НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ СКАНИРУЮЩИЙ ИНФРАКРАСНЫЙ АНАЛИЗАТОР МЕТАНА И ПАРОВ УГЛЕВОДОРОДОВ В АТМОСФЕРНОМ ВОЗДУХЕ
LOW-TEMPERATURE SCANNING INFRARED ANALYZER OF METHANE AND HYDROCARBON VAPORS IN ATMOSPHERIC AIR

Область техники
Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам, предназначенным для анализа в атмосферном воздухе метана и паров углеводородов при низкой температуре Τ≥-80°С, и может быть использована для сканирования распределений их объемной концентрации на объектах нефтегазовой промышленности, а также для мониторинга атмосферы и предупреждения техногенных аварий.
Уровень техники
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.
Недостатками этого газоанализатора являются относительно большое значение временного отклика τ≥(15-30) с для используемых термокаталитического, полупроводникового и/или электрохимического сенсоров токсичных и горючих газов, а также невозможность их детектировать при температуре ниже -40°С (Система газоаналитическая СКВА-01, Руководство по эксплуатации, ЕКРМ.411741.001РЭ, ООО НПФ ИНКРАМ Москва, 2013). Кроме того, устройство не позволяет сканировать или непрерывно и последовательно осуществлять измерения концентрации и температуры в облаке углеводородов по его длине и высоте в атмосфере. Величина τ определяется как время, необходимое для регистрации объемной концентрации газовой смеси на уровне 90% от конечного значения после ее быстрого изменения.
Известен инфракрасный газоанализатор (патент РФ №2187093) для измерения объемной концентрации метана и других паров углеводородов, включающий инфракрасный оптический датчик, содержащий корпус с отверстиями для входа и выхода анализируемого газа, 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.
Недостатками этого инфракрасного газового анализатора являются относительно большая величина τ≈10 с, вследствие диффузионного отбора газа в измерительную газовую кювету оптического инфракрасного датчика, а также невозможность анализировать газы при температуре ниже -40°С и генерация ложных сигналов при градиенте температуры инфракрасного оптического датчика dT/dt≥2-3 град/мин. Кроме того, это устройство не позволяет сканировать по длине и высоте внутренний объем углеводородного облака, концентрацию и температуру газов в атмосфере.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению 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, снаружи нее установлена цилиндрическая электропечь, а внутри нее коаксиально и последовательно расположены пористый металлический наполнитель, аэрозольный фильтр, побудитель расхода анализируемого газа через отверстия для его входа и выхода в инфракрасном оптическом датчике и измеритель его внутренней температуры, дополнительную плату управления измерителями наружной и внутренней температуры анализируемого газа, побудителем его расхода и цилиндрической электропечью, установленную внутри цилиндрического корпуса.
Инфракрасный оптический датчик углеводородов включает инфракрасный светодиод, интерференционные фильтры, расположенную по ходу инфракрасного излучения светодиода газовую кювету с фокусирующими линзами инфракрасного излучения и его фотоприемники. Подключен к электронному блоку управления. Принцип его действия основан на избирательном поглощении инфракрасного излучения молекулами исследуемого газа. Амплитуда рабочего сигнала фотоприемника изменяется пропорционально концентрации углеводородных газов.
Описанный инфракрасный оптический датчик метана и других газообразных углеводородов разработан ООО "Оптосенс" под маркой MIPEX-02-X-X-X.1 (RX). Малогабаритный измерительный датчик взрывоопасных газов.
Устройство по прототипу позволяет измерять флуктуирующие значений объемной концентрации метана и паров углеводородов известного состава при температуре от -80 до (50-60)°С с величиной τ<1 с, причем для заданного состава паров инфракрасный газоанализатор предварительно калибруется на метрологическом стенде.
Недостатком устройства по прототипу является невозможность сканирования по длине и высоте распределений концентрации углеводородов внутри их облака в атмосферном воздухе, так как в процессе анализа устройство по прототипу устанавливается стационарно в заранее выбранной точке пространства на фиксированной высоте до 40-50 м.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемое изобретение является унификация конструкции инфракрасного анализатора паров углеводородов и расширение его функциональных возможностей.
Раскрытие сущности изобретения
Техническим результатом заявляемого изобретения является улучшение технических характеристик низкотемпературного сканирующего инфракрасного анализатора метана и паров легких углеводородов в атмосферном воздухе.
Для достижения технического результата предложен низкотемпературный сканирующий инфракрасный анализатор метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе, содержащий цилиндрический корпус, внутри которого расположены электронный блок и плата внешней коммуникации, а на его поверхности установлен 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, снаружи нее установлена цилиндрическая электропечь, а внутри нее коаксиально и последовательно расположены пористый металлический наполнитель, аэрозольный фильтр, побудитель расхода анализируемого газа через отверстия для его входа и выхода в инфракрасном оптическом датчике и измеритель его внутренней температуры, дополнительную плату управления измерителями наружной и внутренней температуры анализируемого газа, побудителем его расхода и цилиндрической электропечью, установленную внутри электронного блока, при этом к цилиндрическому корпусу газоанализатора присоединен на блоке подвески радиоуправляемый беспилотный летательный аппарат, включающий взлетно-посадочное основание, на котором установлен фюзеляж с полимерно-литиевым аккумулятором и с рамой из четырех радиальных балок, на концах которых расположены вертикально четыре электродвигателя с несущими винтами, причем блок подвески включает синтетический трос с электропроводящей жилой, длина которого более чем в пять раз превышает диагональное расстояние между вертикально установленными электродвигателями, и дюралевые фиксаторы синтетического троса к фюзеляжу и цилиндрическому корпусу, в котором дополнительно установлены плата памяти и радиопередачи сигналов инфракрасного оптического датчика, а электропроводящая жила синтетического троса подключена к полимерно-литиевому аккумулятору радиоуправляемого беспилотного летательного аппарата и к электронному блоку инфракрасного анализатора.
В результате присоединения к цилиндрическому корпусу инфракрасного анализатора на блоке подвески радиоуправляемого беспилотного летательного аппарата, включающего взлетно-посадочное основание, на котором установлен фюзеляж с полимерно-литиевым аккумулятором и с рамой из четырех радиальных балок, на концах которых расположены вертикально четыре электродвигателя с несущими винтами, создания блока подвески, включающего синтетический трос с электропроводящей жилой, длина которого более чем в пять раз превышает диагональное расстояние между вертикально установленными электродвигателями, и дюралевые фиксаторы синтетического троса к фюзеляжу и цилиндрическому корпусу, в котором дополнительно установлены плата памяти и радиопередачи сигналов инфракрасного оптического датчика, и подключения электропроводящей жилы синтетического троса к полимерно-литиевому аккумулятору радиоуправляемого беспилотного летательного аппарата и к электронному блоку инфракрасного анализатора удалось улучшить технические характеристики заявляемой полезной модели по сравнению с прототипом за счет создания инфракрасного анализатора для непрерывного сканирования распределений концентрации метана или паров углеводородов по высоте и длине объема облака в атмосфере при температуре от -80°С с непрерывной регистрацией сигналов инфракрасного оптического датчика, их накоплением в плате памяти или их радиопередачей на базовую станцию.
БПЛА выполнен в виде квадрокоптера или четырехроторного устройства, которое держится в воздухе, управляется и перемещается только за счет несущих винтов, 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. http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2016-11-1551).
Анализ расчетов и компьютерной модели анимации потоков воздуха от четырех работающих винтов БПЛА типа квадрокоптера выявил сложные колебания турбулентной скорости закрученных струй и давления воздуха, сформированных работой четырех роторов электродвигателей и винтов БПЛА на режиме их осевого обтекания, а также влиянием его рамы и фюзеляжа. Эти данные согласуются с экспериментальным анализом скорости и давления воздушного потока над и под БПЛА в зависимости от расстояния от несущих винтов (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: Александров В.Л. Воздушные винты. М.: Оборонгиз, 1951, 475 С.).
По мере удаления от БПЛА за счет размывания, поперечного подсасывания воздуха и расширения закрученной и затопленной струи воздуха ее скорость уменьшается до значений меньших характерных величин скорости движения БПЛА и турбулентных потоков атмосферного воздуха в анализируемом облаке в диапазоне от 5 до 10 м/с. На расстоянии L>5d воздушный поток от несущих винтов не существенно влияет на содержание анализируемого метана или паров углеводородов в облаке углеводородов.
В результате для устранения влияния турбулентных воздушных потоков БПЛА со скоростями индуктивного движения ≤40 м/с по ометаемой площади несущих винтов на анализируемое распределение концентрации метана или паров углеводородов длина синтетического троса L>5d, а синтетический трос блока подвески закреплен в центре тяжести фюзеляжа и инфракрасного анализатора для устойчивости движения БПЛА.
Кроме того, удаление инфракрасного анализатора от фюзеляжа b электродвигателей позволяет устранить динамические помехи, обусловленные токами, протекающими через проводники силовых цепей и порождающими электромагнитные поля в окружающем пространстве, напряженность которых постоянно меняется в зависимости от нагрузки на электродвигатели.
Оптимальное диагональное расстояние между вертикально установленными электродвигателями с несущими винтами, совпадающее с размером рамы, варьируется от 0,4 до 0,7 м, а оптимальная длина троса подвески инфракрасного газоанализатора составляет 2,5-4,5 м в зависимости от типа БПЛА и веса полезной нагрузки.
Питание инфракрасного анализатора осуществляется через синтетический трос подвески с электропроводящей жилой от литий-полимерного аккумулятора, расположенного в фюзеляже. Электропроводящая жила синтетического троса подключена к полимерно-литиевому аккумулятору БПЛА и к электронному блоку инфракрасного анализатора.
Низкотемпературный сканирующий инфракрасный анализатор обтекающей формы массой менее 350 г изготовлен на основе пластика. Масса блока подвески с инфракрасным анализатором не превышает 550 г. Для уменьшения веса полезной нагрузки фиксаторы крепления синтетического троса с электропроводящей жилой изготовлены из тонкостенного дюраля.
3
7
3
Это позволяет использовать низкотемпературный инфракрасный анализатор для сканирования распределений концентрации углеводородов в крупномасштабных облаках в атмосфере объемом от 10 до 10 м при низкой температуре до -80°С путем перемещения закрепленного на синтетическом тросе с электропроводящей жилой соответствующей длины инфракрасного анализатора по высоте и длине облака с помощью БПЛА типа квадрокоптера.
Длительность анализа облаков метана или паров углеводородов в воздухе определяется емкостью аккумулятора БПЛА, состоянием атмосферы, массой полезной нагрузки и составляет до 120 с при Τ≥-80°С. Максимальное время полета БПЛА зависит от его типа и варьируется от 15 («Phantom 4») до 60 («Geoscan 401») минут.
Летальный аппарат типа квадрокоптер не предназначен для длительной эксплуатации при отрицательной температуре воздуха Τ<-(20-25)°С, поскольку аккумулятор теряет накопленный заряд даже без нагрузки. В этом случае осуществляется предварительный подогрев аккумулятора или используется подогреваемые чехлы с термостатом, а оптимальное время анализа не превышает 120 с.
При кратковременном в течении менее 120 с сканировании углеводородной смеси с низкой температурой до -80°С оптимальная длина троса в зависимости от типа БПЛА составляет 2,5-4,5 м. Согласно экспериментальным данным с парами СПГ в этом случае не наблюдалось разбавление метана турбулентными воздушными потоками несущих винтов квадрокоптеров типа «Phantom 3 или 4» или «Geoscan 401». Кроме того, не фиксировалось влияние электромагнитного поля на результаты измерений (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).
БПЛА оснащен видеокамерой, закрепленной на фюзеляже, и системой определения его местоположения ГЛОНАСС/GPS. Электродвигатели снабжены регуляторами их оборотов для варьирования вертикальной V(y)≤3-5 м/с и горизонтальной V(x)≤10-15 м/с скоростей движения. Скорость набора высоты не превышает 5 м/с, а скорость снижения составляет менее 3 м/с. Движение квадрокоптера осуществляется без резких маневров. В противном случае подвешенный инфракрасный анализатор может сильно отклоняться от траектории, что приведет к крушению БПЛА.
Измеряемая объемная концентрация метана в воздухе составляет от 0,1 до 99 об.%, а более тяжелых углеводородов от 0,1 до 10 об.% с предварительной калибровкой инфракрасного оптического датчика.
В заявленном устройстве осуществляется дистанционное на оптимальном расстоянии от 200 до 3000-3500 м сканирование распределений концентрации и температуры в облаках и затопленных струях метановоздушной смеси или паров легких углеводородов (этан, пропан, бутан, гексан, пары бензина и т.п.) при температуре до -80°С без использования оптоволоконной связи для передачи данных на головной сервер согласно прототипу.
В процессе записи или передачи данных от инфракрасного оптического датчика синхронно и непрерывно определяются его пространственные координаты с помощью системы ГЛОНАСС/GPS. 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 на местности и в пространстве.
При частоте поступающих сигналов с инфракрасного оптического датчика от 1 до 10 Гц информация записывается на обычную карту памяти и после приземления БПЛА осуществляется считывание данных в компьютер по USB-интерфейсу.
Для анализа данных инфракрасного оптического датчика в реальном времени, а так же в случаях вероятного повреждения или потери летательного аппарата, осуществляется передача данных с него по радиоканалу на наземную базовую станцию, связанную с компьютером, с последующей индикацией на экране и записью на носитель информации. Выбор конкретной модели аппаратуры радиоканала и его номенклатура зависит от требуемой скорости передачи данных и расстояния удаления летательного аппарата от базовой станции. В частности, радиомодем 433 МГц RF LoRa модуль SX1278 РМ1280 с соответствующими настройками используется для радиопередачи на расстояние до 1500-2000 м.
4
7
3
В результате решается поставленная техническая задача заявленного низкотемпературного сканирующего инфракрасного анализатора метана и паров углеводородов путем непрерывного измерения распределения их концентрации и температуры внутри облака по его высоте и длине в смеси с атмосферным воздухом за счет быстрого и непрерывного сканирования внутреннего объема при температуре до -80°С с использованием радиоуправляемого БПЛА типа квадрокоптера с непрерывной регистрацией сигналов инфракрасного оптического датчика, их накоплением в карте памяти или их передачей по радиоканалу на базовую станцию головного сервера. Причем, заявленное устройство позволяет сканировать крупномасштабные метановоздушные смеси и пары углеводородов объемом до (10-10) м в атмосфере на высоте до 150-200 м. По прототипу сканирование крупномасштабных облаков метановоздушных смесей и паров углеводородов возможно только на высоте до 40-50 м путем создания стационарных сетевых систем инфракрасных анализаторов и с передачей данных по оптоволоконному кабелю на головной сервер.
Краткое описание чертежей
Принципиальная схема заявленного низкотемпературного сканирующего инфракрасного анализатора метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе изображена на фигуре, где:
1 - инфракрасный оптический датчик;
2 - отверстие для входа анализируемого потока газа;
3 - отверстие для выхода анализируемого потока газа;
4 - электронный блок управления к которому подключена электропроводящая жила синтетического троса 21;
5 - цилиндрический корпус;
6 - коммуникационная плата;
7 - дополнительная плата управления;
8 - внутренняя коаксиальная цилиндрическая труба;
9 - внешняя коаксиальная цилиндрическая труба;
10 - сетка;
11 - измеритель наружной температуры анализируемого газа;
12 - пористый металлический наполнитель;
13 - цилиндрическая электропечь;
14 - аэрозольный фильтр;
15 - побудитель расхода анализируемого газа;
16 - измеритель внутренней температуры;
17 - пылевой фильтр;
18 - разъем для подключения внешних цепей;
19 - плата памяти и радиопередачи сигналов инфракрасного оптического датчика 1;
20 - фиксатор троса к цилиндрическому корпусу инфракрасного анализатора;
21 - вертикальный с электропроводящей жилой синтетический трос блока подвески цилиндрического корпуса инфракрасного анализатора;
22 - дюралевый фиксатор синтетического троса 21 к фюзеляжу 28;
23 - блок подвески цилиндрического корпуса инфракрасного анализатора;
24 - взлетно-посадочное основание БПЛА;
25 - четыре несущих винта;
26 - четыре вертикально установленных бесколлекторных двигателя;
27 - рама из четырех радиальных балок;
28 - фюзеляж с полимерно-литиевый аккумулятором, к которому подключена электропроводящая жила троса 21;
29 - БПЛА типа квадрокоптер;
30 - полимерно-литиевый аккумулятор, расположенный в фюзеляже 28.
d - расстояние по диагонали между двумя электродвигателями 26;
L - длина троса 22;
Q - расход анализируемого газа в инфракрасный анализатор.
Осуществление изобретения
На фигуре приведена принципиальная схема заявленного низкотемпературного сканирующего инфракрасного анализатора смесей метана или паров углеводородов с атмосферным воздухом. Он содержит инфракрасный оптический датчик 1 с отверстиями в его корпусе для входа 2 и выхода 3 потока анализируемого газа, подключенный к электронному блоку управления 4, коммуникационную плату 6 и дополнительную плату управления 7, установленные внутри цилиндрического корпуса 5. Газовый канал состоит из внутренней 8 и внешней 9 коаксиальных, цилиндрических труб, причем на торце внутренней трубы 8 с защитной сеткой 10 расположен измеритель наружной температуры анализируемого газа 11. Внутри трубы 8 последовательно и коаксиально установлены пористый металлический наполнитель 12, аэрозольный фильтр 14, побудитель расхода анализируемого газа 15 и измеритель его внутренней температуры 16, а снаружи внутренней трубы 8 расположена цилиндрическая электропечь 13. Пылевой фильтр 17, установлен на выходе внешней трубы 9. Разъем для подключения внешних цепей 18, расположен на поверхности цилиндрического корпуса 5.
Инфракрасный оптический датчик 1 герметично состыкован с внутренней трубой 8 и включает корпус, инфракрасный светодиод с опорной и рабочей длинной 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, его фотоприемники опорного и рабочего измерительных каналов (на фигуре не показаны).
Измеряемая объемная концентрация метана в воздухе составляет от 0,1 до 99 об.%. Диапазон рабочих температур инфракрасного оптического датчика 1 варьируется от -40 до 60°С при условии, что скорость изменения его температуры dT/dt<2-3°С/мин.
Электронный блок управления 4 содержит усилители сигналов, платы стабилизированного питания и микроконтролер (на фигуре не показаны).
Электропроводящая жила синтетического троса 21 подключена к полимерно-литиевому аккумулятору БПЛА и к электронному блоку 4 для электрического питания инфракрасного анализатора от полимерно-литиевого аккумулятора БПЛА, расположенного внутри фюзеляжа 28.
Коммуникационная плата 6 включает устройство внешней коммутации и стабилизированного питания, управляющий микропроцессор и интерфейс с формирователем цифровых сигналов (на фигуре не показаны).
Измерители внешней 11 и внутренней 16 температуры анализируемого газа, побудитель его расхода 15 и цилиндрическая электропечь 13 подключены к дополнительной управляющей плате 7, содержащей стабилизированный источник питания побудителя расхода анализируемого газа с постоянным напряжением от 5 до 12 В, стабилизированный источник питания внешней цилиндрической электропечи до 12-14 В, соединенный обратной связью с анализатором показаний измерителей внешней 11 и внутренней 16 температуры анализируемого газа и управляемый микропроцессором для регулировки мощности электропечи 13 с целью поддержания заданной температуры нагрева анализируемого газа более -10°С перед подачей в отверстия 2. Оптимальный диапазон нагрева анализируемого газа составляет от -10 до 20°С.
Цилиндрические внутренняя 8 и внешняя 9 трубы газового канала выполнены из тонкостенного дюраля, не сорбирующего анализируемые газы.
Измерители наружной 11 и внутренней 16 температуры анализируемого газа собраны из термопарного кабеля хромель-алюмель.
Аэрозольный фильтр 14 изготовлен из стойкого к парам и перепадам температуры волокнистого материала класса F7-H11 для защиты инфракрасного оптического датчика от дисперсной фазы. Пылевой фильтр 17 выполнен в виде кольца из волокнистого материала класса F7 для устранения проникновения аэрозольных частиц в инфракрасный оптический датчик. Пористый металлический наполнитель 12 собран из пеноникеля с открытой пористостью около 90-95%.
БПЛА выполнен в виде квадрокоптера (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) и включает взлетно-посадочное основание 24, на котором установлен фюзеляж 28 с рамой из четырех радиальных балок 27, на концах которых расположены вертикально электродвигатели 26 с несущими винтами разнонаправленного по диагонали вращения 25. В фюзеляже 28 установлены центральная плата управления, видеокамера и аккумулятор 30, а в цилиндрическом корпусе 5 размещена плата памяти и радиопередачи сигналов 19 инфракрасного оптического датчика 1.
Количество радиальных балок 27 и вертикальных бесколлекторных электродвигателей 26 с несущими винтами 25 и регуляторами их оборотов (на фигуре не показаны) составляет четыре.
Плата 19 предназначена для накопления информации с инфракрасного оптического датчика 1 или непрерывной радиопередачи накопленных данных на базовую станцию. Величина временного отклика платы 19 составляет менее 0,1 с. Передача радиосигнала на базовую станцию головного сервиса осуществляется каждую 0,1 с.
Блок подвески 23 включает синтетический трос 22 с электропроводящей жилой, фиксатор его крепления 20 к цилиндрическому корпусу 5 и фиксатор его крепления 22 к фюзеляжу 28.
Анализ литературных расчетов и данных компьютерной модели анимации потоков воздуха от четырех работающих винтов БПЛА типа квадрокоптера выявил сложные колебания турбулентной скорости четырех закрученных струй и давления воздуха, сформированных работой роторов электродвигателей и винтов БПЛА на режиме осевого обтекания, а также влиянием его рамы и фюзеляжа (Александров В.Л. Воздушные винты. М.: Оборонгиз, 1951, 475 С.). Эти данные согласуются с экспериментальным анализом скорости и давления воздушного потока над и под БПЛА в зависимости от расстояния от несущих винтов (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)..
В результате для устранения влияния турбулентных воздушных потоков БПЛА со скоростями индуктивного движения ≤40 м/с по ометаемой площади несущих винтов 27 на анализируемую концентрацию метана или паров углеводородов длина L троса 21 более чем в пять раз превышает расстояние по диагонали d между вертикальными осями двух электродвигателей 26, а фиксатор 22 закреплен в центре тяжести фюзеляжа для устойчивости движения БПЛА. В этом случае скорость закрученной и затопленной струи воздуха вдоль ее оси уменьшается за счет размывания и утолщения до значений меньших характерных величин турбулентной скорости воздуха в атмосфере анализируемых облаков в диапазоне от (3-5) до (8-10) м/с.
Удаление инфракрасного анализатора от фюзеляжа позволяет устранить динамические помехи, обусловленные токами, протекающими через проводники силовых цепей и порождающими электромагнитные поля в окружающем пространстве, напряженность которых постоянно меняется в зависимости от нагрузки на электродвигатели.
Оптимальное расстояние d, совпадающее с размером рамы, варьируется от 0,4 до 0,7 м, а оптимальная длина троса подвески инфракрасного газоанализатора составляет L=2,5-4,5 м в зависимости от типа БПЛА и веса полезной нагрузки.
Питание инфракрасного анализатора осуществляется через синтетический трос с электропроводящей жилой 21 в виде витой пары от литий-полимерного аккумулятора 30, расположенного в фюзеляже 28.
Сканирующий инфракрасный анализатор обтекаемой формы и массой менее 350 г изготовлен на основе пластика. Масса блока подвески 23 с инфракрасным анализатором не превышает 550 г. Для облегчения веса полезной нагрузки фиксаторы блока подвески изготовлены из тонкостенного дюраля.
3
7
3
Это позволяет использовать инфракрасный анализатор для сканирования крупномасштабных облаков углеводородов в атмосфере объемом от 10 до 10 м при низкой температуре до -80°С путем перемещения закрепленного на тросе соответствующей длины инфракрасного анализатора по высоте и длине облака с помощью БПЛА типа квадрокоптера.
Длительность анализа облаков метана или паров углеводородов в воздухе определяется емкостью аккумулятора БПЛА, состоянием атмосферы и составляет до 120 с при низкой температуре. Максимальное время полета БПЛА зависит от его типа и варьируется от 15 (тип «Phantom 3 или 4») до 60 (тип «Geoscan 401») минут.
Летальный аппарат не предназначен для эксплуатации более 120 с при отрицательной температуре воздуха Τ<-(20-25)°С, поскольку аккумулятор теряет накопленный заряд даже без нагрузки. В этом случае осуществляется предварительный подогрев аккумулятора или используется подогреваемые чехлы с термостатом, а оптимальное время анализа составляет менее 120 с.
При кратковременном менее 120 с сканировании углеводородной смеси в атмосфере с низкой температурой до -80°С оптимальная длина троса в зависимости от типа БПЛА составляет 2,5-4,5 м. В этом случае не наблюдалось разбавление или концентрирование метана турбулентными воздушными потоками несущих винтов различных квадрокоптеров и влияние магнитного поля на результаты измерений (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).
БПЛА оснащен видеокамерой, закрепленной на фюзеляже, и системой определения его местоположения ГЛОНАСС/GPS 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 3-5 м/с, а ее снижения менее 2-3 м/с.Движение квадрокоптера осуществляется без резких маневров. В противном случае подвешенный инфракрасный анализатор может сильно отклоняться от траектории движения БПЛА, что может привести к его крушению.
Низкотемпературный сканирующий инфракрасный анализатор метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе работает следующим образом. Побудитель расхода 15 непрерывно аспирирует газообразную смесь последовательно через пористый металлический наполнитель 12 и аэрозольный фильтр 14 в инфракрасный оптический датчик 1 через отверстия 2 и 3. Его расход составляет Q=2,5-5 литр/мин. Это позволяет обеспечить доставку метановоздушной смеси или паров этана, пропана, бутана, бензина и т.п.через входные 2 и выходные 3 отверстия в измерительную газовую кювету инфракрасного оптического датчика в течение 0,15-0,3 с в зависимости от величины Q.
Метан и другие углеводородные газы детектируются путем измерения избирательного поглощения молекулами инфракрасного излучения с рабочей длиной волны 3,31 мкм. Инфракрасное излучение светодиода проходит через измерительную газовую кювету и попадает на два фотоприемника, один из которых регистрирует только излучение в диапазоне длин волн 3,31 мкм, а другой в диапазоне опорных длин волн около 3,65 мкм (на фигуре не показаны). Исследуемый газ поглощает излучение рабочей длины волны и не влияет на излучение опорной длины волны.
Перед подачей метана или паров углеводородов в инфракрасный оптический датчик 1 осуществляется их подогрев в газовом канале 8 цилиндрической электропечь 13, подключенной к дополнительной управляющей плате 7, содержащей стабилизированный источник ее питания (на фигуре не показан), соединенный обратной связью с анализатором показаний измерителей наружной 11 и внутренней 16 температуры анализируемого газа и управляемый микропроцессором для регулировки мощности электропечи 13 с целью поддержания заданной температуры нагрева анализируемого газа более -10°С перед подачей в отверстия 2. Максимальная температура анализируемой пробы газа не превышает 60°С. При более высокой температуре аккумулятор и инфракрасный оптический датчик разрушаются.
Сканирование газовой смеси в объеме облака при скорости ветра в атмосфере менее 10-12 м осуществляется инфракрасным анализатором при ручном управлении или в режиме автопилота БПЛА. Радиоуправляемый аппарат двигается горизонтально с постоянной скоростью V(x)≈1-10 м и вертикально вниз или вверх с постоянной скоростью V(y)≈1-3 м/с через облако с непрерывным анализом отбираемой смеси углеводородов с воздухом в инфракрасный оптический датчик 1. Сигнал с него записывается на плату памяти 19 с временным откликом менее 0,1 с и считывается после приземления БПЛА в компьютер, например, через USB-интерфейс.
В случае экспресс анализа облаков углеводородов или работы в режиме текущего времени, а также в случаях вероятного повреждения или потери БПЛА сигнал с карты памяти типа San Disk 256 MB по радиоканалу через радиомодем, например, 433 МГц RF LoRA модуль SX1278 РМ1280 передается каждую 0,1 с на наземную базовую станцию, связанную с компьютером с последующей индикацией на экране и записью на носитель информации.
В результате в заявленном устройстве осуществляется одновременное дистанционное на расстоянии до 3000-3500 м измерение распределений концентрации и температуры в облаках и выбросах метановоздушной смеси или паров легких углеводородов (этан, пропан, бутан, гексан, пары бензина и т.п.) в атмосфере при температуре до -80°С без использования оптоволоконной связи 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 более тяжелых 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/GPS. 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.
4
7
3
В результате решается поставленная техническая задача заявленного низкотемпературного сканирующего инфракрасного анализатора метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе путем непрерывного измерения его концентрации внутри объема углеводородного облака по его высоте и длине в атмосфере за счет быстрого и непрерывного сканирования его внутреннего объема, при температуре до -80°С с использованием радиоуправляемого БПЛА типа электрического квадрокоптера с непрерывной регистрацией сигналов инфракрасного оптического датчика, их накоплением в карте памяти или радиопередачей на базовую станцию головного сервера. Причем, заявленное устройство позволяет сканировать крупномасштабные метановоздушные смеси и пары углеводородов объемом до (10-10)м в атмосфере на высоте до 150-200 м. По прототипу сканирование крупномасштабных облаков метановоздушных смесей или паров углеводородов возможно только на высоте до 40-50 м путем создания стационарных сетевых систем инфракрасных анализаторов и с передачей данных по оптоволоконному кабелю на удаленный головной сервер.
Пример.
Для регистрации при низкой температуре метана и паров углеводородов использовался модифицированный инфракрасный оптический датчик 1 типа MIPEX ОПТОСЕНС с отверстиями 2 и 3 в корпусе для поступления анализируемого газа в измерительную газовую кювету с электронным блоком 4 и коммуникационной платой 6 (патент РФ, №2187093, «Малогабаритный измерительный датчик взрывоопасных газов MIPEX-02-X-X-X.1 (RX)». Руководство по эксплуатации ESAT.413347.002 РЭ. Версия 04 19.04.2017. 50 С.Собственность ООО "Оптосенс" г. Санкт-Петербург). Характерное время срабатывания его электронной схемы составляет менее 0,35 с. Время быстродействия анализатора составляло τ=0,5 с.
В качестве измерителей 11 и 16 для анализа внешней и внутренней температуры газов использовались две термопары хромель-алюмель с быстродействием около 0,15 с.
Внешняя цилиндрическая электропечь 13 была выполнена в виде изолированного электрического сопротивления типа С5-35 В с номинальной мощностью рассеивания 50 Ватт и с намотанной проволокой на керамической трубке. Электропечь 13 подключена к дополнительной управляющей плате 7 с микропроцессором (на фигуре не показан), содержащей стабилизированный источник с регулируемым напряжением до 12-14 В и током нагрузки до 1 А, соединенный обратной связью с анализатором показаний внешней 11 и внутренней 16 термопар хромель алюмель и управляемый микропроцессором для регулировки ее мощности. Температура нагревания анализируемого газа перед его поступлением в чувствительную зону газовой кюветы инфракрасного оптического датчика 1 поддерживалась в диапазоне от -10 до 20°С. Нагрев потока газа осуществлялся при пониженной температуре, когда ее величина снаружи согласно показаниям термопары 11 варьировалась ниже -10°С.
Внутренние диаметры коаксиальных внутренней 8 и внешней 9 труб газового канала из дюраля были равны 13 и 60 мм. Фильтры 14 и 17 были изготовлены из волокнистого полиэстера.
В качестве побудителя расхода анализируемого газа 15 использовался взрывозащищенный микрокомпрессор производительностью до 5 литр/мин и с постоянным напряжением питания 12 В от источника стабилизированного питания дополнительной управляющей платы 7 с микропроцессором. Расстояние между микрокомпрессором и входными отверстиями 2 инфракрасного оптического датчика 1 составляло 8-9 мм.
В качестве БПЛА использовались квадрокоптеры типа OJI "Phantom 4 professional" в режиме стабилизации (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 вертикального вверх или вниз V(y)=2-3 м/с и t(y)≈15 с. Радиоуправление на частоте 2,4 ГТц. Расстояние d≈0,35 м. Движение квадрокоптера осуществлялось без резких маневров.
В процессе записи или передачи данных от инфракрасного оптического датчика синхронно и непрерывно определялись его координаты в пространстве с помощью ГЛОНАСС/GPS системы. Это позволило сканировать облако, определять температуру и концентрацию метана или паров внутри объема облаков или затопленных струй углеводородов с привязкой к пространственным координатам местности.
Длина синтетического троса 21 из полиэтилена с электропроводящей жилой в виде витой парой составляла L≈2,5 метра.
Электрическое питания инфракрасного анализатора осуществлялось через электронный блок 4 с помощью электропроводящей жилы троса 21, подключенной к аккумулятору 30 БПЛА.
С помощью заявленного устройства было просканированы облако из паров СПГ с примесями паров бензина в атмосфере при температуре от - 80 до (10-15)°С. Облако создавалось импульсным диспергированием сжиженного природного газа (СПГ) для коммунально-бытового назначения и автомобильного бензина АИ-92-5 с температурой замерзания около -72°С и давлением насыщенных паров до 45-60 кПа. Максимальный диаметр сфероидального облака составлял 30-40 м, а его высота - (45-55) м. Инфракрасный оптический датчик 1 был предварительно прокалиброван для смеси использованного бензина АИ-92-5 и СПГ с содержанием метана около 98 об.%.
Информация от оптического датчика с частотой 2 Гц записывалась на карту памяти San Disk 256 MB с временным откликом менее 0,1 с и считывалась после приземления БПЛА в компьютер через USB-интерфейс.
Для экспресс анализа облаков углеводородов и работы в режиме текущего времени сигнал через радиомодем 433 МГц RF LoRa модуль SX1278 РМ1280 с соответствующими настройками передался каждую 0,1 с на наземную базовую станцию, связанную с компьютером с последующей индикацией на экране и записью на носитель информации. Расстояние удаления БПЛА от базовой станции составляло до 1500-2000 м.
В результате для смеси углеводородов и воздуха было измерено неоднородное распределение их концентрации от 15 до 30 об.% в объеме облака, а также температуры от 10°С по краям облака до -80°С в его центральной части. Кроме того, была исследована кинетика рассеивания облака под действием атмосферных ветровых потоков и конвекции.
В отдельных опытах использовался квадрокоптер типа «Geoscan 401» с длиной рамы d≈0,7 м для увеличения устойчивости движения, времени полета и полезной нагрузки до 2500 г.
Таким образом, сравнение характеристик заявленного низкотемпературного сканирующего инфракрасного анализатора метана и паров углеводородов в атмосфере с прототипом показывает, что за счет подвески инфракрасного анализатора к БПЛА типа квадрокоптер удалось расширить функциональные возможности заявленной конструкции путем сканирования по высоте от 5-10 м до 150-200 м и длине от 10 до более 100 м внутреннего объема облаков и/или затопленных струй углеводородов в воздухе, флуктуирующих по концентрации и температуре от -80 до (30-60)°С с временным откликом менее 1 с и накоплением информации в карте памяти с периодом регистрации 0,1 с или ее радиопередачи на базовую станцию каждые 0,1 с. По прототипу невозможно сканировать объем углеводородного облака и/или затопленных струй, так как инфракрасный анализатор устанавливается стационарно в заданной точке пространства на мачте и/или тросе на высоте до 40-50 м.