НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ СКАНИРУЮЩИЙ АНАЛИЗАТОР ПАРОВ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА В АТМОСФЕРЕ

Область техники
Полезная модель относится к области измерительной техники, а именно к устройствам для анализа в атмосфере выбросов и облаков паров регазифицированного сжиженного природного газа (метан, этан, пропан и др. легкие алканы) при температуре Т ≥-80°С, и может быть использована для сканирования распределений их объемной концентрации при мониторинге атмосферы на объектах нефтегазовой промышленности.
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.
Данное устройство не позволяет сканировать или непрерывно и последовательно осуществлять измерение концентрации паров углеводородов сжиженного природного газа (СПГ) по длине и высоте их выброса или облака в атмосфере, что является его недостатком.
Известен инфракрасный газоанализатор (патент РФ на изобретение №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 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 данного инфракрасного газоанализатора являются большая величина быстродействия τ ≈ 10 с, вследствие диффузионного отбора анализируемого газа, а также невозможность низкотемпературного сканирования концентрации паров СПГ в атмосфере при Т<-40°С.
Известен инфракрасный газоанализатор (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 температуры, дополнительную плату управления измерителями наружной и внутренней температуры анализируемого газа, побудителем его расхода и цилиндрической электропечью, установленную внутри цилиндрического корпуса. Инфракрасный оптический датчик паров СПГ включает инфракрасный светодиод, интерференционные фильтры и газовую кювету с фокусирующими линзами инфракрасного излучения и его фотоприемники. Принцип его действия основан на избирательном поглощении инфракрасного излучения молекулами анализируемого газа. Амплитуда сигнала фотоприемника пропорциональна концентрации паров СПГ.
Устройство позволяет измерять флуктуирующие значений концентрации паров СПГ при температуре от -80°С до +55°С с его предварительной калибровкой. Недостатком устройства является невозможность сканирования распределений концентрации паров СПГ.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является низкотемпературный сканирующий инфракрасный анализатор метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе (патент РФ на изобретение №2743493), 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, причем анализатор также содержит дополнительную плату управления измерителями наружной и внутренней температуры анализируемого газа, побудителем его расхода и цилиндрической электропечью, установленную внутри электронного блока, присоединенный к цилиндрическому корпусу газоанализатора 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 L более чем в пять раз превышает диагональное расстояние d 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 (БПЛА) и к электронному блоку для преобразования, управления и электрического питания инфракрасного анализатора.
Устройство по прототипу позволяет осуществлять сканирование распределений концентрации метана и паров широкой фракции легких углеводородов (этан, пропан и др. легкие алканы) СПГ по объему облака при температуре до -80°С с непрерывной регистрацией сигналов инфракрасного оптического датчика, их накоплением в плате памяти и радиопередачей на базовую станцию, причем тяговая воздушная струя БПЛА не влияет на распределение концентрации паров СПГ в облаке, так как длина L>5d и ее оптимальное значение составляет 2,5-4,5 м.
5
3
Недостатком устройства по прототипу является несовершенство конструкции блока подвески синтетического троса с электропроводящей жилой и с дюралевыми фиксаторами к БПЛА и к цилиндрическому корпусу низкотемпературного сканирующего инфракрасного анализатора паров СПГ в атмосфере. В результате возникают существенные сложности анализа крупномасштабных облаков из смеси воздуха и паров СПГ высотой Н ≥40-50 м и объемом V>10 м, поскольку в этом случае необходимо использовать синтетический трос с электропроводящей жилой с длиной соизмеримой с высотой анализируемого облака. Блок подвески столь длинного синтетического троса с электропроводящей жилой и с дюралевыми фиксаторами, их подъем и перенос в полете к месту анализа технически осуществить крайне сложно в условиях турбулентной атмосферы и переменного ландшафта. В результате это приводит к невозможности сканирования крупномасштабных облаков или выбросов паров СПГ в атмосфере. Кроме того, БПЛА не предназначен для эксплуатации при температуре воздуха менее -20°С, поскольку его аккумулятор быстро теряет заряд даже без нагрузки.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель является унификация конструкции низкотемпературного сканирующего анализатора паров сжиженного природного газа в атмосфере и расширение его функциональных возможностей.
Раскрытие сущности полезной модели
5
3
Техническим результатом заявляемой полезной модели является возможность измерения распределения концентрации внутри крупномасштабных облаков или выбросов паров сжиженного природного газа в атмосфере на высоте Н ≥ 40-50 м и объемом V>10 м в процессе низкотемпературного сканирования концентрации паров по их объему в атмосфере при Т≥-80°С.
Для достижения технического результата предложен низкотемпературный сканирующий анализатор паров сжиженного природного газа в атмосфере, содержащий цилиндрический корпус, внутри которого расположены электронный блок и плата внешней коммуникации, дополнительная плата памяти и радиопередачи сигналов инфракрасного газоанализатора, 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, присоединенный к цилиндрическому корпусу 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 с электропроводящей жилой к фюзеляжу и цилиндрическому корпусу, а электропроводящая жила синтетического троса подключена к полимерно-литиевому аккумулятору радиоуправляемого беспилотного летательного аппарата и к электронному блоку для преобразования, управления и электрического питания инфракрасного газоанализатора, при этом, внутри взлетно-посадочного основания беспилотного летательного аппарата сваркой закреплены вращающаяся катушка с намотанным на нее синтетическим тросом с электропроводящей жилой и промышленный сервопривод, на штоке которого расположен дюралевый фиксатор синтетического троса с электропроводящей жилой для сброса на синтетическом тросе с электропроводящей жилой инфракрасного газоанализатора в атмосферу с парами СПГ, при этом, нижний конец синтетического троса сваркой приварен к дюралевому фиксатору, нижняя часть которого сваркой приварена к цилиндрическому корпусу инфракрасного газоанализатора, а верхний конец синтетического троса сваркой приварен к дюралевому фиксатору, верхняя часть которого сваркой приварена к фюзеляжу беспилотного летательного аппарата.
5
3
В результате закрепления сваркой на радиоуправляемом беспилотном летальном аппарате промышленного сервопривода, установки в блоке подвески вращающейся катушки с намотанным на нее синтетическим тросом с электропроводящей жилой, расположения его дюралевого фиксатора к цилиндрическому корпусу инфракрасного газоанализатора на штоке подвеса промышленного сервопривода для сброса на синтетическом тросе с электропроводящей жилой инфракрасного газоанализатора в атмосферу, достигается технический результат заявляемой полезной модели, а именно, улучшение ее технических характеристик путем осуществления анализа крупномасштабных облаков или выбросов паров СПГ в атмосфере высотой Н ≥ 40-50 м и объемом V>10 м в процессе их сканирования и определения объемной концентрации паров СПГ при Т ≥ -80°С.
Сервопривод, установленный на БПЛА, производится промышленно. С его механического штока подвеса сбрасывается на синтетическом тросе с электропроводящей жилой инфракрасный газоанализатор с подогревом низкотемпературных паров СПГ на входе.
На вращающейся катушке с намотанным на нее синтетическим тросом с электропроводящей жилой установлена тормозная колодка для ограничения скорости ее вращения и обеспечения равномерного движения инфракрасного газоанализатора через анализируемое облако паров СПГ в атмосфере.
Алгоритм сканирования концентрации паров СПГ в атмосфере включает выполнение последовательности следующих действий:
1. Оператор с помощью пульта радиоуправления по радиоканалу выводит низкотемпературный сканирующий анализатор паров СПГ в заданное место над их облаком или выбросом в атмосфере;
2. В заданный момент времени с блока управления БПЛА подается заранее запрограммированная в полетном контроллере команда на сброс со штока подвеса промышленного сервопривода дюралевого фиксатора цилиндрического корпуса инфракрасного газоанализатора на синтетическом тросе с электропроводящей жилой более 40-50 м, намотанного на вращающуюся катушку;
3. Под действием силы тяжести инфракрасного газоанализатора синтетический трос с электропроводящей жилой разматывается с катушки с тормозной колодкой, а инфракрасный газоанализатор на синтетическом тросе с электропроводящей жилой движется сквозь облако паров СПГ в атмосфере и передает данные об их концентрации на приемный радиомодем базовой станции головного сервера, расположенного на безопасном расстоянии более до 2000 м;
4. С помощью интерфейса RS-485 результаты с базовой станции передаются в компьютер головного сервера, где обрабатываются и записываются.
БПЛА держится и перемещается в воздухе за счет несущих винтов (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). Анализ расчетов и компьютерной модели анимации потоков воздуха, например, 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 (Свердлов С.З. Оптимальный вертикальный подъем электрического мультикоптера. Инженерный журнал: наука и инновации, 2016, выпуск 11, С.1). По мере удаления от БПЛА за счет размывания, поперечного подсасывания воздуха и расширения закрученной и затопленной струи воздуха ее скорость уменьшается до значений меньших турбулентных потоков атмосферного воздуха в облаке паров СПГ в диапазоне от 5 до 10 м/с. При L>5d воздушный поток от несущих винтов БПЛА практически не влияет на содержание паров СПГ в их облаке.
Оптимальное диагональное расстояние между вертикально установленными электродвигателями с несущими винтами, совпадающее с размером рамы, варьируется от 0,4 до 0,7 м, а длина троса подвески инфракрасного газоанализатора составляет более 40-50 м. Синтетический трос с электропроводящей жилой намотан на вращающуюся катушку, концы которого сваркой приварены к дюралевым фиксаторам, которые сваркой приварены как к центру тяжести фюзеляжа, так и к цилиндрическому корпусу инфракрасного газоанализатора. Его питание осуществляется через синтетический трос с электропроводящей жилой от полимерно-литиевого аккумулятора БПЛА, расположенного в фюзеляже.
5
3
Это позволяет использовать предложенный низкотемпературный сканирующий инфракрасный анализатор паров СПГ в атмосфере для измерения распределений их концентрации в крупномасштабных облаках или выбросах в атмосфере высотой более 40-50 м и объемом более 10 м при Т≥-80°С. Длительность анализа облаков паров СПГ в воздухе определяется емкостью аккумулятора БПЛА, состоянием атмосферы и массой полезной нагрузки. Причем, БПЛА не находится в анализируемом облаке, поскольку не предназначен для эксплуатации при температуре воздуха менее -20°С, так как его полимерно-литиевый аккумулятор быстро теряет накопленный заряд даже без полезной нагрузки.
Измеряемая объемная концентрация метана в воздухе составляет от 0,1 до 99 об.%, а паров этана, пропана, бутан и др. от 0,1 до 10 об.% с предварительной калибровкой инфракрасного газоанализатора.
В процессе записи и передачи данных низкотемпературного сканирующего анализатора паров СПГ в атмосфере синхронно и непрерывно определяются его пространственные координаты с помощью системы ГЛОНАСС. Это позволяет определять концентрацию углеводородов с привязкой к объему облаков или выбросов паров СПГ в зависимости от их положения на местности.
При частоте поступающих сигналов с инфракрасного газоанализатора от 1 до 10 Гц информация записывается на плату памяти и радиопередачи сигналов в реальном масштабе времени на базовую станцию удаленного на безопасное расстояние головного сервера. Базовая станция связанна с компьютером для записи данных на носитель информации. Выбор модели платы памяти и радиопередачи сигналов, его номенклатура зависит от требуемой скорости их передачи и расстояния удаления от базовой станции.
5
3
5
3
В результате решается поставленная техническая задача заявленного низкотемпературного сканирующего инфракрасного анализатора паров СПГ в атмосфере путем осуществления непрерывного измерения распределения их концентрации внутри крупномасштабных облаков и выбросов паров СПГ высотой более 40-50 м и объемом от 10 м при Т≥-80°С по их высоте и длине при температуре до -80°С с непрерывной регистрацией сигналов инфракрасного газоанализатора, их накоплением в плате памяти и передачей по радиоканалу на базовую станцию удаленного на безопасное расстояние головного сервера. Причем, заявленное устройство позволяет сканировать концентрации крупномасштабных смесей воздуха и паров СПГ объемом более 10 м в атмосфере на высоте до 150-200 м.
5
3
В устройстве по прототипу блок подвески столь длинного синтетического троса с электропроводящей жилой и с дюралевыми фиксаторами, их перенос в полете для сканирования крупномасштабных облаков или выбросов паров СПГ технически трудно осуществить в условиях турбулентной атмосферы и пересеченной местности. Его максимальная длина L<10 м. Это приводит к невозможности сканирования концентрации углеводородов крупномасштабных облаков паров СПГ высотой более 40-50 м и объемом от 10 м при низкой температуре до -80°С.
Краткое описание чертежей
Принципиальная схема заявляемого низкотемпературного сканирующего анализатора паров СПГ в атмосфере приведена на фигуре, где:
1 - инфракрасный газоанализатор;
1.1 - инфракрасный оптический датчик инфракрасного газоанализатора;
2 - отверстие для входа анализируемого потока паров СПГ с воздухом;
3 - отверстие для выхода анализируемого потока паров СПГ с воздухом;
4 - электронный блок;
5 - цилиндрический корпус;
6 - плата внешней коммутации;
7 - дополнительная плата управления;
8 - внутренняя коаксиальная цилиндрическая труба;
9 - внешняя коаксиальная цилиндрическая труба;
10 - защитная сетка;
11 - измеритель наружной температуры анализируемого газа, включающего пары СПГ в смеси с атмосферным воздухом;
12 - пористый металлический наполнитель;
13 - цилиндрическая электропечь;
14 - аэрозольный фильтр;
15 - побудитель расхода анализируемого газа в инфракрасный газоанализатор;
16 - измеритель внутренней температуры анализируемого газа, состоящего из отобранной побудителем расхода смеси паров СПГ и воздуха;
17 - пылевой фильтр;
18 - разъем для подключения внешних цепей;
19 - плата памяти и радиопередачи сигналов инфракрасного оптического датчика 1.1 инфракрасного газоанализатора 1;
20 - дюралевый фиксатор синтетического троса с электропроводящей жилой к цилиндрическому корпусу инфракрасного газоанализатора;
21 - синтетический трос с электропроводящей жилой блока подвески цилиндрического корпуса инфракрасного газоанализатора;
22 - дюралевый фиксатор синтетического троса с электропроводящей жилой к фюзеляжу;
23 - блок подвески цилиндрического корпуса инфракрасного газоанализатора;
24 - взлетно-посадочное основание БПЛА;
25 - четыре несущих винта;
26 - четыре вертикально установленных бесколлекторных электродвигателя;
27 - рама БПЛА из четырех радиальных балок;
28 - фюзеляж БПЛА;
29 - БПЛА типа квадрокоптера;
30 - вращающаяся катушка с тормозной колодкой и с намотанным на нее синтетическим тросом с электропроводящей жилой длиной более 40-50 м в блоке подвески;
31 - промышленный сервопривод, установленный на БПЛА;
32 - шток подвеса промышленного сервопривода для сброса на синтетическом тросе с электропроводящей жилой инфракрасного газоанализатора в атмосферу с парами СПГ;
d - расстояние по диагонали между двумя электродвигателями 26;
Q - расход анализируемого газа в инфракрасный газоанализатор.
Осуществление полезной модели
На фигуре приведена принципиальная схема заявленного низкотемпературного сканирующего анализатора паров СПГ в атмосфере с инфракрасным газоанализатором 1, включающим цилиндрический корпус 5, внутри которого расположены электронный блок 4 и плата внешней коммуникации 6, дополнительная плата памяти и радиопередачи сигналов 19, а на его поверхности установлен инфракрасный оптический датчик 1.1 с отверстиями для входа 2 и выхода 3 анализируемого газа, газовый канал, состоящий из коаксиальных внутренней 8 и внешней 9 цилиндрических труб, причем внешняя труба 9 герметично присоединена к цилиндрическому корпусу 5 и на ее выходе размещен пылевой фильтр 17, а внутренняя труба 8 коаксиально и герметично соединена с инфракрасным оптическим датчиком 1.1, на ее торце расположен измеритель наружной температуры анализируемого газа 11, снаружи нее установлена цилиндрическая электропечь 13, а внутри нее коаксиально и последовательно расположены пористый металлический наполнитель 12, аэрозольный фильтр 14, побудитель расхода анализируемого газа 15 через отверстия для его входа 2 и выхода 3 в инфракрасном оптическом датчике 1.1 и измеритель его внутренней температуры 16, дополнительную плату управления 7 измерителями наружной 11 и внутренней 16 температуры анализируемого газа, побудителем его расхода 15 и цилиндрической электропечью 13, установленную внутри электронного блока 4, присоединенный к цилиндрическому корпусу 5 на блоке подвески 23 радиоуправляемый беспилотный летательный аппарат 29, включающий взлетно-посадочное основание 24, на котором установлен фюзеляж 28 с полимерно-литиевым аккумулятором и с рамой из четырех радиальных балок 27, на концах которых расположены вертикально четыре электродвигателя 26 с несущими винтами 25, причем блок подвески 23 включает синтетический трос с электропроводящей жилой 21, длина которого L более чем в пять раз превышает диагональное расстояние d между вертикально установленными электродвигателями 26, и дюралевые фиксаторы 22 и 20 синтетического троса с электропроводящей жилой 21 к фюзеляжу 28 и цилиндрическому корпусу 5, соответственно, а электропроводящая жила синтетического троса 21 подключена к полимерно-литиевому аккумулятору радиоуправляемого беспилотного летательного аппарата 29 и к электронному блоку 4 для преобразования, управления и электрического питания инфракрасного газоанализатора 1.
На БПЛА 29 закреплен промышленный сервопривод 31. В блоке подвески дополнительно установлена вращающаяся катушка 30 с намотанным на нее синтетическим тросом с электропроводящей жилой 21, а его дюралевый фиксатор 20 к цилиндрическому корпусу 5 расположен на штоке подвеса 32 промышленного сервопривода 31 для сброса на синтетическом тросе с электропроводящей жилой 21 инфракрасного газоанализатора 1 в атмосферу с парами СПГ.
На торце внутренней трубы 8 установлена защитная сетка 10 и расположен измеритель наружной температуры анализируемого газа 11. Пылевой фильтр 17 закреплен на выходе внешней трубы 9. Разъем для подключения внешних цепей 18, расположен на поверхности цилиндрического корпуса 5.
Инфракрасный оптический датчик 1.1 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.%, а паров этана, пропан, бутана и др. легких алканов от 0,1 до 10 об.% с предварительной калибровкой инфракрасного газоанализатора. Диапазон его рабочих температур варьируется от -80 до 60°С.
Электронный блок управления 4 содержит усилители сигналов, платы стабилизированного питания и микроконтролер (на фигуре не показаны).
Плата внешней коммутации 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 плате управления 7, содержащей стабилизированный источник питания побудителя расхода анализируемого газа с постоянным напряжением от 5 до 12В, стабилизированный источник питания внешней цилиндрической электропечи до 12-14В, соединенный обратной связью с анализатором показаний измерителей внешней 77 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 17 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. Наполнитель 12 собран из пеноникеля с открытой пористостью до 90-95%.
БПЛА выполнен в виде квадрокоптера. В его фюзеляже 28 установлены центральная плата управления, видеокамера и полимерно-литиевый аккумулятор (на фигуре не показаны), а в цилиндрическом корпусе 5 размещена плата памяти и радиопередачи сигналов 19 инфракрасного оптического датчика 1.1. Количество радиальных балок 27 и вертикальных бесколлекторных электродвигателей 26 с несущими винтами 25 и регуляторами их оборотов (на фиг. 1 не показаны) составляет четыре.
Плата 19 предназначена для накопления информации с инфракрасного оптического датчика 1.1 и радиопередачи накопленных данных на удаленную на безопасное расстояние базовую станцию головного сервера каждую 0,1 с. Величина ее временного отклика составляет менее 0,1 с.
Анализ литературных расчетов и данных компьютерной модели анимации потоков воздуха от четырех работающих винтов БПЛА 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. 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 троса L 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 тяговой струи воздуха вдоль ее оси уменьшается за счет размывания и утолщения до значений меньших характерных величин турбулентной скорости воздуха в диапазоне от 3 до 10 м/с. Кроме того, удаление инфракрасного газоанализатора 1 от фюзеляжа 28 позволяет устранить возможные 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 длина троса подвески 21 инфракрасного газоанализатора 1 составляет более 40-50 м в зависимости от типа БПЛА, веса полезной нагрузки и размеров крупномасштабных облаков паров СПГ.
Питание инфракрасного газоанализатора 1 осуществляется через синтетический трос подвески с электропроводящей жилой в виде витой пары 27 от полимерно-литиевого аккумулятора, расположенного в фюзеляже 28.
Инфракрасный газоанализатор 7 обтекаемой формы и массой менее 350 г изготовлен на основе пластика. В зависимости от величины L масса блока подвески варьируется от 500 до 1500 г.
На вращающейся катушке 30 с намотанным на нее синтетическим тросом с электропроводящей жилой 27 установлена тормозная колодка (на фигуре не показана) для ограничения скорости ее вращения и обеспечения равномерного поступательного движения инфракрасного газоанализатора 7 через анализируемое облако паров СПГ в атмосфере.
Длительность их анализа определяется емкостью полимерно-литиевого аккумулятора БПЛА, состоянием атмосферы и массой полезной нагрузки при Т ≥-80°С. В процессе анализа БПЛА не находится в анализируемом облаке паров СПГ, поскольку не предназначен для эксплуатации при отрицательной температуре воздуха Т<-20°С, вследствие потери полимерно-литиевым аккумулятором заряда даже без нагрузки.
БПЛА 29 оснащен системой определения его местоположения ГЛОНАСС. 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.
Измеряемая объемная концентрация метана в воздухе составляет от 0,1 до 99 об.%, а паров ШФЛУ СПГ от 0,1 до 10 об.% с предварительной калибровкой инфракрасного газоанализатора 7.
В заявленном устройстве осуществляется дистанционное на расстоянии до 2000 м от головного сервера сканирование распределений концентрации углеводородов в крупномасштабных облаках и затопленных струях паров СПГ при температуре до -80°С. В процессе записи или передачи данных низкотемпературного сканирующего анализатора паров СПГ в атмосфере синхронно и непрерывно определяются его пространственные координаты с помощью системы ГЛОНАСС. Это позволяет определять концентрацию паров углеводородов с привязкой к объему облаков и/или затопленных струй паров СПГ в зависимости от их положения на местности.
Низкотемпературный сканирующий инфракрасный анализатор паров СПГ в атмосфере работает следующим образом. Оператор с помощью пульта управления по радиоканалу выводит его в заданное место над их облаком или выбросом в атмосфере. В заданный момент времени с блока управления БПЛА подается заранее запрограммированная в полетном контроллере команда на сброс со штока подвеса 32 промышленного сервопривода 31 дюралевого фиксатора 20 цилиндрического корпуса 5 инфракрасного газоанализатора 1 на синтетическом тросе с электропроводящей жилой 21 длиной более 40 м, намотанного на вращающуюся катушку 30. Под действием силы тяжести инфракрасного газоанализатора 1 синтетический трос с электропроводящей жилой 21 разматывается с катушки 30 в течение временного интервала до 10-15 секунд, а инфракрасный газоанализатор 1 за этот временной интервал на синтетическом тросе с электропроводящей жилой 21 пролетает сквозь облако паров СПГ и передает данные об их концентрации на приемный радиомодем базовой станции головного сервера. С помощью интерфейса RS-485 данные с базовой станции поступают в компьютер головного сервера, где обрабатываются и записываются.
В процессе анализа побудитель расхода 15 непрерывно аспирирует газообразную смесь последовательно через пористый металлический наполнитель 12 и аэрозольный фильтр 14 в инфракрасный оптический датчик 1.1 через отверстия 2 и 3. Его расход составляет Q=2,5-5 литр/мин. Это позволяет обеспечить доставку паров СПГ через входные 2 и выходные 3 отверстия в инфракрасный оптический датчик 1.1 в течение 0,15-0,3 с в зависимости от величины Q.
Пары СПГ 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 паров СПГ в инфракрасный газоанализатор 1 осуществляется их подогрев в газовом канале цилиндрической электропечью 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 инфракрасный оптический датчик 1.1 разрушается.
Сканирование концентрации паров СПГ при скорости ветра в атмосфере менее 15 м осуществляется при ручном управлении или в режиме автопилота низкотемпературного сканирующего анализатора паров СПГ в атмосфере. Данные с инфракрасного оптического датчика 1.1 записывается на плату памяти и радиопередачи сигналов 19 и считывается после приземления в компьютер. В случае анализа облаков паров СПГ в атмосфере в режиме текущего времени данные с платы памяти и радиопередачи сигналов 19 типа San Disk 256 MB по радиоканалу через радиомодем, например, 433 МГц RF LoRA модуль SX1278 РМ1280 передаются каждую 0,1 с на наземную базовую станцию головного сервера, связанную с компьютером. Таким образом, в заявленном устройстве осуществляется одновременное дистанционное на расстоянии до 1500-2000 м измерение распределений концентрации в крупномасштабных облаках и выбросах паров СПГ в атмосфере при температуре до -80°С.
В процессе записи и передачи данных от инфракрасного газоанализатора 1 синхронно и непрерывно определяются его координаты с помощью системы ГЛОНАСС. Это позволяет определять концентрацию паров СПГ с привязкой к объему облаков или выбросов углеводородов в зависимости от их положения в пространстве.
5
3
В результате закрепления на БПЛА 29 промышленного сервопривода 31, установки в блоке подвески 23 вращающейся катушки 30 с намотанным на нее синтетическим тросом с электропроводящей жилой 21, расположения его дюралевого фиксатора 20 к цилиндрическому корпусу 5 на штоке подвеса 32 сервопривода 31 для сброса на синтетическом тросе с электропроводящей жилой 21 инфракрасного газоанализатора 1 в атмосферу, достигается технический результат заявляемой полезной модели, а именно, улучшение ее технических характеристик путем осуществления анализа крупномасштабных облаков паров СПГ в атмосфере высотой более 40-50 м и объемом от 10 м в процессе их сканирования и определения распределений объемной концентрации паров СПГ при Т ≥-80°С. Причем, заявленное устройство позволяет сканировать концентрации крупномасштабных облаков паров СПГ в атмосфере на высоте до 150-200 м.
В устройстве по прототипу блок подвески столь длинного синтетического троса с электропроводящей жилой и с дюралевыми фиксаторами, их подъем и перенос в атмосфере для сканирования крупномасштабных облаков или выбросов паров СПГ технически крайне трудно осуществить в условиях турбулентных потоков и пересеченной местности. Его оптимальная длина составляет 2,5-4,5 м, а максимальное значение L<10 м. Это приводит к невозможности сканирования концентрации углеводородов крупномасштабных облаков или выбросов паров СПГ в атмосфере высотой более 40 м. Пример.
Для регистрации паров СПГ в атмосфере использовался инфракрасный оптический датчик 1.1 типа MIPEX с отверстиями 2 и 3 в корпусе для поступления анализируемого газа с электронным блоком 4 и коммуникационной платой 6 согласно патенту РФ №2187093. Характерное время срабатывания его электронной схемы составляет менее 0,35 с. Время быстродействия инфракрасного газоанализатора 1 было равно τ=0,5 с. В качестве измерителей 11 и 16 для анализа внешней и внутренней температуры анализируемых газов использовались две термопары хромель-алюмель с быстродействием 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 0,5-1 А, соединенный обратной связью с анализатором показаний внешней 11 и внутренней 16 термопар и управляемый микропроцессором для регулировки ее мощности. Температура нагревания анализируемого газа перед его поступлением в инфракрасный оптический датчик 1.1 поддерживалась в диапазоне от -10 до 20°С. Его нагрев осуществлялся, когда величина температуры снаружи опускалась ниже -10°С согласно показаниям термопары 11.
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 с напряжением питания 12 В от источника стабилизированного питания дополнительной управляющей платы 7 с микропроцессором. Расстояние между микрокомпрессором и входными отверстиями 2 инфракрасного оптического датчика 1.1 составляло 8-9 мм.
В качестве БПЛА использовался квадрокоптер типа «Geoscan 401» с d ≈ 0,7 м, массой полезной нагрузки до 2000 г и рабочей температурой от -20 до +40°С. Скорость горизонтального сканирования составляла V(x) ≈ 3 - 5 м/с и t(x) ≈ 10-15 с, а вертикального - вверх или вниз V(y)=2-3 м/с при скорости ветра не более 15 м/с. Радиоуправление на частоте ≈ 2,4 ГГц
В процессе записи или передачи данных от инфракрасного газоанализатора 1 определялись его координаты в пространстве с помощью ГЛОНАСС системы. Это позволило сканировать облако и определять концентрацию паров СПГ внутри его объема.
2
Длина троса 21 из поливинилхлорида с электропроводящей жилой в виде витой парой с площадью сечения провода 0,1 мм, намотанного на вращающуюся катушку 32 из авиационного дюраля, составляла L=55 м.
Промышленный сервопривод 31 был выполнен на базе сервопривода Tower Pro MG9995, закрепленном на взлетно-посадочном основании 24 БПЛА 29 (https://quadrocopter.su/products/sistema-sbrosa-gruza-dlya-bpla).
Тормозная колодка (на фиг.1 не показана) на вращающейся катушке 30 с намотанным на нее синтетическим рыболовным тросом диаметром 0,26 мм с электропроводящей жилой 21 изготовлена в виде прижимной пластины для ограничения скорости ее вращения и обеспечения равномерного поступательного движения инфракрасного газоанализатора 1 в атмосфере с парами СПГ.
Крупномасштабное облако углеводородов создавалось импульсным в течение 40-45 секунд диспергированием СПГ для коммунально-бытового назначения в атмосферу с его регазификацией.
Инфракрасный газоанализатор 1 был предварительно прокалиброван для анализа паров СПГ с содержанием метана 98 об.%. Время его падения в облаке паров СПГ на синтетическом тросе с электропроводящей жилой составляло около 15 секунд. Информация от инфракрасного оптического датчика 1.1 с частотой 1-2 Гц записывалась на плату памяти и радиопередачи сигналов 19 типа San Disk 256 MB с временным откликом менее 0,1 с и считывалась в компьютер головного сервера после приземления низкотемпературного сканирующего анализатора паров СПГ в атмосфере.
При анализе паров СПГ в режиме текущего времени сигнал через радиомодем 433 МГц RF LoRa модуль SX1278 РМ1280 передавался каждую 0,1 с на базовую станцию удаленного на безопасное расстояние до 1500 м головного сервера, связанную с компьютером через интерфейс RS-485.
6
3
В результате для смеси паров СПГ и воздуха было зафиксировано неоднородное распределение их концентрации от 2 до 35 об.% в облаке объемом около 10 м и высотой до 45-55 м при Т ≥-80°С. Исследована кинетика его рассеивания под действием турбулентных ветровых потоков.
5
3
Таким образом, сравнение заявленного низкотемпературного сканирующего анализатора паров сжиженного природного газа в атмосфере с прототипом показывает, что предложенная полезная модель позволяет осуществлять измерение распределения их концентрации внутри крупномасштабных облаков или выбросов паров СПГ высотой более 40-50 м и объемом более 10 м при температуре до -80°С на высоте до 150-200 м с накоплением и передачей данных по радиоканалу на базовую станцию головного сервера в режиме реального времени. Устройство по прототипу не позволяет сканировать такие крупномасштабные облака или выбросы паров СПГ в атмосфере.