ. Расчет характеристик обратного аэрозольного рассеяния проводится для 40 параметров микроструктуры имитатора фосфорорганического ТХ:
∂
а) средний геометрический (медианный) диаметр частиц d, мкм:
0,5; 0,7; 1,0; 1,5; 2,0; 3,0; 5,0; 7,5;
∂
б) геометрическое квадратическое отклонение σ:
1,5; 1,6; 1,7; 1,8; 1,9.
По полученным значениям сечений обратного рассеяния находятся отношения относительных интенсивностей сигналов рассеяния на различных линиях зондирования, которые используются при построении многопараметрических рядов. Полученные многопараметрические ряды в виде относительных интенсивностей обратного аэрозольного рассеяния в составе базы данных средства локации представлены в таблице 1 и используются для определения дисперсного состава аэрозоля ТХ по результатам натурного эксперимента.
В качестве дистанционного средства контроля микроструктуры полидисперсного облака имитатора ТХ использовался подвижный четырехчастотный лидар, размещенный на шасси автомобиля УРАЛ - 375Д. Лидар имеет следующие основные технические характеристики:
Длина волны излучения, нм
266, 354, 532, 1064
Длительность лазерного импульса, нс
10
Частота повторения импульсов, Гц
25
Число приемных каналов, шт.
4
Потребляемая мощность, кВт
4
Испытания проводились по облакам аэрозоля имитационной рецептуры О-этил-S-2-диизопропиламиноэтилметилфосфоната, создаваемым в полевой аэродинамической трубе с помощью дисковых генераторов аэрозоля. Дальность зондирования в различных экспериментах составляла от 200 до 500 метров.
Дисперсный состав модельного облака ТХ контролировался с помощью счетчиков аэрозолей АЗ-5. Изменением режимов работы дисковых генераторов аэрозолей (скорость вращения дисков, расход имитатора ТХ) регулировались микроструктурные характеристики модельного облака ТХ (концентрация, дисперсный состав аэрозоля имитатора ТХ).
Геометрическое квадратическое отклонение ад в соответствии с рекомендациями работы (X. Грин, В. Лейн. Аэрозоли - пыли, дымы и туманы. - Л.: Химия, 1972. - 226 с.) определялось по формуле:
266
354
532
1064
При этом медианный диаметр частиц (50% диаметр) определялся с помощью логарифмически-вероятностной сетки по результатам контрольных измерений аэрозольным счетчиком АЗ-5. В качестве примера в таблице 2 представлены результаты контроля микроструктурных характеристик полидисперсного аэрозоля имитатора ТХ с помощью аэрозольного счетчика АЗ-5 в одном из двенадцати проведенных полевых экспериментов. При зондировании на четырех длинах волн этого модельного облака имитатора аэрозоля ТХ получены следующие относительные интенсивности сигналов обратного аэрозольного рассеяния: I:I:I:I=1,0:11,43:12,14:2,19.
Последующая обработка полученных экспериментальных данных заключалась в определении величины меры близости по формуле:
где N - количество частот (длин волн) зондирования;
<mrow><mi>I</mi><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mi>λ</mi><mi>i</mi><mi>T</mi></msubsup><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
i
- относительная интенсивность рассеяния на длине волны λ параметрического ряда в составе базы данных средства локации;
<mrow><mi>I</mi><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mi>λ</mi><mi>i</mi><mi>Э</mi></msubsup><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
I
- относительная интенсивность рассеяния на длине волны λ, измеренная в натурном эксперименте с помощью лидарного комплекса.
cp
∂
∂
∂
∂
∂
Результаты анализа экспериментальных данных, выполненные в рамках теории распознавания образцов (Горелик А.Л., Скрипкин В.А. Методы распознавания. - М.: Высшая школа, 1984), представлены в таблице 3. Из данных, представленных в таблице 3, видно, что критерий L принимает минимальное значение в случаях, когда параметр d=0,7. Решение в принадлежности исследуемого объекта к полидисперсной аэрозольной системе ТХ с параметрами d и σ может быть принято при рассмотрении значений L построчно в таблице 3 при d=0,7. Анализ показывает, что наилучшее совпадение экспериментальных данных и данных параметрических рядов в составе базы данных средства локации наблюдается при σ=1,7. При этом ошибка восстановления параметров микроструктуры аэрозоля имитатора ТХ не превышает 28%. Аналогичные результаты были получены при проведении натурных экспериментов при различных режимах работы генераторов аэрозолей в диапазоне дисперсности аэрозольных частиц d=0,4-10,0 мкм. Максимальная ошибка восстановления параметров логарифмически нормального закона распределения аэрозолей по дисперсному составу не превысила 47%.
Для учета влияния метеоусловий на результаты полевого эксперимента перед каждым опытом проводилось измерение фоновых характеристик атмосферы, которые учитывались при обработке экспериментальных данных. Обобщение экспериментальных результатов показал, что при метеорологической дальности видимости более 3 км фоновая обстановка не оказывает существенного влияния на точность восстановления микроструктурных параметров модельного облака аэрозоля ТХ.
2
Представленный способ дистанционного контроля дисперсного состава аэрозолей ТХ позволяет контролировать динамику изменений микроструктурных характеристик локальных облаков аэрозолей ТХ в реальном масштабе времени. Данный способ обеспечивает измерение геометрических размеров облаков с высоким разрешением. При этом с учетом возможностей современной лазерной техники и микроэлектроники может быть достигнуто пространственное разрешение на местности 3…4 метра при дальности действия лидарного комплекса 3…5 км. Анализ спектральных характеристик ряда стойких ТХ в ИК-области спектра показал, что предложенный способ может быть успешно применен для контроля размеров аэрозоля грубодисперсных облаков ТХ. Это обусловлено тем, что относительный размер (ρ) аэрозольных частиц для ИК-диапазона спектра 7…15 мкм соответствует аналогичному значению этого параметра для тонкодисперсных аэрозолей ТХ и рабочих длин волн лазеров на АИГ. Следовательно, предложенный способ может быть использован для дистанционного контроля дисперсного состава грубодисперсного аэрозоля ТХ с помощью ИК-лидаров на основе перестраиваемых по частоте СО лазеров.