RU207026U1 - SCANNING INFRARED ANALYZER OF METHANE AND HYDROCARBON VAPOR IN ATMOSPHERIC AIR - Google Patents
SCANNING INFRARED ANALYZER OF METHANE AND HYDROCARBON VAPOR IN ATMOSPHERIC AIR Download PDFInfo
- Publication number
- RU207026U1 RU207026U1 RU2020139408U RU2020139408U RU207026U1 RU 207026 U1 RU207026 U1 RU 207026U1 RU 2020139408 U RU2020139408 U RU 2020139408U RU 2020139408 U RU2020139408 U RU 2020139408U RU 207026 U1 RU207026 U1 RU 207026U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- methane
- atmospheric air
- hydrocarbon vapors
- optical sensor
- gas
- Prior art date
Links
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 122
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 title claims abstract description 82
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 title claims abstract description 82
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 title claims abstract description 66
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 50
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 21
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims abstract description 10
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 claims abstract description 9
- 239000000428 dust Substances 0.000 claims abstract description 7
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims abstract description 7
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract description 20
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 abstract description 17
- 238000009826 distribution Methods 0.000 abstract description 11
- 238000012883 sequential measurement Methods 0.000 abstract description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 5
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 abstract description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 64
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 13
- ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N Propane Chemical compound CCC ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N n-Hexane Chemical compound CCCCCC VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000004044 response Effects 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 4
- OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N Ethane Chemical compound CC OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 3
- 239000001273 butane Substances 0.000 description 3
- 238000013480 data collection Methods 0.000 description 3
- IJDNQMDRQITEOD-UHFFFAOYSA-N n-butane Chemical compound CCCC IJDNQMDRQITEOD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N n-pentane Natural products CCCCC OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000001294 propane Substances 0.000 description 3
- 229910000809 Alumel Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- QVFWZNCVPCJQOP-UHFFFAOYSA-N chloralodol Chemical compound CC(O)(C)CC(C)OC(O)C(Cl)(Cl)Cl QVFWZNCVPCJQOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001335 aliphatic alkanes Chemical class 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000009828 non-uniform distribution Methods 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 229920000728 polyester Polymers 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000002285 radioactive effect Effects 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
- G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к области измерительной техники, а именно к устройствам, предназначенным для анализа метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе, и может быть использована для сканирования распределений их объемной концентрации в крупномасштабных углеродно-воздушных смесях при авариях, в системах контроля промышленной безопасности объектов нефтегазовой промышленности и экологического мониторинга атмосферы. Техническим результатом является осуществление непрерывного, упорядоченного и последовательного измерения концентрации метана и паров углеводородов по высоте и длине их облаков в смеси с атмосферным воздухом. Для его достижения предложен сканирующий инфракрасный анализатор метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе, содержащий обтекаемый 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 обтекаемому корпусу и на ее выходе размещен пылевой фильтр, а внутренняя цилиндрическая труба коаксиально и герметично соединена с инфракрасным оптическим датчиком, а внутри нее последовательно размещены аэрозольный фильтр и побудитель расхода анализируемого газа через отверстия для его входа и выхода в инфракрасном оптическом датчике, установленную внутри обтекаемого корпуса дополнительную плату управления измерителем наружной температуры анализируемого газа и побудителем его расхода, при этом обтекаемый корпус присоединен к фиксатору крепления, который приварен к фюзеляжу в центре тяжести радиоуправляемого беспилотного летательного аппарата, включающего взлетно-посадочное основание, на котором установлен фюзеляж с креплением на раме из четырех радиальных балок, на концах которых расположены вертикально четыре электродвигателя с несущими винтами для создания тяговой струи атмосферного воздуха, перемешенной с метаном и парами углеводородов, а в обтекаемом корпусе размещена плата памяти и радиопередачи данных сканирования концентрации метана и паров углеводородов в тяговой струе атмосферного воздуха, причем отношение расстояния L между фюзеляжем и торцом коаксиальной внутренней цилиндрической трубы к диагональному расстоянию d между расположенными вертикально электродвигателями с несущими винтами составляет L/d ≤ 0,4. 1 ил. 
Description
Область техникиTechnology area
Полезная модель относится к области измерительной техники, а именно к устройствам, предназначенным для анализа метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе, и может быть использована для сканирования распределений их объемной концентрации в крупномасштабных углеродно-воздушных смесях при авариях, в системах контроля промышленной безопасности объектов нефтегазовой промышленности и экологического мониторинга атмосферы.The utility model relates to the field of measuring technology, namely to devices intended for the analysis of methane and hydrocarbon vapors in the atmospheric air, and can be used to scan the distributions of their volumetric concentration in large-scale carbon-air mixtures during accidents, in industrial safety control systems for oil and gas facilities. industry and environmental monitoring of the atmosphere.
Уровень техникиState of the art
Известен газоанализатор, содержащий газовый датчик, подключенный к электронному блоку питания, управления и внешней коммутации (патент РФ на полезную модель №84563). Его недостатком является невозможность сканирования концентрации газов по длине и высоте объема углеводородного облака в воздухе.Known gas analyzer containing a gas sensor connected to an electronic power supply, control and external switching (RF patent for utility model No. 84563). Its disadvantage is the impossibility of scanning the gas concentration along the length and height of the volume of the hydrocarbon cloud in the air.
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.A known gas analyzer for toxic, radioactive and flammable hydrocarbon gases (RF patent for utility model No. 127928), containing a radioactivity sensor and a set of removable gas sensors located in a gas channel with an external heater to eliminate moisture condensation, an internal gas temperature meter, a dust filter at the entrance to a gas channel, at the outlet of which a gas flow rate booster is installed, and an electronic module that includes power supply, interface and external switching boards for power supply and control.
Недостатком данного устройства является невозможность сканирования с непрерывным и последовательным измерением по высоте и длине концентрации метана и углеводородов внутри атмосферного облака.The disadvantage of this device is the impossibility of scanning with continuous and sequential measurement along the height and length of the concentration of methane and hydrocarbons inside the atmospheric cloud.
Известен инфракрасный газоанализатор (патент РФ №2187093) для измерения объемной концентрации метана и других паров (этан, пропан, бутан и другие алканы) регазифицированного сжиженного газа (СПГ), включающий корпус, в котором установлен инфракрасный оптический датчик с отверстиями для диффузионного входа анализируемого газа, закрытые аэрозольным фильтром, содержащий 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.Known infrared gas analyzer (RF patent No. 2187093) for measuring the volume concentration of methane and other vapors (ethane, propane, butane and other alkanes) of regasified liquefied gas (LNG), including a housing in which an infrared optical sensor is installed with holes for the diffusion entrance of the analyzed gas , closed with an aerosol filter, containing an infrared LED, interference filters for separating the reference and operating wavelengths of infrared radiation, a measuring gas cuvette located along the path of infrared radiation of the LED, installed behind it photodetectors of infrared radiation of the reference and working measuring channels, an electronic module with a signal amplifier, a power stabilizer that controls a microprocessor and a communication board with an external switching device, stabilized power supply, a controlling microprocessor and an interface with a digital signal generator.
Недостатком данного устройства является невозможность сканирования концентрации углеводородов по длине и высоте облака в атмосфере и большое значение времени быстродействия τ ≈ 10-15 с вследствие диффузионного отбора анализируемого газа. Величина т определяется как время, необходимое для регистрации концентрации газовой смеси на уровне 90% от конечного значения после ее быстрого изменения.The disadvantage of this device is the impossibility of scanning the concentration of hydrocarbons along the length and height of the cloud in the atmosphere and the large value of the response time τ ≈ 10-15 s due to diffusion sampling of the analyzed gas. The value of t is defined as the time required to register the concentration of the gas mixture at the level of 90% of the final value after its rapid change.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели 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, а внутри нее коаксиально и последовательно размещены аэрозольный фильтр и побудитель расхода анализируемого газа через отверстия для его входа и выхода в инфракрасном оптическом датчике, установленную внутри цилиндрического корпуса дополнительную плату управления измерителем наружной температуры анализируемого газа и побудителем его расхода. Инфракрасный оптический включает инфракрасный светодиод, интерференционные фильтры, расположенную по ходу инфракрасного излучения светодиода газовую кювету с фокусирующими линзами инфракрасного излучения и его фото приемники. Принцип его действия основан на избирательном поглощении инфракрасного излучения молекулами исследуемого газа. Данный инфракрасный оптический датчик метана и других газообразных углеводородов разработан ООО "Оптосенс" под маркой MIPEX-02-X-X-X.1 (RX) согласно патенту РФ №2187093.The closest in technical essence to the claimed utility model is an infrared gas analyzer (prototype, RF patent for utility model No. 191610), containing a cylindrical case, inside which an electronic control unit and an external communication board are located, and on its surface there is a connector for connecting external circuits and an infrared optical sensor with openings for the entrance and exit of the analyzed gas, a gas channel consisting of coaxial inner and outer cylindrical pipes, wherein the outer pipe is hermetically connected to the cylindrical body and a dust filter is placed at its outlet, and the inner pipe is coaxially and hermetically connected to the infrared optical sensor, at its end there is an external gas temperature meter, and inside it, coaxially and sequentially, there is an aerosol filter and a stimulator for the flow of the analyzed gas through the holes for its entrance and exit in the infrared optical sensor, installed inside a cylindrical on the case an additional control board for measuring the outside temperature of the analyzed gas and the stimulator of its consumption. The infrared optical includes an infrared light-emitting diode, interference filters, a gas cuvette with focusing lenses of infrared radiation located along the path of infrared radiation of the light-emitting diode and its photo receivers. Its principle of operation is based on the selective absorption of infrared radiation by the molecules of the studied gas. This infrared optical sensor for methane and other gaseous hydrocarbons was developed by Optosens LLC under the brand name MIPEX-02-X-X-X.1 (RX) according to RF patent No. 2187093.
Устройство по прототипу позволяет измерять объемную концентрацию метана и паров углеводородов СПТ известного состава с быстродействием τ<1 с. Его недостатком является невозможность сканирования распределения концентрации метана и паров углеводородов по длине и высоте внутри углеродно-воздушных облаков в атмосферном воздухе, так как инфракрасный газоанализатор устанавливается стационарно.The prototype device makes it possible to measure the volumetric concentration of methane and hydrocarbon vapors of a known composition with a speed of τ <1 s. Its disadvantage is the impossibility of scanning the distribution of the concentration of methane and hydrocarbon vapors along the length and height inside the carbon-air clouds in the atmospheric air, since the infrared gas analyzer is installed permanently.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель является унификация ее конструкции с расширением функциональных возможностей для осуществления сканирования распределения концентрации метана и паров углеводородов непрерывно и последовательно по длине и высоте внутри углеродно-воздушных облаков в атмосферном воздухе.The technical problem to be solved by the claimed utility model is the unification of its design with the expansion of functionality for scanning the distribution of the concentration of methane and hydrocarbon vapors continuously and sequentially along the length and height inside the carbon-air clouds in the atmospheric air.
Раскрытие сущности полезной моделиDisclosure of the essence of the utility model
Техническим результатом заявляемой полезной модели является осуществление непрерывного, упорядоченного и последовательного измерения концентрации метана и паров углеводородов по высоте и длине их облаков в смеси с атмосферным воздухом.The technical result of the claimed utility model is the implementation of a continuous, orderly and sequential measurement of the concentration of methane and hydrocarbon vapors along the height and length of their clouds mixed with atmospheric air.
Для достижения технического результата предложен сканирующий инфракрасный анализатор метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе, содержащий обтекаемый 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 обтекаемому корпусу и на ее выходе размещен пылевой фильтр, а внутренняя цилиндрическая труба коаксиально и герметично соединена с инфракрасным оптическим датчиком, а внутри нее последовательно размещены аэрозольный фильтр и побудитель расхода анализируемого газа через отверстия для его входа и выхода в инфракрасном оптическом датчике, установленную внутри обтекаемого корпуса дополнительную плату управления измерителем наружной температуры анализируемого газа и побудителем его расхода, при этом, обтекаемый корпус присоединен к фиксатору крепления, который приварен к фюзеляжу в центре тяжести радиоуправляемого беспилотного летательного аппарата, включающего взлетно-посадочное основание, на котором установлен фюзеляж с креплением на раме из четырех радиальных балок, на концах которых расположены вертикально четыре электродвигателя с несущими винтами для создания тяговой струи атмосферного воздуха, перемешенной с метаном и парами углеводородов, а в обтекаемом корпусе размещена плата памяти и радиопередачи данных сканирования концентрации метана и паров углеводородов в тяговой струе атмосферного воздуха, причем отношение расстояния L между фюзеляжем и торцом коаксиальной, внутренней, цилиндрической трубы к диагональному расстоянию d между расположенными вертикально электродвигателями с несущими винтами составляет L/d ≤ 0,4.To achieve the technical result, a scanning infrared analyzer of methane and hydrocarbon vapors in atmospheric air is proposed, containing a streamlined body, inside which there are an electronic control unit and an external communication board, and on its surface there is a connector for connecting external circuits and an infrared optical sensor with holes for entry and of the analyzed gas outlet, a gas channel consisting of coaxial inner and outer cylindrical pipes, and the outer pipe is hermetically connected to the streamlined body and a dust filter is placed at its outlet, and the inner cylindrical pipe is coaxially and hermetically connected to an infrared optical sensor, and inside it are sequentially placed aerosol filter and a stimulator for the flow of the analyzed gas through the holes for its inlet and outlet in the infrared optical sensor, installed inside the streamlined case, an additional control board for the external temperature meter of the analyzed hectare behind and the stimulus of its consumption, while the streamlined body is attached to the fastening latch, which is welded to the fuselage in the center of gravity of the radio-controlled unmanned aerial vehicle, including the take-off and landing base, on which the fuselage is mounted on a frame of four radial beams, at the ends of which four electric motors with rotor propellers are located vertically to create a thrust jet of atmospheric air mixed with methane and hydrocarbon vapors, and a memory card and radio transmission of data for scanning the concentration of methane and hydrocarbon vapors in the thrust jet of atmospheric air is located in the streamlined body, and the ratio of the distance L between the fuselage and the end face of the coaxial, inner, cylindrical pipe to the diagonal distance d between the vertical motors with rotors is L / d ≤ 0.4.
В результате присоединения обтекаемого корпуса к фиксатору крепления, который приварен к фюзеляжу в центре тяжести радиоуправляемого беспилотного летательного аппарата, включающего взлетно-посадочное основание, на котором установлен фюзеляж с креплением на раме из четырех радиальных балок, на концах которых расположены вертикально четыре электродвигателя с несущими винтами для создания тяговой струи атмосферного воздуха, перемешенной с метаном и парами углеводородов, создания в обтекаемом корпусе платы памяти и радиопередачи данных сканирования концентрации метана и паров углеводородов в тяговой струе атмосферного воздуха, и расположения обтекаемого корпуса так, что отношение расстояния L между фюзеляжем и торцом коаксиальной, внутренней, цилиндрической трубы к диагональному расстоянию d между расположенными вертикально электродвигателями с несущими винтами составляет L/d ≤ 0,4, удалось улучшить технические характеристики заявляемой полезной модели по сравнению с прототипом за счет создания сканирующего инфракрасного анализатора для непрерывного, упорядоченного и последовательного измерения концентрации и температуры углеводородов в объеме облака при температуре от -15 до 40-50°С с непрерывной регистрацией сигналов инфракрасного оптического датчика, их накоплением в плате памяти и радиопередачи на базовую станцию.As a result of the attachment of the streamlined body to the attachment latch, which is welded to the fuselage in the center of gravity of the radio-controlled unmanned aerial vehicle, including the take-off and landing base, on which the fuselage is mounted with attachment to a frame of four radial beams, at the ends of which four electric motors with rotary propellers are located vertically to create a thrust stream of atmospheric air mixed with methane and hydrocarbon vapors, create a memory board in the streamlined body and transmit the scanning data of the concentration of methane and hydrocarbon vapors in the thrust stream of atmospheric air, and position the streamlined body so that the ratio of the distance L between the fuselage and the end of the coaxial , the inner, cylindrical pipe to the diagonal distance d between the vertical motors with rotors is L / d ≤ 0.4, it was possible to improve the technical characteristics of the claimed utility model in comparison with the prototype due to cos providing a scanning infrared analyzer for continuous, orderly and sequential measurement of the concentration and temperature of hydrocarbons in the volume of a cloud at temperatures from -15 to 40-50 ° C with continuous recording of infrared optical sensor signals, their accumulation in a memory card and radio transmission to the base station.
Сканирование концентрации метана и паров углеводородов по длине и высоте облака осуществляется путем одновременного и взаимосвязанного использования инфракрасного газоанализатора и радиоуправляемого беспилотный летальный аппарат типа квадрокоптера (БПЛА), который держится в воздухе, управляется и перемещается за счет несущих винтов, причем два винта по диагонали 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, С.1. http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2016-11-1551).Scanning the concentration of methane and hydrocarbon vapors along the length and height of the cloud is carried out by the simultaneous and interconnected use of an infrared gas analyzer and a radio-controlled unmanned aerial vehicle such as a quadrocopter (UAV), which is kept in the air, controlled and moved by the rotors, with two propellers rotating diagonally along the clockwise and two counterclockwise, mutually balancing the reactive moments (Bondarev A.N., Kirichek R.V. Review of unmanned aerial vehicles for general use and UAV air traffic control in different countries // Information technologies and telecommunications. 2016.
Анализ расчетных данных и компьютерной анимации потоков воздуха от четырех работающих винтов БПЛА типа квадрокоптера выявил сложные колебания турбулентной скорости закрученной тяговой струй атмосферного воздуха, сформированной работой четырех вертикально расположенных электродвигателей с несущими винтами на режиме 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. http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2016-11-1551). Эти данные согласуются с экспериментальным анализом скорости воздушного потока под БПЛА в зависимости от расстояния от фюзеляжа.Analysis of the calculated data and computer animation of air flows from four operating propellers of a UAV of the quadrocopter type revealed complex fluctuations in the turbulent velocity of swirling thrust jets of atmospheric air, formed by the operation of four vertically arranged electric motors with rotors in the axial flow mode, as well as the influence of its frame and fuselage. (Sverdlov S.Z. Optimal vertical lift of an electric multicopter. Engineering journal: science and innovations, 2016,
Под рамой, несущими винтами и фюзеляжем БПЛА образуется зона с интенсивным турбулентным перемешиванием закрученной тяговой струи атмосферного воздуха с объемной скоростью Q с анализируемыми метаном и парами углеводородов. По мере удаления от БПЛА за счет размывания, поперечного подсасывания воздуха и расширения тяговой струи атмосферного воздуха ее объем расход Q и продольная скорость уменьшаются до значений меньших характерных величин скорости движения БПЛА и естественных турбулентных потоков атмосферного воздуха в анализируемом облаке в диапазоне от 1 до 10 м/с. На расстоянии более 5d воздушный поток Q от несущих винтов практически не отличается от атмосферных потоков ветра, не перемешивает несущими винтами и не влияет на содержание анализируемого метана и паров углеводородов в их облаке в смеси с воздухом.A zone with intense turbulent mixing of a swirling thrust jet of atmospheric air with a volumetric velocity Q with analyzed methane and hydrocarbon vapors is formed under the frame, rotor propellers and the UAV fuselage. As the distance from the UAV increases due to erosion, transverse air suction and expansion of the atmospheric air thrust jet, its volume flow rate Q and longitudinal velocity decrease to values of smaller characteristic values of the UAV movement speed and natural turbulent atmospheric air flows in the analyzed cloud in the range from 1 to 10 m /with. At a distance of more than 5d, the air flow Q from the rotors practically does not differ from the atmospheric wind currents, does not mix with the rotors and does not affect the content of the analyzed methane and hydrocarbon vapors in their cloud mixed with air.
При расположении обтекаемого корпуса сканирующего инфракрасного анализатора под фюзеляжем так, что отношение расстояния L между фюзеляжем и торцом коаксиальной, внутренней, цилиндрической трубы к диагональному расстоянию d между расположенными вертикально электродвигателями с несущими винтами составляет L/d ≤ 0,4, из тяговой струи атмосферного воздуха с расходом Q осуществляется представительный отбор однородно перемешенной смеси воздуха с метаном и парами углеводородов в инфракрасный оптический датчик с расходом q и последующим их анализом с величиной быстродействия τ<1 с. За время τ за счет работы несущих винтов через их ометаемую площадь прокачивается объем газа Q×τ с достаточно однородно перемешенной по сечению винтов смесью углеводородов и воздуха. Из этого объема в инфракрасный оптический датчик непрерывно отбирается для представительного анализа проба газа объемом q×τ. В результате имеет место непрерывное и последовательное измерение перемешенной концентрации метана и паров углеводородов с атмосферным воздухом по объему Q×τ. Таким образом, использование БПЛА позволяет не только осуществлять сканирование распределений концентрации углеводородов в воздухе по высоте и длине облака, но и осуществлять интенсивное перемешивание углеводородов с воздухом и представительный отбор пробы анализируемого газа объемом Q×τ, который существенно превышает объем анализируемой пробы по прототипу. Этот вывод был подтвержден экспериментально путем создания неоднородных метановоздушных смесей над БПЛА с их последующим анализом под БПЛА на длине L=(0,1-1)×d.When the streamlined body of the scanning infrared analyzer is located under the fuselage so that the ratio of the distance L between the fuselage and the end of the coaxial, inner, cylindrical pipe to the diagonal distance d between the vertical motors with rotors is L / d ≤ 0.4, based on the thrust jet of atmospheric air with a flow rate Q, a representative selection of a uniformly mixed mixture of air with methane and hydrocarbon vapors is carried out into an infrared optical sensor with a flow rate q and their subsequent analysis with a speed of τ <1 s. During the time τ, due to the operation of the rotors, a volume of gas Q × τ is pumped through their swept area with a mixture of hydrocarbons and air that is sufficiently uniformly mixed over the cross section of the propellers. From this volume, a gas sample with a volume of q × τ is continuously taken for a representative analysis into an infrared optical sensor. As a result, there is a continuous and sequential measurement of the mixed concentration of methane and hydrocarbon vapors with atmospheric air by volume Q × τ. Thus, the use of UAVs makes it possible not only to scan the distributions of the concentration of hydrocarbons in the air along the height and length of the cloud, but also to carry out intensive mixing of hydrocarbons with air and representative sampling of the analyzed gas with a volume of Q × τ, which significantly exceeds the volume of the analyzed sample according to the prototype. This conclusion was confirmed experimentally by creating inhomogeneous methane-air mixtures above the UAV with their subsequent analysis under the UAV at a length L = (0.1-1) × d.
Кроме того, удаление инфракрасного газоанализатора от фюзеляжа на оптимальное расстояние L=(0,2-0,4)×d позволяет уменьшить помехи, обусловленные токами, протекающими через проводники силовых цепей и порождающими электромагнитные поля в пространстве, напряженность которых постоянно меняется в зависимости от нагрузки на электродвигатели. Причем, аналоговые сигналы в сканирующем инфракрасном газоанализаторе метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе преобразуются в цифровые и передаются на удаленный сервер сбора информации.In addition, the removal of the infrared gas analyzer from the fuselage at the optimal distance L = (0.2-0.4) × d reduces interference caused by currents flowing through the conductors of power circuits and generating electromagnetic fields in space, the strength of which constantly changes depending on loads on electric motors. Moreover, analog signals in a scanning infrared gas analyzer for methane and hydrocarbon vapors in atmospheric air are converted into digital ones and transmitted to a remote data collection server.
Оптимальное диагональное расстояние между расположенными вертикально электродвигателями с несущими винтами, совпадающее с размером рамы БПЛА, составляет d=0,35-0,7 м.The optimal diagonal distance between the vertical motors with rotors, which coincides with the size of the UAV frame, is d = 0.35-0.7 m.
Питание сканирующего инфракрасного анализатора осуществляется от литий-полимерного электрического аккумулятора, расположенного в фюзеляже. Сканирующей инфракрасный анализатор обтекаемой формы массой менее 350 г изготовлен на основе пластика и капролона.The scanning infrared analyzer is powered by a lithium polymer battery located in the fuselage. The streamlined scanning infrared analyzer weighing less than 350 g is made on the basis of plastic and caprolon.
Длительность анализа облаков метана и паров углеводородов в воздухе определяется емкостью электрического аккумулятора БПЛА, весовой нагрузкой и состоянием атмосферы. В частности, для БПЛА типа «Phantom 4» или «Геоскан 401» время полета варьируется от 15 до 60 минут, соответственно.The duration of the analysis of clouds of methane and hydrocarbon vapors in the air is determined by the capacity of the UAV's electric battery, the weight load, and the state of the atmosphere. In particular, for UAVs such as "Phantom 4" or "Geoscan 401" flight time varies from 15 to 60 minutes, respectively.
БПЛА предназначен для эксплуатации при отрицательной температуре воздуха Т≥ -15°С, поскольку при более низкой температуре его электрический аккумулятор теряет накопленный заряд даже без нагрузки.The UAV is designed to operate at a negative air temperature T≥ -15 ° C, since at a lower temperature its electric battery loses its accumulated charge even without load.
Летательный аппарат оснащен системой определения его местоположения ГЛОНАСС с привязкой к 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 5 м/с, а скорость снижения составляет менее 3 м/с.The aircraft is equipped with a GLONASS positioning system with reference to the coordinates of the investigated hydrocarbon cloud. The electric motors are equipped with their speed controllers for varying the vertical V (y) ≤ 3-5 m / s and horizontal V (x) ≤ 10-15 m / s of the UAV speed. The rate of climb does not exceed 5 m / s, and the rate of descent is less than 3 m / s.
Заявленное устройство позволяет осуществлять дистанционное на оптимальном расстоянии от 200 до 1500 м измерение распределений концентрации и температуры в облаках метана и паров углеводородов (этан, пропан, бутан, гексан и т.п.) без использования оптоволоконной лини для передачи данных на головной сервер согласно прототипу.The claimed device allows remote measurement of concentration and temperature distributions in clouds of methane and hydrocarbon vapors (ethane, propane, butane, hexane, etc.) at an optimal distance from 200 to 1500 m without using a fiber-optic line for data transmission to the head server according to the prototype ...
Измеряемая объемная концентрация метана в воздухе, как и в прототипе, составляет от 0,1 до 99% об., а паров углеводородов от 0,1 до 10% об. с предварительной калибровкой инфракрасного оптического датчика.The measured volumetric concentration of methane in air, as in the prototype, is from 0.1 to 99% vol., And hydrocarbon vapors from 0.1 to 10% vol. with preliminary calibration of the infrared optical sensor.
В процессе записи или передачи данных от инфракрасного оптического датчика синхронно и непрерывно определяются его пространственные координаты с помощью системы ГЛОНАСС. 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.In the process of recording or transmitting data from an infrared optical sensor, its spatial coordinates are synchronously and continuously determined using the GLONASS system. This makes it possible to determine the temperature and concentration of methane or hydrocarbon vapors with reference to the volume of clouds and / or flooded jets of hydrocarbons, depending on their position in space.
При частоте поступающих сигналов с инфракрасного оптического датчика в диапазоне 1-10 Гц информация записывается на обычную карту памяти и после приземления сканирующего инфракрасного анализатора метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе осуществляется считывание данных в компьютер по USB-интерфейсу.With the frequency of incoming signals from the infrared optical sensor in the range of 1-10 Hz, the information is recorded on a regular memory card, and after the landing of the scanning infrared analyzer of methane and hydrocarbon vapors in the atmospheric air, the data is read into the computer via the USB interface.
Для анализа данных инфракрасного оптического датчика в реальном масштабе времени, а также в случаях вероятного повреждения или потери БПЛА, осуществляется их передача платой памяти и радиопередачи данных сканирования концентрации метана и паров углеводородов в тяговой струе атмосферного воздуха через 0,1 с по радиоканалу на наземную базовую станцию, связанную с компьютером, с последующей индикацией на экране и записью на носитель информации.To analyze the data of the infrared optical sensor in real time, as well as in cases of probable damage or loss of the UAV, they are transmitted by the memory card and by radio transmission of the scanning data of the concentration of methane and hydrocarbon vapors in the traction stream of atmospheric air every 0.1 s via the radio channel to the ground base a station connected to a computer, followed by display on the screen and recording on the storage medium.
Фиксатор крепления приварен к фюзеляжу в центре тяжести БПЛА для обеспечения его устойчивости в полете.The fastener is welded to the fuselage in the center of gravity of the UAV to ensure its stability in flight.
В результате решается поставленная техническая задача заявленного сканирующего инфракрасного анализатора метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе путем измерения распределений их концентрации внутри облака по его высоте и длине за счет быстрого и непрерывного сканирования внутреннего объема при Т ≥ -15°С с использованием БПЛА, например, типа квадрокоптера с непрерывной регистрацией сигналов инфракрасного оптического датчика на плате памяти и радиопередачи. Причем, заявленное устройство позволяет сканировать интенсивно перемешенные метановоздушные смеси и пары углеводородов на высоте от 5-10 до 150-200 м. По прототипу сканирование или непрерывное упорядоченное и последовательное измерение концентрации и температуры в объеме облака углеводородов возможно только путем создания стационарных сетевых систем инфракрасных анализаторов на высоте до 50 м в заранее заданном пространстве и с передачей данных по оптоволоконному кабелю на головной сервер.As a result, the technical problem of the claimed scanning infrared analyzer of methane and hydrocarbon vapors in atmospheric air is solved by measuring the distributions of their concentration inside the cloud along its height and length due to fast and continuous scanning of the internal volume at T ≥ -15 ° C using a UAV, for example, type of a quadrocopter with continuous recording of signals from an infrared optical sensor on a memory and radio transmission board. Moreover, the claimed device allows you to scan intensively mixed methane-air mixtures and hydrocarbon vapors at an altitude of 5-10 to 150-200 m. According to the prototype, scanning or continuous ordered and sequential measurement of concentration and temperature in the volume of a hydrocarbon cloud is possible only by creating stationary network systems of infrared analyzers at a height of up to 50 m in a predetermined space and with data transmission via fiber optic cable to the head server.
Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings
На фигуре приведена принципиальная схема сканирующего инфракрасного анализатора метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе, где:The figure shows a schematic diagram of a scanning infrared analyzer for methane and hydrocarbon vapors in atmospheric air, where:
1 - инфракрасный газоанализатор метана и паров углеводородов;1 - infrared gas analyzer for methane and hydrocarbon vapors;
2 - инфракрасный оптический датчик;2 - infrared optical sensor;
3 - отверстие для потока анализируемого газа в инфракрасный оптический датчик 2;3 - hole for the flow of the analyzed gas into the infrared
4 - отверстия для выхода потока анализируемого газа из инфракрасного оптического датчика 2;4 - holes for the outlet of the flow of the analyzed gas from the infrared
5 - электронный блок управления инфракрасным оптическим датчиком 2;5 - electronic control unit for infrared
6 - плата внешней коммуникации;6 - external communication board;
7 - плата памяти и радиопередачи данных с инфракрасного оптического датчика 2;7 - memory card and radio data transmission from infrared
8 - разъем для подключения внешних цепей;8 - connector for connecting external circuits;
9 - плата управления измерителем наружной температуры и побудителем расхода анализируемого газа 11;9 - control board for the outside temperature meter and the sample gas
10 - торец внутренней коаксиальной цилиндрической трубы с измерителем наружной температуры анализируемого газа;10 - the end of the inner coaxial cylindrical pipe with a measuring instrument for the outside temperature of the analyzed gas;
11 - побудитель расхода анализируемого газа;11 - stimulator of the analyzed gas flow rate;
12 - аэрозольный фильтр;12 - aerosol filter;
13 - пылевой фильтр;13 - dust filter;
14 - внешняя коаксиальная цилиндрическая труба;14 - external coaxial cylindrical pipe;
15 - обтекаемый корпус;15 - streamlined body;
16 - внутренняя коаксиальная цилиндрическая труба;16 - inner coaxial cylindrical pipe;
17 - радиоуправляемый беспилотный летальный аппарат (БПЛА) виде квадрокоптера;17 - radio-controlled unmanned aerial vehicle (UAV) in the form of a quadcopter;
18 - четыре расположенных вертикально электродвигателя с несущими винтами;18 - four vertically located electric motors with rotors;
19 - четыре несущих винта;19 - four rotors;
20 - взлетно-посадочное основание радиоуправляемого беспилотного летального аппарата;20 - takeoff and landing base of the radio-controlled unmanned aerial vehicle;
21 - рама из четырех радиальных балок;21 - frame of four radial beams;
22 - фюзеляж с электрическим аккумулятором;22 - fuselage with an electric battery;
23 - фиксатор крепления обтекаемого корпуса 15, приваренный к фюзеляжу с электрическим аккумулятором 22 в центре тяжести радиоуправляемого беспилотного летательного аппарата;23 - a clip for fastening the
d - диагональное расстоянию между расположенными вертикально электродвигателями 18 с несущими винтами 19;d - the diagonal distance between the
L - расстояние между фюзеляжем 22 и торцом 10 коаксиальной, внутренней, цилиндрической трубы 16;L is the distance between the
Q - объемный расход тяговой струи атмосферного воздуха;Q is the volumetric flow rate of the traction jet of atmospheric air;
q - объемный расход анализируемого газа в инфракрасный газоанализатор 1.q is the volumetric flow rate of the analyzed gas into the
Осуществление полезной моделиImplementation of the utility model
На фигуре приведена принципиальная схема заявленного сканирующего инфракрасного анализатора метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе, который содержит инфракрасный газоанализатор метана и паров углеводородов 1, содержащий обтекаемый корпус 15, внутри которого расположены электронный блок управления 5, плата внешней коммуникации 6, плата памяти и радиопередачи 7 данных сканирования концентрации метана и паров углеводородов в тяговой струе атмосферного воздуха, дополнительная плата управления 9 измерителем наружной температуры анализируемого газа (на фигуре не показан) и побудителем его расхода 11. На поверхности обтекаемого корпуса 15 установлен разъем для подключения внешних цепей 8 и инфракрасный оптический датчик 2 с отверстиями для входа 3 и выхода 4 анализируемого газа, газовый канал, состоящий из коаксиальных внутренней 16 и внешней 14 цилиндрических труб, причем внешняя труба 14 герметично присоединена к обтекаемому корпусу 15 и на ее выходе размещен пылевой фильтр 13, а внутренняя цилиндрическая труба 16 коаксиально и герметично соединена с инфракрасным оптическим датчиком 2, на ее торце 10 расположен измеритель наружной температуры газа (на фигуре не показан), а внутри нее последовательно размещены аэрозольный фильтр 12 и побудитель расхода анализируемого газа 11 через отверстия для его входа 3 и выхода 4 в инфракрасном оптическом датчике 2.The figure shows a schematic diagram of the claimed scanning infrared analyzer of methane and hydrocarbon vapors in atmospheric air, which contains an infrared gas analyzer for methane and
Аналоговые сигналы в сканирующем инфракрасном газоанализаторе метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе преобразуются в цифровые для устранения шумов и электромагнитных наводок и, далее, передаются на удаленный сервер сбора информации.Analog signals in a scanning infrared gas analyzer for methane and hydrocarbon vapors in atmospheric air are converted into digital signals to eliminate noise and electromagnetic interference and, then, are transmitted to a remote data collection server.
На фигуре показан БПЛА в виде квадрокоптера 17, включающего взлетно-посадочное основание 20, на котором установлен фюзеляж с электрическим аккумулятором 22 и с рамой из четырех радиальных балок 21, на концах которых расположены вертикально четыре электродвигателя 18 с четырьмя несущими винтами 19. В фюзеляже 22 с электрическим аккумулятором установлена центральная плата радиоуправления БПЛА (на фигуре не показаны).The figure shows a UAV in the form of a
Обтекаемый корпус 15 присоединен к фиксатору крепления 23, который приварен к фюзеляжу 22 в центре тяжести радиоуправляемого беспилотного летательного аппарата 17 для обеспечения его устойчивости в полете. Отношение расстояния L между фюзеляжем 22 и торцом 10 коаксиальной, внутренней, цилиндрической трубы 16 к диагональному расстоянию d между расположенными вертикально электродвигателями 18 с несущими винтами 19 составляет L/d ≤ 0,4. Оптимальное расстояние L=(0,2-0,4)×d.The
Инфракрасный оптический датчик 2 включает корпус с отверстиями для входа 3 выхода 4 потока анализируемого газа q, инфракрасный светодиод с опорной 3,65 мкм и рабочей 3,31 мкм длиной 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 и фотоприемники инфракрасного излучения опорного и рабочего измерительных каналов (на фигуре не показаны).Infrared
Диапазон рабочей температуры инфракрасного оптического датчика 2 варьируется от -40 до 60°С. Электронный блок управления 5 содержит усилители сигналов, платы стабилизированного питания и микроконтролер (на фигуре не показаны). Коммуникационная плата 6 включает устройство внешней коммутации и стабилизированного питания, управляющий микропроцессор и интерфейс с формирователем цифровых сигналов (на фигуре не показаны). Измеритель наружной температуры анализируемого газа собран из термопарного кабеля хромель-алюмель (на фигуре не показан). Входные отверстия 3 защищены от воздействия дисперсной фазы аэрозольным фильтром 12 из стойкого к парам и перепадам температуры волокнистого из полиэстера с медным наполнителем класса очистки F7-F8.The operating temperature range of the infrared
Быстродействие платы памяти и радиопередачи 7 сигналов инфракрасного оптического датчика 2 составляет τ<0,1 с. Передача ее радиосигналов на удаленный головной сервис осуществляется каждую 0,1 с.The speed of the memory card and radio transmission 7 signals of the infrared
Сканирующий инфракрасный анализатор метана и паров углеводородов держится в воздухе, управляется и перемещается за счет несущих винтов 19, 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, С.1. http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2016-11-1551)The scanning infrared analyzer of methane and hydrocarbon vapors is kept in the air, controlled and moved by the
Анализ расчетов и данных компьютерной модели анимации потоков воздуха от четырех работающих винтов БПЛА типа квадрокоптер выявил сложные колебания турбулентной скорости тяговой струи атмосферного воздуха Q, сформированной работой четырех электродвигателей и несущих винтов на режиме 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. http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2016-11-1551). Эти данные согласуются с экспериментальным анализом скорости воздушного потока под БПЛА в зависимости от расстояния от несущих винтов и рамы с четырьмя балкамиAnalysis of calculations and data of a computer model for the animation of air flows from four operating propellers of a UAV of the quadrocopter type revealed complex oscillations of the turbulent velocity of the atmospheric air thrust jet Q, formed by the operation of four electric motors and rotors in the axial flow mode, as well as the influence of its frame and fuselage (Sverdlov S. H. Optimal vertical lift of an electric multicopter.Engineering journal: science and innovations, 2016,
Под рамой, фюзеляжем и электродвигателями с несущими винтами образуется турбулентная зона воздуха с активным перемешиванием тяговой струи атмосферного воздуха с объемной скоростью Q с анализируемым метаном и парами углеводородов. По мере удаления от БПЛА за счет размывания, поперечного подсасывания воздуха и расширения тяговой струи атмосферного воздуха ее объем расход Q и продольная скорость уменьшаются до значений меньших характерных величин скорости движения БПЛА и естественных турбулентных потоков атмосферного воздуха в анализируемом облаке в диапазоне от 1 до 10 м/с. На расстоянии L>5d воздушный поток Q от несущих винтов практически не отличается от атмосферных потоков ветра, не перемешивается несущими винтами 19 и не влияет на содержание анализируемого метана и паров углеводородов в их облаке в смеси с атмосферным воздухом.A turbulent air zone is formed under the frame, fuselage, and electric motors with rotors, with active mixing of a thrust jet of atmospheric air at a volumetric velocity Q with analyzed methane and hydrocarbon vapors. As the distance from the UAV increases due to erosion, transverse air suction and expansion of the atmospheric air thrust jet, its volume flow rate Q and longitudinal velocity decrease to values of smaller characteristic values of the UAV movement speed and natural turbulent atmospheric air flows in the analyzed cloud in the range from 1 to 10 m /with. At a distance L> 5d, the air flow Q from the rotors practically does not differ from the atmospheric wind currents, is not mixed by the
При расположении инфракрасного анализатора под фюзеляжем так, что отношение расстояния L между фюзеляжем и торцом коаксиальной, внутренней, цилиндрической трубы к диагональному расстоянию d между расположенными вертикально электродвигателями с несущими винтами составляет L/d ≤ 0,4 из тяговой струи атмосферного воздуха с расходом Q осуществляется представительный отбор перемешенной смеси воздуха с метаном и парами углеводородов в инфракрасный оптический датчик 2 с расходом q, где осуществляется их анализ с величиной быстродействия τ<1 с. За время τ через БПЛА протекает объем газа Q×τ с однородно перемешенной смесью углеводородов и воздуха по ометаемой площади несущих винтов. Из этого объема в инфракрасный оптический датчик 2 непрерывно отбирается и анализируется представительная проба газа объемом q×τ. В результате имеет место непрерывное и последовательное представительное измерение перемешенной концентрации углеводородов по объему Q×τ. Таким образом, использование БПЛА позволяет не только осуществлять сканирование распределений концентрации углеводородов в воздухе по высоте и длине облака, но и осуществлять представительный анализ пробы смеси углеводородов с воздухом объемом Q×τ, который существенно превышает объем анализируемой смеси по прототипу. Этот вывод был подтвержден экспериментально путем создания неоднородных смесей углеводородов с воздухом сверху БПЛА и их последующим анализом снизу БПЛА.When the infrared analyzer is located under the fuselage so that the ratio of the distance L between the fuselage and the end face of the coaxial, inner, cylindrical pipe to the diagonal distance d between the vertical motors with rotors is L / d ≤ 0.4 from the thrust jet of atmospheric air with the flow rate Q representative sampling of a mixed mixture of air with methane and hydrocarbon vapors into an infrared
Наконец, удаление инфракрасного анализатора 1 от фюзеляжа 22 на оптимальное расстояние L=(0,2-0,4)×d позволяет уменьшить помехи, обусловленные токами, протекающими через проводники силовых цепей и порождающими магнитные поля, напряженность которых в пространстве постоянно меняется в зависимости от нагрузки на вертикальные электродвигатели. Причем, аналоговые сигналы в сканирующем инфракрасном газоанализаторе метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе преобразуются в цифровые с их одновременной передачей на удаленный сервер сбора информации.Finally, the removal of the
Оптимальное диагональное расстояние между вертикально установленными электродвигателями 18 с несущими винтами 19, составляет d=0,35-0,7 м. Питание сканирующего инфракрасного анализатора метана и паров углеводородов атмосферного воздуха массой менее 350 г осуществляется от литий-полимерного электрического аккумулятора, расположенного в фюзеляже БПЛА.The optimal diagonal distance between vertically mounted
Длительность анализа облаков метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе определяется емкостью электрического аккумулятора БПЛА, весовой нагрузкой и состоянием атмосферы. Максимальное время полета БПЛА зависит от его типа и варьируется от 15 (тип «Phantom 3 или 4») до 60 минут (модель «Геоскан 401»).The duration of the analysis of clouds of methane and hydrocarbon vapors in the atmospheric air is determined by the capacity of the UAV's electric battery, the weight load, and the state of the atmosphere. The maximum flight time of a UAV depends on its type and varies from 15 ("
БПЛА предназначен для длительной эксплуатации при отрицательной температуре воздуха Т≥ -15°С, поскольку при более низкой температуре его электрический аккумулятор теряет накопленный заряд даже без нагрузки.The UAV is designed for long-term operation at a negative air temperature T≥ -15 ° C, since at a lower temperature its electric battery loses its accumulated charge even without load.
БПЛА 17 позволяет определять свое местоположения системой ГЛОНАСС 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 5 м/с, а скорость снижения составляет менее 2-3 м/с.
Измеряемая объемная концентрация метана в воздухе, как и в прототипе, составляет от 0,1 до 99% об., а более тяжелых паров углеводородов от 0,1 до 10% об. с предварительной калибровкой инфракрасного оптического датчика 2.The measured volumetric concentration of methane in air, as in the prototype, is from 0.1 to 99% vol., And heavier hydrocarbon vapors from 0.1 to 10% vol. with preliminary calibration of infrared
При частоте поступающих сигналов с инфракрасного оптического датчика 2 в диапазоне 1-10 Гц информация записывается на плату памяти и радиопередачи 7 и после приземления БПЛА осуществляется считывание данных в компьютер по USB-интерфейсу.When the frequency of the incoming signals from the infrared
Для анализа сигналов инфракрасного оптического датчика 2 в реальном масштабе времени, а также в случаях вероятного повреждения или потери БПЛА, осуществляется их передача с помощью платы памяти и радиопередачи данных 7 с инфракрасного оптического датчика 2 через 0,1 с по радиоканалу на наземную базовую станцию, связанную с компьютером через USB-интерфейс.To analyze the signals of the infrared
Сканирующий инфракрасный анализатор метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе работает следующим образом. В процессе его движения анализируемый газ отбирается побудителем расхода 11 через аэрозольный фильтр 12 и отверстия 3 в инфракрасный оптический датчик 2. Метан и углеводородные пары детектируются путем измерения избирательного поглощения молекулами инфракрасного излучения с рабочей длиной волны 3,31 мкм. Исследуемый газ поглощает излучение рабочей длины волны и не влияет на излучение опорной длины волны 3,65 мкм.Scanning infrared analyzer of methane and hydrocarbon vapors in atmospheric air works as follows. In the course of its movement, the analyzed gas is taken by the
Сканирование метана и паров углеводородов в объеме облака при скорости ветра в атмосфере менее 10 м осуществляется при ручном управлении или в режиме автопилота БПЛА. Устройство двигается горизонтально со скоростью V(x) ≈ 1-5 и вертикально вниз или вверх со скоростью V(y) ≈ 1-3 м/с через облако с непрерывным анализом отбираемой смеси газов в инфракрасном оптическом датчике 2. Сигнал с него записывается на карту памяти 7 с временным откликом менее 0,1 си считывается после приземления в компьютер через USB-интерфейс. В процессе сканирования скорость летального аппарата поддерживаются постоянной для исключения его опрокидывания.Scanning of methane and hydrocarbon vapors in the volume of a cloud at a wind speed in the atmosphere of less than 10 m is carried out with manual control or in the UAV autopilot mode. The device moves horizontally at a speed V (x) ≈ 1-5 and vertically downward or upward at a speed V (y) ≈ 1-3 m / s through a cloud with continuous analysis of the sampled gas mixture in infrared
Для анализа данных инфракрасного оптического датчика 2 в режиме текущего времени, а также в случаях вероятного повреждения или потери летательного аппарата, осуществляется передача данных через 0,1 с по радиоканалу на наземную базовую станцию. Выбор конкретной модели аппаратуры радиоканала и его номенклатура зависит от требуемой скорости передачи данных и расстояния удаления летательного аппарата от базовой станции. В частности, для экспресс анализа сигнал с карты памяти 7 типа San Disk 256 MB через радиомодем 433 МГц RF LoRa модуль SX1278 РМ1280 с соответствующими настройками передается каждую 0,1 с на наземную базовую станцию, связанную с компьютером.To analyze the data of the infrared
В процессе записи или передачи данных от инфракрасного оптического датчика 2 синхронно и непрерывно определяются его пространственные координаты с помощью системы ГЛОНАСС. Это позволяет определять температуру и концентрацию метана или паров углеводородов с привязкой к объему облаков углеводородов в зависимости от его местонахождения.In the process of recording or transmitting data from the infrared
В заявленном устройстве осуществляется дистанционное на оптимальном расстоянии от 200 до 1500 м измерение распределений концентрации и температуры по объему облаков метана и паров углеводородов (этан, пропан, бутан, гексан и т.п.) в атмосфере без использования оптоволоконной связи для передачи данных на головной сервер их приема и обработки согласно прототипу.In the claimed device, remote measurements of concentration and temperature distributions over the volume of clouds of methane and hydrocarbon vapors (ethane, propane, butane, hexane, etc.) are carried out at an optimal distance from 200 to 1500 m in the atmosphere without using fiber-optic communication for data transmission to the head server for receiving and processing them according to the prototype.
В результате решается поставленная техническая задача заявленного сканирующего инфракрасного анализатора метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе путем непрерывного и последовательного сканирования распределений их концентрации внутри объема их облака в смеси с атмосферным воздухом по его высоте и длине при температуре от -15 до 40-50°С с использованием БПЛА, например, типа квадрокоптера с непрерывной регистрацией сигналов инфракрасного оптического датчика 2 с их накоплением в плате памяти и передачи данных по радиоканалу 7. Причем, заявленное устройство позволяет сканировать метановоздушные смеси и пары углеводородов в атмосфере на высоте от 5-10 до 150-200 м. По прототипу их сканирование возможно только путем создания стационарных сетевых систем инфракрасных газоанализаторов 1 в количестве до 30-50 одновременно работающих устройств на высоте менее 50 м и с передачей их данных по оптоволоконному кабелю на удаленный головной сервер.As a result, the technical problem of the claimed scanning infrared analyzer of methane and hydrocarbon vapors in atmospheric air is solved by continuous and sequential scanning of the distributions of their concentration inside the volume of their cloud in a mixture with atmospheric air along its height and length at temperatures from -15 to 40-50 ° С using a UAV, for example, a quadcopter type with continuous recording of signals from an infrared
Пример.Example.
Для регистрации метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе использовался инфракрасный оптический датчик 2 типа MIPEX с отверстиями 3 и 4 в корпусе для входа т выхода потока анализируемого газа q, с электронным блоком управления 5 и коммуникационной платой 6 согласно патенту №2187093. Характерное время срабатывания его электронной схемы составляет менее 0,35 с. Время быстродействия τ=0,4 с.To register methane and hydrocarbon vapors in the atmospheric air, an infrared
Для измерения наружной температуры газовой смеси применялась термопара хромель-алюмель с быстродействием около 0,15 с.A chromel-alumel thermocouple with a speed of about 0.15 s was used to measure the external temperature of the gas mixture.
Длина инфракрасного газоанализатора 1 составляла 9,5 см, а его максимальный диаметр был равен 8 см.The
В качестве БПЛА 17 использовались квадрокоптеры типа DJI "Phantom 4 professional" с d ≈ 0,36 м и временем полета до 12 мин с бесколлекторными двигателями. (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 для вертикального сканирования вверх или вниз V(y) = 2-3 м/с и t(y) ≈ 15 с. Радиоуправление БПЛА осуществлялось на частоте 2,4 ГГц.As
При L = 0,4d ≈ 0,15 м измеренный объемный расход тяговой струи атмосферного воздуха составлял Q ≈ 1,8 и 3 м3/с в режиме полета без нагрузки и при форсаже с нагрузкой соответственно.At L = 0.4d ≈ 0.15 m, the measured volumetric flow rate of the atmospheric air thrust jet was Q ≈ 1.8 and 3 m 3 / s in the flight mode without load and in the afterburner with load, respectively.
Измеренная продольная линейная скорость тяговой струи атмосферного воздуха на оси инфракрасного газоанализатора 1 при L = 0,4d ≈ 0,15 м была равна 9 и 15 м/с в режиме полета без нагрузки и при форсаже с нагрузкой соответственно.The measured longitudinal linear velocity of the thrust jet of atmospheric air on the axis of the
Сигнал с инфракрасного оптического датчика 2 с частотой 2 Гц записывался на плату памяти и радиопередачи 7 типа San Disk 256 MB с временным откликом менее 0,1 си после приземления сканирующего инфракрасного анализатора метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе считывался в компьютер через USB-интерфейс.The signal from the infrared
Для экспресс анализа облаков углеводородов и работы в режиме текущего времени сигнал инфракрасного оптического датчика 2 с карты памяти и радиопередачи 7 типа San Disk 256 MB через радиомодем 433 МГц RF LoRa модуль SX1278 РМ1280 с соответствующими настройками передавался каждую 0,1 с на наземную базовую станцию, связанную с компьютером с последующей индикацией на экране и записью на носитель информации. Расстояние удаления сканирующего инфракрасного анализатора метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе от базовой станции составляло от 200 до 1500 м.For express analysis of hydrocarbon clouds and operation in the current time mode, the signal of the infrared
В процессе записи и радиопередачи данных от инфракрасного оптического датчика 2 синхронно определялись его пространственные координаты с помощью ГЛОНАСС системы.In the process of recording and transmitting data from the infrared
С помощью заявленного устройства было просканированы облако метана и паров углеводородов регазифицированного СПГ для коммунально-бытового назначения с концентрацией метана около 97% об. в воздухе объемом более 105 м3 при температуре от -15 до 15°С. Облако создавалось импульсным распылением и разливом СПГ при моделировании техногенной аварии при начальной температуре воздуха около 15°С. Инфракрасный оптический датчик 2 был предварительно прокалиброван для использованного состава СПГ. Скорость отбора пробы для анализа метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе составляла q=35-40 см3/с.The claimed device was used to scan a cloud of methane and hydrocarbon vapors of re-gasified LNG for household use with a methane concentration of about 97% by volume. in air with a volume of more than 10 5 m 3 at a temperature of -15 to 15 ° C. The cloud was created by pulsed spraying and spilling of LNG when simulating a man-made accident at an initial air temperature of about 15 ° C. Infrared
В результате было измерено неоднородное распределение концентрации углеводородов в воздухе от 1 до 30% об., а также температуры от 15°С по краям облака до -(10-25)°С в центре облака.As a result, a non-uniform distribution of the concentration of hydrocarbons in the air was measured from 1 to 30% vol., As well as temperatures from 15 ° С at the edges of the cloud to - (10-25) ° С in the center of the cloud.
Таким образом, сравнение характеристик заявленного сканирующего инфракрасного анализатора метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе с прототипом показывает, что удалось расширить функциональные возможности заявленной конструкции путем сканирования распределений концентрации и температуры внутри облаков углеводородов и воздуха в атмосфере по высоте от 5-10 до 150-200 м и длине до 100 м при температуре от -15 до 40-50°С с быстродействием менее 1 с и накоплением информации в плате памяти и радиопередачи 7 с периодом регистрации 0,1 с и ее радиопередачей на базовую станцию каждые 0,1 с. По прототипу осуществить сканирование или непрерывное и последовательное измерение концентрации и температуры внутри объема углеводородов возможно только путем создания стационарных сетевых систем большого количества инфракрасных анализаторов по его объему на высоте до 50 м с передачей данных по оптоволоконному кабелю на удаленный головной сервер их приема и обработки. Thus, a comparison of the characteristics of the claimed scanning infrared analyzer of methane and hydrocarbon vapors in atmospheric air with the prototype shows that it was possible to expand the functionality of the claimed design by scanning the concentration and temperature distributions inside the clouds of hydrocarbons and air in the atmosphere from 5-10 to 150-200 m and a length of up to 100 m at temperatures from -15 to 40-50 ° C with a speed of less than 1 s and information accumulation in the memory and radio transmission card 7 with a registration period of 0.1 s and its radio transmission to the base station every 0.1 s. According to the prototype, scanning or continuous and sequential measurement of the concentration and temperature inside the volume of hydrocarbons is possible only by creating stationary network systems of a large number of infrared analyzers along its volume at an altitude of up to 50 m with data transmission via fiber optic cable to a remote head server for their reception and processing.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020139408U RU207026U1 (en) | 2020-12-01 | 2020-12-01 | SCANNING INFRARED ANALYZER OF METHANE AND HYDROCARBON VAPOR IN ATMOSPHERIC AIR |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020139408U RU207026U1 (en) | 2020-12-01 | 2020-12-01 | SCANNING INFRARED ANALYZER OF METHANE AND HYDROCARBON VAPOR IN ATMOSPHERIC AIR |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU207026U1 true RU207026U1 (en) | 2021-10-07 |
Family
ID=78000442
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020139408U RU207026U1 (en) | 2020-12-01 | 2020-12-01 | SCANNING INFRARED ANALYZER OF METHANE AND HYDROCARBON VAPOR IN ATMOSPHERIC AIR |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU207026U1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU214288U1 (en) * | 2022-06-22 | 2022-10-19 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | SCANNING INFRARED ANALYZER OF METHANE AND HYDROCARBON VAPOR IN ATMOSPHERIC AIR |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106338484A (en) * | 2015-07-09 | 2017-01-18 | 王霆 | Apparatus for monitoring environment gas information by unmanned plane infrared remote sensing and application thereof |
| RU2694461C1 (en) * | 2018-05-03 | 2019-07-15 | Общество с ограниченной ответственностью "Иннованте" | Remote optical absorption laser gas analyzer with radiation wavelength in the region of 1_6 mcm (2 versions), method of its implementation and a fiber-optic raman amplifier for a remote optical absorption laser gas analyzer with radiation wavelength in the region of 1_6 mcm |
| RU191610U1 (en) * | 2019-03-05 | 2019-08-14 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | INFRARED GAS ANALYZER |
| CN110426362A (en) * | 2019-07-19 | 2019-11-08 | 武汉理工大学 | A kind of novel harbour atmospheric monitoring system |
-
2020
- 2020-12-01 RU RU2020139408U patent/RU207026U1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106338484A (en) * | 2015-07-09 | 2017-01-18 | 王霆 | Apparatus for monitoring environment gas information by unmanned plane infrared remote sensing and application thereof |
| RU2694461C1 (en) * | 2018-05-03 | 2019-07-15 | Общество с ограниченной ответственностью "Иннованте" | Remote optical absorption laser gas analyzer with radiation wavelength in the region of 1_6 mcm (2 versions), method of its implementation and a fiber-optic raman amplifier for a remote optical absorption laser gas analyzer with radiation wavelength in the region of 1_6 mcm |
| RU191610U1 (en) * | 2019-03-05 | 2019-08-14 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | INFRARED GAS ANALYZER |
| CN110426362A (en) * | 2019-07-19 | 2019-11-08 | 武汉理工大学 | A kind of novel harbour atmospheric monitoring system |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU214288U1 (en) * | 2022-06-22 | 2022-10-19 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | SCANNING INFRARED ANALYZER OF METHANE AND HYDROCARBON VAPOR IN ATMOSPHERIC AIR |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| McGonigle et al. | Unmanned aerial vehicle measurements of volcanic carbon dioxide fluxes | |
| Kunz et al. | COCAP: a carbon dioxide analyser for small unmanned aircraft systems | |
| Li et al. | Evaluation of unmanned aerial system in measuring lower tropospheric ozone and fine aerosol particles using portable monitors | |
| CN101876717A (en) | Pilotless aircraft airborne atmospheric environment detection system | |
| GB2574154A (en) | New method for measuring vertical profiles of multiple atmospheric parameters in real time by means of aerostat carrying | |
| CN205139117U (en) | Perpendicular monitoring system of atmosphere pollution based on on -vehicle captive balloon | |
| Watkins et al. | An overview of experiments on the dynamic sensitivity of MAVs to turbulence | |
| Chang et al. | An optimized multicopter UAV sounding technique (MUST) for probing comprehensive atmospheric variables | |
| RU207026U1 (en) | SCANNING INFRARED ANALYZER OF METHANE AND HYDROCARBON VAPOR IN ATMOSPHERIC AIR | |
| RU2743493C1 (en) | Low-temperature scanning infrared analyzer of methane and hydrocarbon vapors in atmospheric air | |
| Mazzola et al. | AGAP: an atmospheric gondola for aerosol profiling | |
| RU210352U1 (en) | LOW-TEMPERATURE SCANNING LIQUEFIED NATURAL GAS VAPOR ANALYZER IN THE ATMOSPHERE | |
| Ziereis et al. | In situ measurements of the NO x distribution and variability over the eastern North Atlantic | |
| RU214288U1 (en) | SCANNING INFRARED ANALYZER OF METHANE AND HYDROCARBON VAPOR IN ATMOSPHERIC AIR | |
| Pena et al. | Isokinetic sampler for continuous airborne aerosol measurements | |
| CN114993886B (en) | Aerial pesticide application drift measuring device, system and method | |
| Gonzalez et al. | Multidisciplinary design and flight testing of a remote gas/particle airborne sensor system | |
| Mak et al. | A novel Whole Air Sample Profiler (WASP) for the quantification of volatile organic compounds in the boundary layer | |
| Pohorsky et al. | Modular Multiplatform Compatible Air Measurement System (MoMuCAMS): a new modular platform for boundary layer aerosol and trace gas vertical measurements in extreme environments | |
| Bailey et al. | Measurement of high Reynolds number turbulence in the atmospheric boundary layer using unmanned aerial vehicles | |
| Bateman et al. | A balloon-borne instrument for measuring the charge and size of precipitation particles inside thunderstorms | |
| CN104777126A (en) | High-detection-precision sounding apparatus and method for vertical profile of atmospheric CO2 | |
| Farlow et al. | Comparison of stratospheric aerosol measurements over Poker Flat, Alaska, July, 1979 | |
| CN215932395U (en) | Intelligent pod system for three-dimensional monitoring of atmospheric environment | |
| Girdwood | Optical Measurement of Airborne Particles on Unmanned Aircraft |