RU219119U1 - Устройство трассового беспробоотборного мониторинга загрязненности воздушной среды парами токсичных химических веществ - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к устройствам для беспробоотборного определения паров токсичных химических веществ и оперативного оповещения о факте появления их в воздушной среде. Принцип функционирования полезной модели основан на регистрации инфракрасного спектра объектов индикации и последующего качественного анализа методом фурье-спектрометрии и количественного определения по закону Бугера-Ламберта-Бера. Патентуемое устройство может быть использовано для оперативного обнаружения, идентификации и расчета концентрации паров токсичных химических веществ в составе мобильных и стационарных комплексов химического контроля и экологического мониторинга. Технический результат, достигаемый в заявленной полезной модели, заключается в возможности мониторинга широкого (до сотни объектов индикации) перечня токсичных химических веществ, оперативном (единицы секунд) обнаружении факта наличия паровой фазы данных веществ и их массовой концентрации в месте анализа и на маршруте передвижения мобильных комплексов химического контроля. Технический результат подтвержден результатами макетирования оптической трассы и оценкой аналитических возможностей по обнаружительной способности устройства для ряда объектов индикация. По результатам практического определения возможности обнаружения, идентификации и расчета концентраций ряда объектов индикации, с учетом аналитических возможностей метода инфракрасной фурье-спектроскопии, установлено, что предлагаемое к использованию устройство может быть использовано для определения сильнодействующих ядовитых и аварийных химически опасных веществ 2-4 класса опасности на уровне единиц ПДК в воздухе рабочей зоны. Устройство может найти применение для оперативного мониторинга воздушной среды в местах скопления людей при проведении массовых политических, экономических, спортивных и развлекательных мероприятий, а также на объектах транспортной инфраструктуры, газотранспортной системы, предприятий химической и нефтехимической промышленности.

Description

Полезная модель относится к устройствам для беспробоотборного определения паров токсичных химических веществ и оперативного оповещения о факте появления их в воздушной среде. Принцип функционирования полезной модели основан на регистрации инфракрасного спектра объектов индикации и последующего качественного анализа методом фурье-спектрометрии и количественного определения по закону Бугера-Ламберта-Бера. Патентуемое устройство может быть использовано для оперативного обнаружения, идентификации и расчета концентрации паров токсичных химических веществ в составе мобильных и стационарных комплексов химического контроля и экологического мониторинга.

В промышленных выбросах и отходах предприятий практически всегда присутствуют ядовитые вещества. Непосредственно для населения опасность представляют также техногенные аварии и катастрофы, периодически происходящие на производствах. Значительный риск также вносят вооруженные конфликты и террористические акты с применением высокотоксичных веществ. В связи с вышеизложенным, разработка и создание дистанционных беспробоотборных методов и аппаратуры обнаружения токсичных химических веществ, действующей в режиме реального времени и сочетающей в себе мобильность и оперативность являются чрезвычайно востребованными и актуальными. Среди оптических методов контроля состава атмосферы в настоящее время лидирующее положение занимают фурье-спектрометрические системы. Метод инфракрасной фурье-спектрометрии применяется в лабораторных и промышленных системах мониторинга воздушной среды с целью оперативного обнаружения выбросов по широкому перечню химических веществ. Так, известны зарубежные технические средства и комплексы анализа газов, функционирующие на основе технологии инфракрасной фурье-спектроскопии. В первую очередь речь идет о продукции фирмы «Gasmet Technologies Оу» (Финляндия), занимающейся разработкой оборудования для экологического мониторинга (www.gasmet.com/products/portable-gas-analyzers). Компания выпускает как стационарные системы контроля промышленных выбросов, так и портативные (носимые) технические средства, в частности, промышленные газоанализаторы DX4040 и GT5000 Terra Производитель заявляет данные средства как переносные инфракрасные фурье-спектрометры для мониторинга технологических газов и контроля химического состава воздуха рабочей зоны в режиме реального времени. Принципиальной особенностью данных средств является необходимость предварительной калибровки, проведения пробоотбора, а также последующего отдува с целью удаления из газовой кюветы зараженного воздуха.

Также известны беспробоотборные системы химического мониторинга, функционирующие на принципе фурье-спектроскопии. «Спектрорадиометрическая установка дистанционного контроля загазованности рабочей зоны химически опасных объектов сильнодействующими ядовитыми веществами» (Патент РФ на полезную модель №114532), представляет собой стационарную систему из тепловых экранов, устройства наведения и блока регистрации и обработки данных дистанционного зондирования. Принцип функционирования заключается в анализе воздушной среды методом инфракрасной фурье-спектроскопии. Данная установка предполагается к использованию для мониторинга воздушной среды стационарных промышленных объектов. Определение химического состава воздуха происходит исключительно на фиксированных трассах мониторинга, либо в рабочих зонах производственных помещений.

Метод инфракрасной фурье-спектроскопии для качественного анализа паров химических веществ также реализован в разработке ФГУП «СПО «Аналитприбор», г. Смоленск - система дистанционного контроля воздушной среды СДКВС-1М (www.cpf-bmstu.ru/index.php.система-дистанционного-контроля-воздушной-среды-сдквс-1 м). Система СДКВС-1 построена на базе оптоэлектронного датчика, представляющего собой инфракрасный фурье-спектрометр среднего спектрального разрешения. В состав системы входят 3 переносных кейса, в которых содержатся: оптико-электронный датчик; ИК-излучатель подсветки; устройство сбора, обработки и визуализации информации; монтажный комплект. Оптико-электронный датчик и излучатель устанавливаются напротив друг друга с необходимостью предварительной юстировки до совмещения оптической оси измерительного ИК-канала. Для проведения количественного анализа паров химических веществ на трассе зондирования необходима предварительная регистрация фонового излучения, определение расстояния от источника ИК-подсветки до оптико-электронного датчика и проведение расчетов.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому устройству следует считать «Лабораторный стенд для создания и контроля концентраций газообразных веществ при формировании базы спектральных данных и оценке технических характеристик Фурье-спектрорадиометров» (Патент РФ на полезную модель №103400). Устройство представляет собой однопроходовую газовую кювету с керамическим источником ИК-излучения (глобар) и ИК фурье-спектрометр «Инфралюм ФТ-02», использующимся в качестве контрольно-измерительной аппаратуры. Ввиду жесткости конструкции и фиксированной толщине оптического слоя, взаимодействующего с парами объекта индикации, помимо качественной идентификации возможно количественное определение концентрации загрязняющих веществ на основе расчета концентрации по закону Бугера-Ламберта-Бера. Недостатком вышеописанного устройства, предлагаемого в качестве прототипа к полезной модели, является, как и в случае портативных газосигнализаторов, время на создание объекта индикации и последующего отдува кюветного отделения. Кроме того, устройство предназначено для лабораторного применения, является громоздким и стационарным. Кроме того, ИК фурье-спектрометр «Инфралюм ФТ-02» является лабораторным оборудованием и ввиду конструктивных особенностей (строения интерферометра типа «двойной кошачий глаз») не предназначен для эксплуатации в мобильных условиях, а также при транспортировке и работе в движении.

Технический результат, достигаемый в заявленной полезной модели, заключается в возможности мониторинга широкого (до сотни объектов индикации) перечня токсичных химических веществ, оперативном (единицы секунд) обнаружении факта наличия паровой фазы данных веществ и их массовой концентрации в месте анализа и на маршруте передвижения мобильных комплексов химического контроля.

Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в разработке высокоспецифичного оперативного химического мониторинга воздушной среды для оснащения мобильных комплексов химического контроля мобильных диагностических групп и передвижных комплексов контроля химического заражения.

Поставленная задача решается тем, что оптические элементы устройства беспробоотборного трассового мониторинга загрязненности воздушной среды токсичными химическими веществами размещается на крыше базового шасси мобильных комплексов химического контроля, превращая их в совокупности в многоходовую газовую кювету открытого типа с протяженной оптической трассой, позволяющей в режиме реального времени в открытой атмосфере проводить обнаружение, идентификацию и количественный анализ паровой фазы токсичных химических веществ, исключении процедуры предварительной юстировки, пробоподготовки и расчет протяженности оптической трассы.

Предлагаемая полезная модель поясняется фиг. 1, на которой представлена схема предлагаемого устройства беспробоотборного мониторинга загрязненности воздушной среды парами токсичными химическими веществами (УТБМ). Стрелками на фиг. 1 показан ход инфракрасного излучения от источника к фотоприемному устройству оптико-механического блока.

Устройство УТБМ состоит из следующих основных элементов:

1 - источник широкополосного инфракрасного излучения, представляющий собой штифт Нернста с фокусирующей оптикой;

2 - оптические элементы для формирования оптической трассы, представляющие собой зеркала с внешним напылением;

3 - блок приема и обработки спектральной информации, представляющий собой инфракрасный фурье-спектрометр статического типа, включающий в себя входную оптику, фотоприемное устройство, блок обработки сигнала и устройство вывода информации на внешний интерфейс;

4 - металлический каркас, используемый в качестве оптической плиты для придания жесткости конструкции с целью исключения разъюстирования оптических элементов.

Устройство УТБМ работает за счет регистрации инфракрасного спектра пропускания воздушной трассы фиксированной протяженности и анализа инфракрасного спектра пропускания с обработкой зарегистрированного сигнала Фурье-преобразованием. Учитывая фундаментальные преимущества метода инфракрасной спектроскопии (очень высокая специфичность - метод отпечатка пальцев) в сочетании с обработкой спектральной информации Фурье-преобразованием (что позволяет добиться высокого быстродействия - 1 секунда), предлагается использование на средстве подвижности (шасси мобильного комплекса химического контроля) системы химического мониторинга на основе дистанционного датчика контроля воздушной среды с замкнутой оптической трассой. Элементы оптической трассы расположены в соответствии с фигурой 1. Инфракрасное излучение от источника с фокусирующей оптикой, в качестве которого используется овальный ретрорефлектор (1), отражаясь от оптических элементов (2) попадает оптическую систему блока приема и обработки спектральной информации (3). Использование в составе блока приема и обработки спектральной информации инфракрасного фурье-спектрометра статического типа, без наличия в интерферометре подвижных элементов, позволяет использовать устройство УТБМ с учетом внешних воздействующих факторов (при движении, а также в условиях ветра, тряски, вибрации). Оптическая плита (4) используется как металлический каркас для предотвращения разъюстирования оптических элементов конструкции.

Регистрация излучения, проходящего от ИК-источника через облако токсичного химического вещества (5) позволяет провести качественную идентифицировать объект индикации по его инфракрасному спектру. Замкнутый оптический контур фиксированной протяженности позволяет проводить оценку массовых концентраций объекта индикации за счет определения интенсивности пропускания излучения на характеристических длинах волн на основании прямой зависимости оптической толщины от концентрации в соответствии с законом Бугера-Ламберта-Бера. Результат обработки спектральной информации может быть передан через устройство вывода информации на внешний интерфейс (монитор оператора мобильного комплекса химического контроля).

Технический результат использования полезной модели подтвержден результатами предварительного макетирования оптической трассы и оценкой аналитических возможностей по обнаружительной способности устройства УТБМ для ряда объектов индикации. Длина оптического пути (протяженность оптической трассы газовой кюветы открытого типа) при использовании автомобиля Ford Transit (базового шасси мобильного комплекса химического контроля МКХК) составляет величину порядка 20 м. Расширение протяженности оптической трассы (в сравнении с лабораторными спектрометрами) обеспечивает увеличение чувствительности определения и идентификации токсичных химических веществ. По результатам практического определения возможности обнаружения, идентификации и расчета концентраций ряда объектов индикации, с учетом аналитических возможностей метода инфракрасной фурье-спектроскопии, установлено, что предлагаемая к использованию устройство УТБМ может быть использовано для определения сильнодействующих ядовитых и аварийных химически опасных веществ 2-4 класса опасности (хлорокись фосфора, дихлорэтан, аммиак, дифосген, акролеин, акрилонитрил, хлорпикрин, метанол, диметиламин, метил-меркаптан, метилизоцианат, хлористый метил, ацетонитрил, окись этилена) на уровне единиц ПДК в воздухе рабочей зоны. Данная устройство может найти применение для оперативного мониторинга воздушной среды в местах скопления людей при проведении массовых политических, экономических, спортивных и развлекательных мероприятий, а также на объектов транспортной инфраструктуры, газотранспортной системы, предприятий химической и нефтехимической промышленности.

Claims (1)

1. Устройство трассового беспробоотборного мониторинга загрязненности воздушной среды парами токсичных химических веществ, состоящее из источника широкополосного инфракрасного излучения, зеркал с внешним напылением и блока приема и обработки спектральной информации, отличающееся тем, что в качестве источника инфракрасного излучения используется штифт Нернста с овальным ретрорефлектором, формирующим параллельный пучок, в состав блока приема спектральной информации входит статический фурье-спектрометр, элементы конструкции представляют собой газовую кювету открытого типа и закреплены резьбовым соединением на оптической плите с фиксированной длиной оптической трассы.

Images