RU214288U1 - Сканирующий инфракрасный анализатор метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе - Google Patents

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 облаках для контроля промышленной безопасности объектов нефтегазовой индустрии и экологического мониторинга атмосферы. Техническим результатом является повышение точности анализа концентрации метана и паров углеводородов за счет измерения распределения усредненной и перемешенной винтами БПЛА концентрации метана и паров углеводородов с воздухом в тяговой струе, с одновременным измерением распределения концентрации метана и паров углеводородов вне ее объема, не перемешенной турбулентными газовыми потоками несущих винтов БПЛА. Для его достижения предложен сканирующий инфракрасный анализатор метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе, включающий радиоуправляемый беспилотный летательный аппарат, состоящий из взлетно-посадочного основания, на котором установлен фюзеляж с креплением на раме четырех радиальных балок, на концах которых вертикально расположены четыре электродвигателя с несущими винтами для создания тяговой струи атмосферного воздуха, перемешенной с метаном и парами углеводородов, с закрепленным в центре фюзеляжа инфракрасным анализатором метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе, при этом корпус центрального инфракрасного газоанализатора с оптическим инфракрасным датчиком и электронным блоком с платой памяти сваркой закреплен к нижней части блока подвески, а верхняя часть блока подвески сваркой закреплена к фюзеляжу, причем по центру взлетно-посадочного основания перпендикулярно и симметрично фиксаторами крепления закреплена горизонтальная труба из дюраля, на концах которой фиксаторами крепления закреплены корпуса двух боковых инфракрасных газоанализаторов с оптическими инфракрасными датчиками и электронными блоками с платами памяти, при этом отношение длины L горизонтальной трубы к диагональному расстоянию d между вертикально расположенными электродвигателями составляет L/d=1,5-2, а питание инфракрасных газоанализаторов осуществляется от электрического аккумулятора беспилотного летательного аппарата. 2 ил.

Description

Область техники

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 облаках для контроля промышленной безопасности объектов нефтегазовой индустрии и экологического мониторинга атмосферы.

Уровень техники

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 их облака в атмосфере.

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, пылевой фильтр на входе в газовый канал, на выходе из которого установлен побудитель расхода газа и электронный модуль с платами питания, интерфейса и внешней коммутации. Его недостатком является невозможность сканирования концентрации метана и паров углеводородов в атмосфере.

Известен инфракрасный газоанализатор (патент РФ №2187093) для измерения концентрации метана и паров (этан, пропан, бутан и другие алканы) сжиженного природного газа (СПГ), включающий корпус, в котором установлен инфракрасный оптический датчик с отверстиями для диффузионного входа анализируемого газа, защищенный аэрозольным фильтром, электронный модуль с усилителем сигналов, стабилизатором питания, управляющим микропроцессором, коммуникационной платой и интерфейсом. Его недостатком является невозможность сканирования концентрации метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе.

Известен инфракрасный газоанализатор (патент РФ на полезную модель №191610), содержащий цилиндрический корпус, внутри которого расположены электронный блок управления и плата внешней коммуникации, а на его поверхности установлен разъем для подключения внешних цепей и инфракрасный оптический датчик с отверстиями для входа и выхода анализируемого газа, газовый канал, состоящий из коаксиальных внутренней и внешней цилиндрических труб, причем внешняя труба герметично присоединена к цилиндрическому корпусу и на ее выходе размещен пылевой фильтр, а внутренняя труба коаксиально и герметично соединена с инфракрасным оптическим датчиком, на ее торце расположен измеритель наружной температуры газа, 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. Его недостатком является невозможность сканирования распределения концентрации метана и паров углеводородов в атмосфере.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является сканирующий инфракрасный анализатор метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе (прототип, патент РФ на полезную модель №207026), содержащий корпус, внутри которого расположены электронный блок управления и плата внешней коммуникации с разъемом для подключения внешних цепей, оптический инфракрасный датчик с отверстиями для входа и выхода анализируемого газа, подключенный к плате памяти, 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 с платой управления анализируемого газа через отверстия для его входа и выхода в инфракрасном оптическом датчике, причем корпус закреплен к фюзеляжу в центре тяжести 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, перемешенного с метаном и парами углеводородов, причем отношение расстояния Z между фюзеляжем и торцом коаксиальной, внутренней, цилиндрической трубы к диагональному расстоянию d между расположенными вертикально электродвигателями с несущими винтами составляет Z/d≤0,4. Питание инфракрасного анализатора осуществляется от электрического аккумулятора, расположенного в фюзеляже БПЛА.

Анализ экспериментальных данных и компьютерной анимации потоков воздуха от БПЛА типа квадрокоптера выявил сложные колебания турбулентной скорости закрученных струй и давления воздуха, сформированных работой четырех несущих винтов, а также влиянием его рамы и фюзеляжа. Под рамой, несущими винтами и фюзеляжем образуется зона с интенсивным турбулентным перемешиванием закрученного воздушного потока с анализируемыми углеводородами и объемной скоростью Q, создаваемого четырьмя несущими винтами по их ометаемой площади. По мере удаления от БПЛА за счет размывания, поперечного подсасывания воздуха и расширения продольная скорость закрученной струи воздуха уменьшается до значений турбулентных потоков атмосферы.

При расположении инфракрасного анализатора под фюзеляжем из тяговой струи с расходом Q отбирается перемешенная смесь воздуха с углеводородами с расходом q с последующим их анализом с величиной быстродействия τ<1 с. За время т за счет работы несущих винтов через БПЛА прокачивается объем газа Q×τ с достаточно однородно перемешенной по сечению винтов смесью углеводородов и воздуха. Из этого объема непрерывно отбирается и анализируется проба газа объемом q×τ. Таким образом, использование БПЛА позволяет не только осуществлять сканирование распределений усредненной концентрации углеводородов в облаке, но и осуществлять интенсивное перемешивание углеводородов с воздухом и представительный отбор пробы анализируемого газа.

Недостатком устройства по прототипу является недостаточная точность сканирования концентрации метана и паров углеводородов в облаке, так как в процессе сканирования измеряется их усредненная концентрация в объеме тяговой струи воздуха и не анализируется их концентрация в облаке углеводородов, не перемешенная турбулентными газовыми потоками от несущих винтов.

Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является унификация ее конструкции для повышения точности анализа концентрации метана и паров углеводородов за счет измерения распределения усредненной и перемешенной с воздухом несущими винтами БПЛА концентрации метана и паров углеводородов в тяговой струе, и, одновременного, измерения распределения концентрации метана и паров углеводородов вне ее объема, не возмущенной и не перемешенной турбулентными газовыми потоками от несущих винтов.

Раскрытие сущности полезной модели

Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение точности анализа концентрации метана и паров углеводородов за счет измерения распределения усредненной и перемешенной винтами БПЛА концентрации метана и паров углеводородов с воздухом в тяговой струе, с одновременным измерением распределения концентрации метана и паров углеводородов вне ее объема, не перемешенной турбулентными газовыми потоками несущих винтов БПЛА.

Для достижения технического результата предложен сканирующий инфракрасный анализатор метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе, включающий радиоуправляемый беспилотный летательный аппарат, состоящий из взлетно-посадочного основания, на котором установлен фюзеляж с креплением на раме четырех радиальных балок, на концах которых вертикально расположены четыре электродвигателя с несущими винтами для создания тяговой струи атмосферного воздуха, перемешенной с метаном и парами углеводородов, с закрепленным в центре фюзеляжа инфракрасным анализатором метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе, при этом корпус центрального инфракрасного газоанализатора с оптическим инфракрасным датчиком и электронным блоком с платой памяти, сваркой закреплен к нижней части блока подвески, а верхняя часть блока подвески сваркой закреплена к фюзеляжу, причем по центру взлетно-посадочного основания перпендикулярно и симметрично фиксаторами крепления закреплена горизонтальная труба из дюраля, на концах которой фиксаторами крепления закреплены корпуса двух боковых инфракрасных газоанализаторов с оптическими инфракрасными датчиками и электронными блоками с платами памяти, при этом, отношение длины L горизонтальной трубы к диагональному расстоянию d между вертикально расположенными электродвигателями составляет L/d=1,5-2, при этом питание инфракрасных газоанализаторов осуществляется от электрического аккумулятора беспилотного летательного аппарата.

В результате крепления по центру взлетно-посадочного основания перпендикулярно и симметрично горизонтальной трубы из дюраля с отношением L/d=1,5-2, установки на ее концах двух одинаковых боковых инфракрасных газоанализаторов с оптическими инфракрасными датчиками и электронными блоками с платами памяти, и их подключения к электрическому аккумулятору беспилотного летательного аппарата для электрического питания, удалось улучшить технические характеристики заявляемой полезной модели по сравнению с прототипом путем унификации ее конструкции с расширением функциональных возможностей за счет повышения точности анализа концентрации метана и паров углеводородов путем измерения распределения усредненной в процессе перемешивания газовыми струями от несущих винтов концентрации метана и паров углеводородов с воздухом, с одновременным измерением распределения концентрации метана и паров углеводородов вне ее объема, не перемешенной и не возмущенной турбулентными газовыми потоками от четырех несущих винтов БПЛА.

Увеличение L>2d приводит к возрастанию веса и уменьшению устойчивости БПЛА в полете, а при уменьшении L<1,5d имеет место влияние турбулентной тяговой струи от четырех несущих винтов на концентрацию метана и паров углеводородов в атмосфере.

Горизонтальная труба из дюраля закреплена фиксаторами к взлетно-посадочному основанию по центру, перпендикулярно и симметрично для устранения возможного опрокидывающего момента от боковых инфракрасных газоанализаторов и повышения устойчивости полета БПЛА.

Конструкции центрального и двух боковых инфракрасных газоанализаторов с питанием от электрического аккумулятора БПЛА, расположенного в фюзеляже, идентичны и совпадают с конструкцией инфракрасного газоанализатора согласно прототипу.

Одновременное измерение распределения усредненной концентрации метана и паров углеводородов с воздухом в объеме тяговой струи, и детектирование распределения концентрации метана и паров углеводородов, не возмущенной и не перемешенной турбулентными потоками от четырех несущих винтов БПЛА, осуществляется тремя одинаковыми по конструкции инфракрасными газоанализаторами с непрерывной регистрацией на три платы памяти данных от трех оптических инфракрасных датчиков, с использованием БПЛА типа квадрокоптера, который держится в воздухе, управляется и перемещается за счет четырех несущих винтов (Бондарев А.Н., Киричек Р.В. Обзор беспилотных летательных аппаратов общего пользования и регулирования воздушного движения БПЛА в разных странах // Информационные технологии и телекоммуникации. 2016. Том 4. №4. С. 13; Свердлов С.З. Оптимальный вертикальный подъем электрического мультикоптера. Инженерный журнал: наука и инновации, 2016, вып. 11. С.1. http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2016-11-1551.

Анализ экспериментальных данных и компьютерной модели анимации потоков воздуха от БПЛА типа квадрокоптера выявил сложные колебания турбулентной скорости четырех закрученных струй и давления воздуха, сформированных работой несущих винтов на режиме осевого обтекания, а также влиянием его рамы и фюзеляжа (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). Эти данные согласуются с экспериментальным и теоретическим анализом скорости воздушного потока в зависимости от расстояния от несущих винтов (Свердлов С.З. Оптимальный вертикальный подъем электрического мультикоптера. Инженерный журнал: наука и инновации, 2016, вып. 11. С. 1. http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2016-11-1551).

В результате, для устранения влияния турбулентных воздушных потоков БПЛА со скоростями индуктивного движения до 20 м/с по ометаемой площади четырех несущих винтов на анализируемую концентрацию метана и паров углеводородов длина горизонтальной трубы из дюраля, закрепленной перпендикулярно и симметрично к взлетно-посадочному основанию симметрично для устойчивости движения БПЛА и отсутствия опрокидывающего момента, составляет L=(1,5-2)d. Скорость закрученной струи воздуха от четырех несущих винтов вдоль ее оси уменьшается за счет размывания и утолщения до значений меньших характерных величин турбулентной скорости воздуха в атмосфере анализируемых облаков в диапазоне от 1 до 5 м/с и тяговая струя не оказывает влияния на концентрацию метана и паров углеводородов, детектируемую двумя боковыми инфракрасными газоанализаторами.

Для облегчения веса полезной нагрузки горизонтальная труба изготовлена из дюраля. Оптимальное диагональное расстояние d между вертикально установленными электродвигателями с четырьмя несущими винтами, совпадающее с размером рамы, варьируется от 0,35 до 1 м в зависимости от типа БПЛА и веса полезной нагрузки.

Это позволяет использовать заявляемый инфракрасный анализатор для сканирования концентрации метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе путем одновременного перемещения центрального и двух боковых инфракрасных газоанализаторов по высоте и длине облака углеводородов в атмосфере на платформе БПЛА. Диапазон их дистанционно анализируемой концентрации, как и в прототипе, составляет от 0,1 до 99 об.% для метана, а для более тяжелых углеводородов (этан, пропан, бутан и т.п.) варьируется от 0,1 до 5-10 об.%.

В процессе записи данных от инфракрасного газоанализатора на плату памяти синхронно и непрерывно определяются его пространственные координаты с помощью системы ГЛОНАСС. Это позволяет определять концентрацию метана и паров углеводородов с привязкой к объему облаков углеводородов в зависимости от их положения на местности. После приземления БПЛА осуществляется считывание данных с плат памяти трех инфракрасных газоанализаторов по USB-интерфейсу.

В результате решается поставленная техническая задача заявленного сканирующего инфракрасного анализатора метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе путем расширения его функциональных возможностей за счет повышения точности анализа концентрации метана и паров углеводородов в процессе одновременного измерения распределения усредненной за счет перемешивания несущими винтами БПЛА концентрации метана и паров углеводородов с воздухом в объеме тяговой струи, и анализ распределения концентрации метана и паров углеводородов вне ее газового объема, невозмущенной турбулентными газовыми потоками от четырех несущих винтов.

Краткое описание чертежей

Принципиальная схема заявленного сканирующего инфракрасного анализатора метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе с тремя одинаковыми по конструкции и весу инфракрасными газоанализаторами приведена на фиг. 1, а их конструкция показана на фиг. 2. Устройство на фиг. 1 включает следующие основные конструктивные элементы:

1 - центральный инфракрасный газоанализатор;

2 и 3 - два одинаковых боковых инфракрасных газоанализатора;

4 - четыре несущих винта;

5 - фюзеляж;

6 - взлетно-посадочное основание;

6.1 и 6.2 - фиксаторы крепления горизонтальной трубы из дюраля на взлетно-посадочном основании 6;

7 - горизонтальная труба из дюраля, закрепленная на взлетно-посадочном основании 6 фиксаторами 6.1 и 6.2;

7.1 и 7.2 - фиксаторы боковых инфракрасных газоанализаторов 2 и 3 к горизонтальной трубе 7 из дюраля;

8 - четыре вертикально установленных электродвигателя;

9 - беспилотный летальный аппарат типа квадрокоптера;

10 - рама БПЛА из четырех радиальных балок;

11 - блок подвески центрального инфракрасного газоанализатора 1 к фюзеляжу 5;

d - расстояние по диагонали между двумя вертикальными электродвигателями 8;

L - длина горизонтальной трубы 7 из дюраля;

S - диаметр несущего винта 4.

Каждый из трех одинаковых инфракрасных газоанализаторов 1, 2 и 3 включают следующие конструктивные элементы, показанные на фиг. 2:

12 - входной аэрозольный фильтр;

13 - внутренняя цилиндрическая труба,

14 - отверстия для входа конвективного потока анализируемого газа в инфракрасный оптический датчик 17;

15 - отверстие для выхода конвективного потока анализируемого газа из инфракрасного оптического датчика 17;

16 - выходной аэрозольный фильтр;

17 - оптический инфракрасный датчик;

18 - внешняя цилиндрическая труба;

19 - электронный блок;

20 - разъем для подключения внешних цепей;

21 - побудитель расхода анализируемого газа;

22 - плата памяти для записи данных оптического инфракрасного датчика 17;

q - расход анализируемого газа в инфракрасные газоанализаторы 1; 2 и 3.

Осуществление полезной модели

На фиг. 1 приведена принципиальная схема заявленного сканирующего инфракрасного анализатора метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе. Устройство содержит центральный инфракрасный газоанализатор 1, корпус которого сваркой закреплен к нижней части блока подвески 11, а верхняя часть блока подвески 11 сваркой закреплена к центру тяжести радиоуправляемого беспилотного летательного аппарата 9, включающего взлетно-посадочное основание 6, на котором установлен фюзеляж 5 с рамой из четырех радиальных балок 10, на концах которых вертикально расположены четыре электродвигателя 8 с четырьмя несущими винтами 4. К взлетно-посадочному основанию 6 по центру, перпендикулярно и симметрично фиксаторами крепления 6.1 и 6.2 закреплена горизонтальная труба 7 из дюраля, на концах которой фиксаторами крепления 7.1 и 7.2 закреплены два одинаковых боковых инфракрасных газоанализатора 2 и 3. Ее длина L=(1,5-2)d. Электрическое питание центрального и двух боковых инфракрасных газоанализаторов осуществляется от электрического аккумулятора, расположенного в фюзеляже 5. Конструкции центрального 1 и двух боковых 2 и 3 инфракрасных газоанализаторов идентичны и совпадают с конструкцией инфракрасного газоанализатора по прототипу.

Каждый инфракрасный газоанализатор 1, 2 и 3 (фиг. 2) содержит инфракрасный оптический датчик 17, подключенный к электронному блоку 19. Инфракрасный оптический датчик 17 включает корпус с отверстиями для входа 14 и выхода 15 конвективного потока анализируемого газа, инфракрасный светодиод с опорной и рабочей 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 фиг. 1 и 2 не показаны). Диапазон рабочей температуры инфракрасного оптического датчика 17 варьируется от -40 до 60°С. Его входные отверстия 14 защищены аэрозольным фильтром 12 из стойкого к парам и перепадам температуры волокнистого материала класса F7. Выходной аэрозольный фильтр 16 выполнен из волокнистого материала класса F7 для устранения проникновения аэрозольных частиц в инфракрасный газоанализатор.

Инфракрасный оптический датчик 17 герметично состыкован с внутренней цилиндрической трубой 13, в которой по ее оси установлен побудитель расхода 21 анализируемого газового потока q. Цилиндрические коаксиальные, внутренняя 13 и внешняя 18 трубы газового канала выполнены из тонкостенного дюраля, не сорбирующего анализируемые газы.

Электронный блок 19 содержит плату памяти 22 данных оптического инфракрасного датчика 17, разъем 20 для подключения внешних цепей, усилители сигналов, плату стабилизированного питания и микроконтроллер, коммуникационную плату, управляющий микропроцессор и интерфейс с формирователем цифровых сигналов (на фиг. 1 и 2 не показаны).

Электродвигатели 8 снабжены регуляторами их оборотов для варьирования вертикальной V(y)≤3-5 м/с и горизонтальной V(x)≤15 м/с скоростей движения БПЛА. Скорость набора высоты не превышает 5 м/с, а скорость снижения составляет менее 3 м/с.

Увеличение L>2d приводит к возрастанию веса и уменьшению устойчивости БПЛА в полете, а при L<1,5d имеет место влияние турбулентной газовой струи от четырех несущих винтов на концентрацию метана и паров углеводородов в атмосфере.

Горизонтальная труба 7 из дюраля закреплена фиксаторами 6.1 и 6.2 к взлетно-посадочному основанию 6 по центру, перпендикулярно и симметрично для устранения возможного опрокидывающего момента от боковых инфракрасных газоанализаторов 2 и 3 и повышения устойчивости полета БПЛА.

Анализ экспериментальных данных и компьютерной модели анимации потоков воздуха от БПЛА типа квадрокоптера выявил сложные колебания турбулентной скорости четырех закрученных струй и давления воздуха, сформированных работой четырех несущих винтов 4 на режиме осевого обтекания, а также влиянием его рамы и фюзеляжа (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). Эти данные согласуются с экспериментальным и теоретическим анализом скорости воздушного потока над и под БПЛА в зависимости от расстояния от несущих винтов 4 (Свердлов С.З. Оптимальный вертикальный подъем электрического мультикоптера. Инженерный журнал: наука и инновации, 2016, вып. 11. С. 1. http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2016-11-1551).

Для устранения влияния турбулентных воздушных потоков БПЛА со скоростями индуктивного движения до 20 м/с по ометаемой площади четырех несущих винтов 4 на анализируемую концентрацию метана и паров углеводородов длина горизонтальной трубы 7 из дюраля L=(1,5-2)d и прикреплена по центру взлетно-посадочного основания 6 симметрично и перпендикулярно для устойчивости полета БПЛА. Скорость закрученной и затопленной струи воздуха от четырех несущих винтов 4 вдоль ее оси уменьшается за счет размывания и утолщения до значений меньших характерных величин турбулентной скорости воздуха в атмосфере анализируемых облаков в диапазоне от 1 до 5 м/с и тяговая струя не оказывает влияния на концентрацию метана и паров углеводородов, детектируемую боковыми инфракрасными газоанализаторами 2 и 3.

Для облегчения веса полезной нагрузки горизонтальная труба 7 изготовлена из дюраля толщиной до 2 мм. Оптимальное диагональное расстояние d между вертикально установленными электродвигателями 8, варьируется от 0,35 до 1 м в зависимости от типа БПЛА и весовой нагрузки.

Сканирующий инфракрасный анализатор метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе работает следующим образом. В процессе сканирования облака углеводородов анализируемый газ одновременно отбирается в инфракрасные газоанализаторы 1, 2 и 3 через аэрозольный фильтр 12 с расходом q и далее поступает через отверстия 14 для входа конвективного потока анализируемого газа в инфракрасный оптический датчик 17. Выход конвективного потока анализируемого газа из инфракрасного оптического датчика 17 в атмосферу осуществляется через отверстия 15 и выходной аэрозольный фильтр 16 (фиг. 2). В каждом инфракрасном газоанализаторе 1, 2 и 3 данные с оптического инфракрасного датчика 17 записывается на карту памяти 22, одновременно.

Метан и пары углеводородов детектируются путем измерения избирательного поглощения их молекулами инфракрасного излучения от светодиода в измерительной газовой кювете с двумя фотоприемниками, один из которых регистрирует излучение в диапазоне длин волн 3,3-3,4 мкм, а другой - около 3,65 мкм (на фиг. 1 и 2 не показаны). Исследуемый газ поглощает излучение рабочей длины волны и не влияет на излучение опорной длины волны 3,65 мкм.

Сканирование газовой смеси в объеме облака при скорости ветра в атмосфере менее 10-12 м осуществляется инфракрасными анализаторами 1; 2 и 3 при ручном управлении или в режиме автопилота БПЛА. Радиоуправляемый аппарат двигается горизонтально со скоростью V(x)≈1-15 и вертикально вниз или вверх со скоростью V(y)≈1-5 м/с через облако с непрерывным анализом отбираемой смеси метана и паров углеводородов с воздухом в инфракрасные газоанализаторы 1, 2 и 3 с записью данных на карту памяти 22 с временным откликом менее 0,1 с. После приземления БПЛА информация с карты памяти 22 считывается в компьютер через USB-интерфейс. Измеряемая концентрация метана в воздухе, как и в прототипе, составляет от 0,1 до 99 об.%, а более тяжелых углеводородов от 0,1 до 5-10 об.% с калибровкой инфракрасного оптического датчика 17.

Одновременное измерение распределения усредненной и перемешенной четырьмя несущими винтами 4 концентрации метана и паров углеводородов с воздухом в газовом объеме тяговой струи, и детектирование распределения концентрации метана и паров углеводородов вне ее газового объема, не возмущенной и не перемешенной турбулентными потоками от четырех несущих винтов 4 осуществляется тремя одинаковыми по конструкции инфракрасными газоанализаторами 1, 2 и 3 при температуре от -40 до 60°C с непрерывной регистрацией данных их трех оптических инфракрасных датчиков 17 с платами памяти 22, с использованием БПЛА типа квадрокоптера 9, который держится в воздухе, управляется и перемещается за счет четырех несущих винтов 4, 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, вып.11. С.1. http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2016-11-1551.

Длительность анализа метана или паров углеводородов в воздухе определяется емкостью электрического аккумулятора БПЛА, состоянием атмосферы и составляет от 1 до 10 минут. Максимальное время полета БПЛА зависит от его типа и варьируется от 15 до 30 минут.

БПЛА не предназначен для длительной эксплуатации при низкой температуре воздуха Т<-(20-25)°С, поскольку его электрический аккумулятор теряет накопленный заряд даже без нагрузки. В этом случае используются подогреваемые чехлы с термостатом.

В процессе записи данных от инфракрасного оптического датчика 17 на плату памяти 22 синхронно и непрерывно определяются его пространственные координаты с помощью системы ГЛОНАСС. Это позволяет определять концентрацию метана и паров углеводородов в объеме облаков углеводородов с привязкой к их положению на местности. После приземления БПЛА осуществляется считывание данных с плат памяти 22 трех инфракрасных газоанализаторов по USB-интерфейсу.

В результате решается поставленная техническая задача заявленного сканирующего инфракрасного анализатора метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе путем расширения его функциональных возможностей за счет повышения точности анализа концентрации метана и паров углеводородов в процессе одновременного измерения распределения усредненной и перемешенной несущими винтами концентрации метана и паров углеводородов с воздухом в объеме тяговой струи, и анализ распределения концентрации метана и паров углеводородов вне ее газового объема, не перемешенной и невозмущенной турбулентными газовыми потоками от четырех несущих винтов БПЛА.

Пример

Для регистрации концентрации метана и паров углеводородов в процессе их сканирования в атмосферном воздухе были использованы три одинаковых инфракрасных газоанализатора 1, 2 и 3 с инфракрасными оптическими датчиками 17 типа Mipex-02-1 с рабочей длиной волны инфракрасного излучения 3,31 мкм и с отверстиями 14 и 15 в их корпусе для конвективного поступления анализируемого газа с электронным блоком 19 и картой памяти 22 согласно устройству по прототипу. Сигнал с инфракрасного оптического датчика 17 с частотой 2 Гц записывался на карту памяти San Disk 256 MB с временным откликом менее 0,1 с и после приземления БПЛА считывался в компьютер через USB-интерфейс.

В качестве БПЛА использовался квадрокоптер типа DJI MATRICE 300 RTK с максимальной полезной нагрузкой 2700 г. Диаметр его несущего винта 4 (тип DJI MATRICE 300 2110 21) S=0,53 м, а диагональ d=0,9 м. Длина горизонтальной трубы 7 толщиной 1,5 мм из дюраля (сплав D16) составляла L=1,5 м. Ее крепление по центру перпендикулярно и симметрично к взлетно-посадочному основанию 6 осуществлялось двумя механическими фиксаторами 6.1 и 6.2.

Масса блока подвески 11 с центральным инфракрасным газоанализатором 1 не превышала 500 г. Суммарная масса боковых инфракрасных газоанализаторов 2 и 3 с горизонтальной трубой 7 из дюраля была равна 1200 г. Их крепление к трубе 7 осуществлялось механическими фиксаторами 7.1 и 7.2. Расход анализируемого газа составлял q=30-50 см³/с. Скорость и время горизонтального сканирования составляли V(x)≈3-5 м/с и t(x)≈10-15 с, а вертикального вверх или вниз V(y)=2-3 м/с и t(y)≈15 с. Радиоуправление БПЛА на частоте 2,4 ГГц. Питание центрального 1 и двух боковых 2 и 3 инфракрасных газоанализаторов осуществлялось от литий-полимерного электрического аккумулятора, расположенного в фюзеляже 5.

В процессе записи данных на карты памяти 22 инфракрасных газоанализаторов 1, 2 и 3 синхронно и непрерывно определялись их координаты в пространстве с помощью ГЛОНАСС системы. Это позволило определять концентрацию метана и паров углеводородов в облаках углеводородов с привязкой к пространственным координатам местности.

С помощью заявленного устройства в атмосфере было просканировано облако регазифицированного СПГ из метана с примесями паров широкой фракции углеводородов (этан, пропан, бутан и др.) при температуре от -40° до 20°С. Облако создавалось импульсным диспергированием СПГ для коммунально-бытового назначения с содержанием метана около 94 об.%. Инфракрасные газоанализаторы 1, 2 и 3 были предварительно прокалиброваны. В результате в диапазоне от 1 до 30 об.% были измерены распределения усредненной за счет перемешивания газовыми потоками от четырех несущих винтов концентрации метана и паров углеводородов, и, одновременно, распределения их концентрации, не перемешенной газовыми потоками от четырех несущих винтов.

Таким образом, сравнение характеристик заявленного сканирующего инфракрасного анализатора метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе с прототипом показывает, что за счет подвески двух боковых инфракрасных газоанализаторов к БПЛА для анализа концентрации метана и паров углеводородов, на которые не действуют турбулентные газовые потоки от четырех несущих винтов, удалось улучшить технические характеристики заявленной полезной модели путем расширения ее функциональных возможностей за счет повышения точности анализа концентрации метана и паров углеводородов путем одновременного измерения распределения усредненной за счет перемешивания газовыми потоками от четырех несущих винтов концентрации метана и паров углеводородов, с одновременным измерением распределения их концентрации, не перемешенной и турбулентными потоками воздуха от четырех несущих винтов.

Claims (1)

1. Сканирующий инфракрасный анализатор метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе, включающий радиоуправляемый беспилотный летательный аппарат, состоящий из взлетно-посадочного основания, на котором установлен фюзеляж с креплением на раме четырех радиальных балок, на концах которых вертикально расположены четыре электродвигателя с несущими винтами для создания тяговой струи атмосферного воздуха, перемешенной с метаном и парами углеводородов, с закрепленным в центре фюзеляжа инфракрасным анализатором метана и паров углеводородов в атмосферном воздухе, отличающийся тем, что корпус центрального инфракрасного газоанализатора с оптическим инфракрасным датчиком и электронным блоком с платой памяти сваркой закреплен к нижней части блока подвески, а верхняя часть блока подвески сваркой закреплена к фюзеляжу, причем по центру взлетно-посадочного основания перпендикулярно и симметрично фиксаторами крепления закреплена горизонтальная труба из дюраля, на концах которой фиксаторами крепления закреплены корпуса двух боковых инфракрасных газоанализаторов с оптическими инфракрасными датчиками и электронными блоками с платами памяти, при этом отношение длины L горизонтальной трубы к диагональному расстоянию d между вертикально расположенными электродвигателями составляет L/d=1,5-2, а питание инфракрасных газоанализаторов осуществляется от электрического аккумулятора беспилотного летательного аппарата.

Images