ЛАЗЕРНЫЙ СКАНЕР УТЕЧЕК МЕТАНА ДЛЯ БЕСПИЛОТНЫХ АВИАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Полезная модель относится к устройствам для обнаружения утечек газа (метана) из магистральных трубопроводов и может быть использована для установки на беспилотные воздушные суда с максимальной взлетной массой до 30 кг.
Известно использование лазерных устройств для детектирования утечек метана на магистральных трубопроводах. Существует достаточно много устройств подобного назначения, однако эти устройства либо не могут обеспечить достоверные результаты обнаружения утечек и высокую производительность работ в силу используемого принципа работы, либо обладают значительными габаритами и массой, а, следовательно, не могут использоваться на наиболее распространенных и доступных беспилотных воздушных судах.
Так, например, известно лазерное устройство Laser Methane mini (разработчик Tokio Gas Engineering Co., Ltd. (Япония, 2016 г.)) для измерения содержания метана в воздухе, которое предназначено для работы на небольшом расстоянии от источника возможной утечки. С его помощью можно быстро определить место и объем утечки метана. Для этого достаточно навести лазерный луч прибора на область, в которой предположительно есть утечка метана.
Недостатком известной конструкции является то, что она имеет малую дальность обнаружения и не предназначена для авиационного применения.
Известен дистанционный лазерный детектор метана «ДЛС-Авиа», разработанный АО «ПЕРГАМ-ИНЖИНИРИНГ» и предназначенный для оперативной диагностики протяженных газопроводов на наличие утечек. Прибор может быть установлен на пилотируемый вертолет или легкомоторный самолет.
К недостаткам известного устройства можно отнести значительные габариты и вес конструкции, что исключает возможность использования его на беспилотных воздушных судах массой до 30 кг. Кроме того, известный лазерный детектор ввиду особенностей конструкции не позволяет выполнять обнаружение утечек по всей ширине обследуемого коридора, что в итоге снижает достоверность результатов выявления фактов утечки метана.
Техническим результатом заявленной полезной модели является расширение функциональных возможностей конструкции за счет снижения ее массы и габаритов при одновременном повышении достоверности выявления фактов утечки природного газа.
Указанный технический результат достигается за счет того, что лазерный сканер утечек метана включает корпус, с размещенными в нем электронным и оптико-электронным компонентами. Корпус представляет собой статор, внутри которого установлен механически связанный с приводом ротор. Оптико-электронный компонент содержит четыре независимых лазера с четырьмя соответствующими им фотоприемниками, а каждая пара лазер-фотоприемник соединена оптоволокном посредством опторазъема с соответствующими ей коллиматором и линзой с образованием оптико-электроннго канала, причем лазеры, фотоприемники, коллиматоры и линзы смонтированы внутри ротора с равномерным распределением в его внутренней полости, при этом оси коллиматоров ориентированы под углом к продольной оси ротора. Электронный компонент выполнен в виде печатных плат размещенных на статоре. Вал привода выполнен из титанового сплава. Стенки статора и ротора выполнены из алюминиевого сплава.
Габариты ЛСУМ, как правило, не превышают 250 мм по высоте и 160 мм в диаметре, а его вес в сборе не превышает 5 кг, что позволяет использовать предлагаемое устройство на беспилотных воздушных судах малой грузоподъемности.
Снижение массы и габаритов конструкции достигается за счет более рационального выполнения и компактного расположения отдельных функциональных элементов в корпусе устройства, а также в результате использования определенных материалов (титановый и аллюминиевый сплавы) для изготовления элементов устройства. Все это в совокупности дает возможность расширить функциональные возможности устройства, в результате чего оно сможет быть использовано не только на тяжелых летательных аппаратах, но и на беспилотных летательных аппаратах массой не более 30 кг.
Кроме того, функциональные возможности заявленного устройства расширяются за счет того, что в нем используются четыре оптико-электронных канала, позволяющие сканировать значительную по ширине охвата обследуемую территорию, в результате чего повышается достоверность выявления фактов утечки метана.
Заявленное техническое решение иллюстрируется графическими материалами, где на Фиг. 1 представлен общий вид заявленного устройства (лазерного сканера утечек метана), на Фиг. 2 - продольный разрез лазерного сканера, на Фиг. 3 - схематическое изображение траекторий сканирующих лучей лазеров.
Конструкция лазерного сканера утечек метана (ЛСУМ) включает статор 1, на котором крепятся электронные платы 2, предназначенные для управления устройством и обработки измерений. Статор 1 механически сопряжен с ротором 3 посредством привода 4 (электрического двигателя). Электронное сопряжение статора и ротора осуществляется посредством высокочастотного вращающегося трансформатора (на чертежах не обозначен) и оптической линии связи.
Ротор 3 предназначен для размещения в нем оптических и электронных элементов сканирующего устройства, а именно оптико-электронного компонента, включающего четыре лазера 5, равномерно распределенных внутри ротора 3, четыре соответствующих им фотоприемника 6 и электронные платы обработки сигналов (на чертежах не обозначены). Каждая пара лазер 5 - фотоприемник 6 соединена оптоволокном (на чертежах не показано), посредством опторазъема 7, с соответствующими ей коллиматором 8 и линзой 9 образует оптико-электронный канал. Наличие четырех таких измерительных лазерных оптико-электронных каналов обеспечивает необходимую плотность сканирования. Дальнейшее увеличение числа лазеров возможно, но признано неэффективным из-за увеличения массы и стоимости устройства.
Вывод лазерного излучения наружу и прием отраженного излучения производится с помощью элементов, образующих оптический канал, включающий в себя линзы 9 и коллиматоры 8, соединенные с остальными оптическими элементами с помощью соответствующих оптических разъемов и оптоволокна. Разделение проходящих по оптоволокну световых потоков на входной и выходной производится с помощью волоконнооптического циркулятора. Таким образом, оси приемных и излучающих оптических систем являются строго коллинеарными. Оси 10 коллиматоров 8 ориентированы под углом порядка 15 градусов к продольной оси 11 ротора 3, что позволяет сканировать значительную по ширине обследуемую территорию.
Таким образом, компоновка всех элементов заявленного устройства в едином корпусе и выполнение значительного их числа из легковесных сплавов обеспечивает ощутимое снижение его массы и уменьшение габаритов, что дает возможность установки его на беспилотные воздушные судна взлетной массой до 30 кг.
Работа заявленного устройства (ЛСУМ) основана на методе дифференциальной диодно-лазерной спектрометрии и заключается в следующем.
С целью выполнения дистанционного обследования территории для выявления предполагаемых утечек метана, заявленное устройство устанавливается на беспилотное воздушное судно, которое совершает полет вдоль магистрального трубопровода.
Контроллер (на чертеже не показан), обеспечивающий подключение ЛСУМ к бортовой системе автоматического управления беспилотного воздушного судна, запускает процесс сканирования, ротор начинает вращаться, лазеры испускают лучи на поверхность обследуемой территории. При этом лучи четырех лазеров, установленных на вращающемся роторе, образуют в пространстве поверхность конуса. Продольная развертка производится за счет движения беспилотного воздушного судна, на котором размещается ЛСУМ. Скорость вращения ротора синхронизируется со скоростью полета беспилотного воздушного судна, что позволяет обеспечивать равномерное покрытие обследуемой поверхности точками измерений. Схематичное изображение траекторий сканирующих лучей на поверхности земли приведено на Фиг. 3.
Фотоприемник принимают возвращенные (отраженные) сигналы, которые передаются на электронные платы обработки сигналов, расположенные в роторе, а затем на электронные платы электронного компонента для дальнейшей обработки измерений.
Для измерения концентрации газа используется дифференциальный метод, заключающийся в том, что измерение производят на двух частотах. Одна соответствует максимуму поглощения данного излучения в газе (1650.95 нм), вторая соответствует минимуму (1649.95 нм). Одновременно часть измерительного излучения пропускается через газовую кювету, заполненную измеряемым газом. Отношения энергий сигналов, прошедших через измеряемый объем и через газовую кювету дает концентрацию искомого газа.
Сканер непрерывно считывает и передает данные о концентрации метана (результаты измерений с каждого из четырех лазеров), которые обрабатываются в электронном блоке ЛСУМ.
Собранные данные обрабатываются на борту беспилотного воздушного судна и могут быть переданы в режиме реального времени по спутниковому или радиоканалу на наземную станцию управления (если пороговая концентрация метана превышает допустимую) или сохранены на накопитель для последующей послеполетной обработки.