СПЕКТРОРАДИОМЕТРИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА БЕСПРОБООТБОРНОГО КОНТРОЛЯ ЗАРАЖЕННОСТИ ОКРАШЕННЫХ ЛАКОКРАСОЧНЫМИ ПОКРЫТИЯМИ ПОВЕРХНОСТЕЙ РАЗЛИЧНЫХ ОБЪЕКТОВ И АВТОТРАКТОРНОЙ ТЕХНИКИ СТОЙКИМИ ТОКСИЧНЫМИ ХИМИЧЕСКИМИ ВЕЩЕСТВАМИ

Полезная модель относится к устройствам для дистанционного экспресс контроля зараженности подстилающих поверхностей стойкими токсичными химическими веществами (ТХВ). Полезная модель основана на применении оптических методов идентификации и контроля концентраций токсичных химических веществ на поверхностях различных объектов, автотракторной техники (АТТ) и технологического оборудования и может быть использована для контроля масштабов химического заражения районов размещения химически опасных объектов в случае техногенных катастроф и при аварийных выбросах токсичных химических веществ в окружающую среду.
Известно, что в настоящее время система контроля химического заражения различных типов поверхностей в случае аварий и нарушений технологических регламентов на предприятиях, использующих в рабочем цикле различные опасные химические вещества, основывается на применении средств контроля локального типа. Контроль степени химического заражения различных подстилающих поверхностей в зонах размещения химически опасных объектов основывается на предварительном отборе проб воды, грунта и растительности с последующим анализом отобранных проб различными физико-химическими методами (хроматография, спектрофотомерия, спектрометрия ионной подвижности и т.п.). Аналогичными методами проводится контроль зараженности поверхностей технологического оборудования, транспортных средств и других технических устройств. В этом случае подготовка проб для анализа проводится с помощью методов экстракции, смыва ТХВ с анализируемой поверхности или путем взятия мазков ТХВ с этих поверхностей. Применение вышеуказанных средств и методов химического анализа обеспечивает контроль довольно широкого перечня отравляющих (ОВ) и сильнодействующих ядовитых веществ (СДЯВ), таких как иприт, V-газы, анилин, динитробензол, толуол и т.п. Однако, как и все локальные средства химического контроля зараженности поверхности, приведенные выше средства анализа имеют ряд существенных недостатков:
- наличие стадии пробоподготовки и необходимость доставки полученной пробы для проведения последующего анализа в химико-аналитическую лабораторию;
- необходимость применения большого набора растворителей, экстрагентов и значительного парка аналитического оборудования и методик проведения химического анализа ТХВ;
- трудоемкость локальных методов анализа ТХВ и процедуры пробоподготовки;
- низкая производительность химического контроля, обусловленная многостадийностью проведения анализа и длительным временем проведения полного цикла аналитических измерений.
Для решения этих вопросов в последние годы начали применяться различные спектральные беспробоотборные средства контроля зараженности различных объектов на основе методов комбинационного рассеяния света (КРС), инфракрасной (ИК) спектроскопии и лазерно-индуцированной флуоресценции.
Так, например, американской фирмой Ahura Scientific разработан прибор FirstDefender для беспробоотборного контроля жидкостей, находящихся в стеклянной или пластиковой упаковке, твердых порошкообразных и таблетированных материалов (Ahura Scientific, FirstDefender, Quick Reference Guide. 46 Jonspin Rd., Wilmington MA 01887, 41 с.). В приборе реализован метод КРС при возбуждении вторичного излучения с помощью лазера с длиной волны 785 нм. Несмотря на мощную спектральную базу данный образец не обеспечивает обнаружение жидкой фазы химических веществ, нанесенных непосредственно на поверхность какого-либо объекта, в первую очередь на поверхность АТТ и другой техники, окрашенной лакокрасочным покрытием (ЛКП).
Этой же фирмой разработан прибор беспробоотборного контроля TruDefender, принцип работы которого основан на анализе инфракрасных спектров, получаемых с помощью Фурье-спектрометра. Однако данный прибор обеспечивает регистрацию и идентификацию паровой (газовой) фазы анализируемых веществ, в связи с чем используется для контроля неизвестных химических соединений, находящихся в различной таре путем анализа состава паров в свободной зоне исследуемых образцов тары. Обзор беспробоотборных средств химического контроля зараженности объектов подробно изложен в работе (Pittcon 2006 New Products Review By: Emil W. Ciurczak. Spectroscopy Volume 21, Issue 5, May 1, 2006.)
По сравнению с локальными методами контроля параметров зараженности объектов ТХВ беспробоотборные методы имеют ряд преимуществ (высокое быстродействие, возможность одновременного контроля многокомпонентных смесей, снижение трудоемкости работ), что обусловливает перспективность их применения в интересах мониторинга химически опасных объектов.
В настоящее время интенсивно развиваются спектрорадиометрические (пассивные) методы дистанционного обнаружения газов и паров ТХВ в атмосфере. В России на базе ИК Фурье-спектрорадиометра (ФСР) среднего разрешения разработаны приборы для дистанционного обнаружения и определения интегральных концентраций паров ТХВ в открытой атмосфере (Дворук С.К., Кочиков И.В., Морозов А.Н., Павлов Д.А. и др., «Применение Фурье-спектрорадиометра для определения концентраций загрязняющих веществ в атмосфере», Оптический журнал, т.67, №3, 2000, С.37-42). Необходимым условием функционирования ФСР является наличие теплового контраста между индицируемым облаком и фоновой атмосферой. В связи с этим ФСР применяются, как правило, для наблюдения по наклонным трассам, то есть используется температурный контраст между ′′холодным′′ небом и ′′теплой′′ приземной атмосферой. (Основы Фурье-спектрорадиометрии. - А.Н. Морозов, С.И. Светличный - Москва.: Наука, 2006. - 275 с.).
Для устранения данного недостатка в патенте на полезную модель (Патент 114532, Российская Федерация, МПК G01N 21/35. Спектрорадиометрическая установка дистанционного контроля загазованности рабочей зоны химически опасных объектов сильнодействующими ядовитыми веществами. Кухоткин С.В., Бойко А.Ю., Ефимов И.Н. и др.; заявитель и патентообладатель ФБУ «33 ЦНИИИ МО РФ». - №2012100978/28; заявл. 11.01.2012) было предложено техническое решение, обеспечивающее измерение массовых концентраций ТХВ на горизонтальных трассах зондирования в режиме реального времени, повышение чувствительности обнаружения паров загрязняющих веществ, а также автоматизацию процесса экологического мониторинга воздушной среды на химически опасных объектах.
Однако необходимо отметить, что рассмотренные выше приборы и технические устройства на основе применения ФСР среднего разрешения обеспечивают контроль зараженности только воздушной среды на ХОО и не позволяют контролировать степень зараженности стойкими ТХВ поверхностей различных объектов. В первую очередь это касается впитывающих поверхностей, например, металлических поверхностей автотракторной техники, для окрашивания которой наиболее широко применяется хорошо впитывающая ОВ и СДЯВ перхлорвиниловая эмаль ХВ-518.
Анализ информационных материалов показывает, что запатентованные как в нашей стране, так и за рубежом технические решения, направленные на решение задачи беспробоотборного контроля зараженности объектов, основываются на различных спектральных методах анализа, комплексном применении одновременно нескольких спектральных методов, использовании оптоволоконной техники, дифракционных решеток, ИК-спектрометров и т.п. (патент 5194913, US, МПК G01N 21/64, приоритет 16.03.1993; патент 20060232781, US, МПК G01N 21/64, приоритет 17.08.2006; патент 2007/0194239, US, МПК G01N 21/64, приоритет 23.08.2007).
Однако анализ возможностей вышеуказанных технических систем химического анализа показывает, что они не позволяют надежно идентифицировать зараженность поверхности эмали ХВ-518 и других лакокрасочных покрытий автотракторной техники стойкими токсичными веществами (ОВ, СДЯВ и т.п.), так как спектральные отражательные свойства чистых тестовых поверхностей и этих поверхностей, зараженных стойкими ТХВ зависят от плотности и экспозиции заражения, а также условий заражения (температура поверхности и окружающей среды). В связи с этим в системе «ЛКП-ТХВ» на различных стадиях заражения происходят диффузионные процессы, в значительной степени искажающие суммарный спектр отражения индицируемой поверхности и требующие для решения этой задачи применения дополнительных технических решений.
7
Наиболее близким по технической сущности аналогом разработанной спектрорадиометрической установки является устройство, описанное в патенте на изобретение №2474811, Российская Федерация, МПК G01N 21/25. Способ обнаружения зараженности различных поверхностей токсичными химикатами пассивными инфракрасными спектрометрами дистанционного действия [Текст] / Васюкевич И.Г., Бобров Р.С., Карташов А.К. и др.; заявитель и патентообладатель Васюкевич И.Г. - №2011140007/28; заявл. 30.09.2011, опубл. 10.02.2013, бюл. №4. Однако приведенная в данном патенте спектрорадиометрическая установка позволяет контролировать факт заражения анализируемой поверхности по паровой фазе индицируемого вещества, наличие которой обусловлено интенсивным нагревом исследуемой поверхности с помощью специальной насадки. Кроме того, с помощью данного технического решения затруднительно контролировать зараженность поверхности стойкими токсичными химикатами с температурой кипения более 200°C (иприт, люизит, V-газы).
Технический результат, достигаемый в заявленной полезной модели, заключается в значительном снижении трудозатрат (исключение из процесса контроля зараженности анализируемой поверхности процедуры пробоподготовки, повышение оперативности химического контроля), в обеспечении возможности беспробоотборного контроля зараженности поверхности транспортной и специальной техники стойкими ТХВ в режиме реального времени независимо от кинетики впитывания, растворения, набухания и десорбции ТХВ из ЛКП в процессе их естественной самодегазации при различных внешних условиях и времени экспозиции зараженных объектов.
Указанный технический результат достигается тем, что для идентификации и контроля степени зараженности поверхности, окрашенной ЛКП автотракторной техники стойкими ТХВ (12) используется инфракрасный Фурье-спектрорадиометр динамического типа (2), являющийся составной частью беспробоотборной спектрорадиометрической установки в составе:
- системы широкополосной инфракрасной подсветки исследуемого участка ЛКП в рабочем спектральном ИК диапазоне Фурье-спектрорадиометра (10, 11);
- системы контроля температуры индицируемого участка зараженной поверхности ЛКП исследуемого объекта (1);
- блока автоматической координатной привязки и наведения поля зрения Фурье-спектрорадиометра на заданный участок зараженной ТХВ поверхности (3);
- блока регистрации и обработки спектральных характеристик отражения зараженной поверхности исследуемого объекта в ИК области спектра, включающий базу спектральных характеристик чистых тестовых поверхностей ЛКП и спектральных характеристик этих поверхностей, зараженных стойкими ТХВ при различной экспозиции заражения и температуре индицируемой системы «ЛКП-ТХВ» (4);
- системы энергоснабжения (5).
Осуществление полезной модели.
Структурная схема ИК Фурье - спектрорадиометрической установки для беспробоотборного контроля зараженности стойкими ТХВ поверхностей АТТ и специальной техники, окрашенных лакокрасочным покрытием ХВ-518 представлена на фигуре 1. Инфракрасный Фурье-спектрорадиометр (2), работающий под управлением блока автоматической координатной привязки и наведения (3) регистрирует спектр вторичного излучения пятен ТХВ (6), а именно спектр вторичного излучения пятна ТХВ (7), части общей поверхности ЛКП объекта (12), попадающей (8) в поле зрения инфракрасного Фурье-спектрорадиометра с фиксированным углом обзора (9). Температура индицируемого участка ЛКП контролируется блоком системы контроля (1), система широкополосной инфракрасной подсветки (10) с фиксированным углом подсветки (11) обеспечивает возбуждение спектров вторичного излучения с поверхности ЛКП зараженного объекта (12). Обработку спектральной информации обеспечивает блок регистрации и обработки спектральных характеристик отражения зараженной поверхности ЛКП (4), электропитание энергозависимых узлов установки - общая система энергоснабжения (5).
Как было показано ранее, на спектральные характеристики зараженных поверхностей ЛКП АТТ и другой специальной техники могут повлиять не только физико-химические характеристики ТХВ и спектральные свойства лакокрасочного покрытия, но и динамика диффузионных процессов, протекающих в системе «ЛКП-ТХВ». В свою очередь диффузионные процессы зависят от условий заражения поверхности АТТ, к которым следует отнести время, прошедшее после заражения объекта, плотности заражения тестовых поверхностей, а также температуру этих поверхностей. Следует отметить, что влияние всех вышеуказанных факторов на спектральные характеристики отражения ИК излучения будут проявляться в различной степени на различных стадиях диффузионных процессов в системе «ЛКП-ТХВ».
В связи с вышеизложенным для оценки влияния диффузионных процессов в системе «ЛКП-ТХВ» на спектральные характеристики отражения зараженных поверхностей АТТ была проведена серия экспериментов с применением диметилсульфоксида - имитатора зомана (патент 2261858, Российская Федерация, МПК7 C07C 317/04, G01N 21/35. Применение диметилсульфоксида в качестве имитатора фосфорорганических соединений. Алимов Н.И., Бойко А.Ю., Григорьев А.А. и др.; заявитель и патентообладатель в/ч 61469. - №2003137314/04; заявл. 24.12.2003.) и трехкомпонентной имитационной рецептуры ОВ типа VX на основе трибутилфосфата, диметилфталата и триэтаноламина. Следует отметить, что по совокупности своих физико-химических свойств данные вещества хорошо моделируют процессы заражения поверхности АТТ и кинетические процессы впитывания и испарения реальных ОВ с различных типов поверхностей. В качестве объекта исследований была выбрана металлическая поверхность, окрашенная перхлорвиниловой эмалью ХВ-518.
Эксперимент проводился при температуре окружающей среды в диапазоне от -130C до +210C. Время экспозиции (время, прошедшее после заражения поверхности ЛКП ХВ-518) варьировалось в интервале от 10 мин. до 300 мин. В качестве контролируемой физической величины рассматривалось пропускание ИК излучения на одной из характеристических частот в спектре отражения зараженной поверхности АТТ, которая может быть использована в качестве аналитической величины при обработке спектральных характеристик отражения индицируемой поверхности объекта. Для диметилсульфоксида в качестве аналитической величины использовалось пропускание на характеристической линии 1014 см-1, для трехкомпонентного имитатора ОВ типа V-газы использовалась характеристическая частота 1022 см-1. В каждом эксперименте проводилось измерение среднего значения анализируемой величины путем обработки 16 интерферограмм.
Фигурами 2-5 представлены результаты экспериментальных исследований с применением разработанной спектрорадиометрической установки беспробоотборного контроля зараженности поверхностей специальной и автотракторной техники стойкими токсичными химическими веществами.
-1
На фигурах 2-5 отчетливо видно, что построенные по зарегистрированным спектрам веществ их базовые линии имеют характерный наклон. Значения ординат этих линий монотонно убывают с увеличением волнового числа, то есть с уменьшением длины волны зондирующего излучения. Этот факт обусловлен тем, что в процессе относительно длительного облучения анализируемой поверхности она сама и вещество, находящееся на ней, успевают нагреваться и их спектральные свойства изменяются. Кроме того, детальный анализ спектров, зарегистрированных в условиях проведенного эксперимента, показал, что на снижение корреляции экспериментальных и эталонных спектров также влияет начальная температура индицируемого вещества. Так, например, у спектров веществ, зарегистрированных при начальной температуре вещества 21°C максимумы полос поглощения смещены относительно аналогичных полос в спектрах веществ с начальной температурой -13°C в среднем на 4 см в сторону более коротких длин волн, что согласуется с законом смещения Вина.
Таким образом, применение системы контроля температуры индицируемой поверхности ЛКП, сокращение времени ее облучения с помощью системы ИК широкополосной подсветки с одновременным наличием мощной спектральной базы спектральных характеристик отражения системы «ЛКП-ТХВ» при различных температурах и на различных стадиях диффузионных процессов в составе блока регистрации и обработки спектральной информации является необходимым условием обнаружения и идентификации различных ТХВ на окрашенных поверхностях АТТ и другой специальной техники. При этом целесообразно отметить, что для получения спектров отражения, качество которых является достаточным для распознавания индицируемых веществ, необходимо, чтобы площадь зараженного ТХВ участка анализируемой поверхности составляла не менее 10% от площади поля зрения приемно-регистрирующей системы ИК Фурье-спектрорадиометрической установки (см. фигуру 1, позиция 7). Данное обстоятельство также накладывает определенные требования на технические возможности блока автоматической координатной привязки и наведения поля зрения Фурье-спектрорадиометра на заданный участок зараженной ТХВ поверхности ЛКП.
Данная ИК Фурье-спектрорадиометирическая установка может быть использована для беспрбоотборного контроля зараженности стойкими токсичными веществами (ОВ и СДЯВ) поверхностей АТТ и технологического оборудования на ХОО в случае аварийных ситуаций, связанных с выбросом в окружающую среду аэрозолей стойких ТХВ. Результаты химического контроля могут быть использованы для прогноза масштабов и последствий химического заражения всего района размещения аварийного химически опасного объекта.