ДИСТАНЦИОННЫЙ ДАТЧИК МЕТАНА

Область техники
Полезная модель относится к области измерительной техники, и предназначена для дистанционного определения избыточной концентрации метана на фоне природного уровня метана в атмосфере с помощью лидарной технологии (лазерной абсорбционной спектроскопии), а именно к дистанционному датчику метана на основе лидарной технологии.
Уровень техники
Обеспечением природного газа предприятий занимаются тысячи перекачивающих станций с десятками тысяч установленных компрессоров. Для поддержания безопасности и целостности этой огромной системы и соблюдения всех нормативных требований необходимы регулярные проверки газопроводов для обнаружения утечек. Регулярные периодические обследования на утечки, как правило, осуществляются с помощью пеших обходов, мобильной аэрофотосъемки и т.п.
Известны системы, предназначенные для обследования трубопроводов на утечку метана, например, индикаторы горючего газа, работающие по принципу каталитического горения детектируемого газа [http://газтехно.рф/category/gazovoe-oborudovanie/gazoanalizatori/sistemi-kontrolja-zagazovannosti-i/] или пламенно-ионизационные детекторы, работающие по принципу измерения электропроводности пламени [http://chromatography.narod.ru/lecture/detection.html]. Известные устройства работают с открытым пламенем, размещенным внутри прибора, что не безопасно. Кроме того, эти устройства имеют низкую чувствительность, пробоотборник необходимо располагать как можно ближе к месту утечки.
Известен портативный детектор утечки природного газа [US 7710568, 2010], содержащий лазерный источник света; многопроходную оптическую ячейку с фиксированной длиной оптического пути. Согласно изобретению, описанному в патенте US 7710568, обнаруживаемый газ прокачивают через ячейку с помощью насоса; в конце ячейки на выходе оптической трассы установлен детектор, в который попадает лазерный луч, предварительно прошедший через ячейку. Детектор подключен к плате обработки сигналов. Данные о концентрации выводят на дисплей. Для отбора проб воздуха около земли используют жесткий (возможно телескопический) зонд.
Недостатком известного детектора является то, что зонд для отбора проб необходимо подносить как можно ближе (вплотную) к месту утечки газа. Это не всегда удобно и выполнимо, поскольку место утечки может находиться, например, за ограждением, то есть является труднодоступным.
Из уровня техники известно устройство для удаленного лазерного обнаружения утечки метана на уровне, превышающем естественный уровень фона с использованием абсорбционной лазерной спектроскопии на основе перестраиваемого по длине волны диодного лазера [US 7075653, 2006]. Устройство, описанное в патенте US 7075653, состоит из лазера, способного излучать свет на длине волны, соответствующей полосе поглощения метана; оптического детектора, способного принимать и измерять часть указанного лазерного излучения обратно отраженного от удаленной мишени и прошедшего через облако детектируемого газа; модуля обработки сигнала, соединенного с детектором; статистического процессорного модуля обнаружения, функционально соединенного с указанным детектором, способным вычислять оценку уровня природного фона метана, оценку уровня шумов измерений, различать какой из указанных уровней превышает допустимые пределы тревоги; пользовательского интерфейса, функционально соединенного с указанным процессорным модулем. Устройство скомпоновано в двух частях, включая ручной пистолет и плече поясную сумку, соединенных функциональным кабелем.
Недостатком известного устройства является низкая точность локализации места утечки.
Устройство для удаленного лазерного обнаружения утечки метана, описанное в патенте US 7075653, принято в качестве наиболее близкого аналога предлагаемого технического решения.
Раскрытие полезной модели
В основу настоящей полезной модели положено решение задачи, направленной на создание устройства, способного дистанционно определять концентрацию метана в месте утечки при повышенной точности локализации места утечки метана.
Технический результат, который может быть получен при использовании предлагаемого технического решения, заключается в повышенной точности локализации места утечки метана при дистанционном определении концентрации метана в месте утечки.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что дистанционный датчик метана, содержащий лазерный диод (1), излучающий свет на длине волны, соответствующей полосе поглощения метана, оптический детектор (8), способный принимать и измерять часть лазерного излучения обратно отраженного от удаленной мишени и прошедшего через облако детектируемого газа; плату обработки сигнала (14), соединенную с оптическим детектором (8), процессорный модуль (15), соединенный с платой обработки сигнала (14), характеризующийся тем, что дополнительно содержит передающий объектив (4) с системой зеркал (5), соединенный с оптоволоконным делителем (3), который соединен с лазерным диодом (1) с помощью оптического волокна (2), приемный объектив (7), собирающий сигнал обратно отраженный от удаленной мишени и прошедший через облако детектируемого газа, и фокусирующий сигнал на приемную площадку оптического детектора (8), многопроходную ячейку (10), пропускающую другую часть лазерного излучения, отделенную посредством оптоволоконного делителя (3) и введенную коллиматором (9) в многопроходную ячейку (10), и далее принимаемую вторым оптическим детектором (11); при этом коллиматор (9) и второй оптический детектор (11) установлены на диагонально противоположных частях многопроходной ячейки (10); а насос (13), установлен на выходе многопроходной ячейки (10), одновременно покачивающий через нее за счет создаваемого разряжения детектируемый газ, поступающий из пробоотборника (12), расположенного на входе многопроходной ячейки (10).
В дополнительном аспекте дистанционный датчик метана характеризуется тем, что часть лазерного излучения, направляемая в передающий объектив (4) с системой зеркал (5) составляет от 90 до 98%.
В еще одном дополнительном аспекте дистанционный датчик метана характеризуется тем, что часть лазерного излучения, направляемая посредством оптоволоконного делителя (3) и коллиматора (9) в многопроходную ячейку (10) и далее принимаемую вторым оптическим детектором (11) составляет от 2 до 10%.
В еще одном дополнительном аспекте дистанционный датчик метана характеризуется тем, что процессорный модуль содержит ЖК-экран.
В еще одном дополнительном аспекте дистанционный датчик метана характеризуется тем, что лазерный диод, оптическое волокно, оптоволоконный делитель, плата обработки сигналов, процессорный модуль с ЖК-экраном, коллиматор, многопроходная ячейка, второй оптический детектор, всасывающий насос расположены в одном корпусе, выполненном в виде ручного пистолета.
В еще одном дополнительном аспекте дистанционный датчик метана характеризуется тем, что, пробоотборник с входным фильтром расположен в пробоотборном зонде.
В еще одном дополнительном аспекте дистанционный датчик метана характеризуется тем, что передающий объектив, система зеркал, приемный объектив, оптический детектор составляют отдельные оптические части для детектирования утечек метана.
Краткое описание чертежа
Сущность предлагаемого технического решения поясняется фигурой. На Фигуре представлена структурная схема предлагаемого дистанционного детектора метана.
Предлагаемый дистанционный детектор метана (см. Фиг.), содержит лазерный диод (1) с возможностью быстрого перестроения по длине волны, оптическое волокно (2) для транспортировки лазерного излучения, оптоволоконный делитель (3), передающий объектив (4), систему зеркал (5), топографические мишени (6), приемный объектив (7), оптический детектор (8), коллиматор (9), многопроходную ячейку (10), оптический детектор (11), пробоотборник (12), с входным фильтром, всасывающий насос (13), плату обработки сигнала (14), процессорный модуль (15) с ЖК-экраном.
Важно отметить, что, предлагаемое техническое решение повышает точность локализации места утечки метана при дистанционном определении концентрации метана в месте утечки, за счет введения в нее оптоволоконного делителя (3), коллиматора (9), многопроходной ячейки (10), второго оптического детектора (11), пробоотборника (12) и насоса (13), которые соединены согласно схеме, приведенной на Фиг.
Поскольку лазерное излучение оптоволоконным делителем (3) разделяется на две части. При этом одна из частей лазерного излучения (большая), направляемая через передающий объектив (4) с системой зеркал (5), составляет от 90 до 98% излучения. Другая часть лазерного излучения (меньшая), направляемая посредством оптоволоконного делителя (3) и коллиматора (9) в многопроходную ячейку (10), и далее принимаемая вторым оптическим детектором (11) составляет от 2 до 10% излучения. Это позволяет обходчику одновременно дистанционно определить не только концентрацию метана в месте утечки, но и точно указать место утечки.
Осуществление полезной модели
Дистанционный детектор метана, представленный на Фиг., работает следующим образом. Лазерный диод (1) излучает свет на длине волны, соответствующей полосе поглощения метана. Излучение транспортируется по оптическому волокну (2) к оптоволоконному делителю (3), после которого большая часть излучения подается на передающий объектив (4) и с помощью зеркал (5) поступает в атмосферу. Лазерный луч направляется оператором на возможные места детектирования утечек метана. Часть излучения обратно отраженного от топографических мишеней (6) собирается приемным объективом (7) и фокусируется на приемную площадку оптического детектора (8). Оптический детектор (8) преобразует оптический сигнал в электрический сигнал, и передает его на плату обработки сигнала (14). Меньшая часть излучения после оптоволоконного делителя (3) подается по волокну в коллиматор (9). Из коллиматора (9) выходит открытое лазерное излучение, которое попадает в многопроходную ячейку (10) с фиксированным оптическим путем. На выходе оптической трассы ячейки (10) установлен оптический детектор (11). К ячейке (10) с помощью гибкой трубки присоединен пробоотборник (12) (возможно жесткий, телескопический) с установленным на конце входным фильтром. Газ для детектирования всасывается через этот фильтр за счет разряжения, которое создает всасывающий насос (13), установленный на выходе многопроходной ячейки (10), прокачивается этим насосом через ячейку. Оптический детектор (11) регистрирует оптический сигнал и преобразует его в электрический сигнал. Оптический детектор (11) также соединен с помощью электрических проводов с платой обработки сигнала (14). Обработанные сигналы поступают в процессорный модуль (15) для последующей обработки, результаты обработки выводятся на ЖК-экран в виде уровня концентрации метана в ppm.
Конструктивно в дистанционном датчике метана такие элементы как лазерный диод, оптическое волокно, оптоволоконный делитель, плата обработки сигналов, процессорный модуль с ЖК-экраном, коллиматор, многопроходная ячейка, второй оптический детектор, всасывающий насос могут быть расположены в одном корпусе, выполненным в виде ручного пистолета. Кроме того, конструктивно пробоотборник с входным фильтром может быть расположен в пробоотборном зонде.