RU2679455C1

RU2679455C1 - Gases in the atmosphere concentration remote measurement method

Info

Publication number: RU2679455C1
Application number: RU2017142157A
Authority: RU
Inventors: Олег Валентинович Ершов; Алексей Григорьевич Климов; Семен Михайлович Неверов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Пергам Рисерч энд Девелопмент"
Priority date: 2017-12-04
Filing date: 2017-12-04
Publication date: 2019-02-11
Also published as: CN110392825A; WO2019112459A1; EA201990359A1

Abstract

FIELD: measurement technology; gas industry.SUBSTANCE: invention relates to the field of security provision during the gas transportation and storage and concerns a method of the gases in the atmosphere concentration remote measurement. Measurements are carried out by containing the optical unit and the data processing means remote gas analyzer. Optical unit includes the laser module with diode laser, analytical and reference channels. During measurements, by changing and stabilizing the diode laser temperature, rearranging the radiation frequency in the range of up to 100 cm. In addition, changing the diode laser supply current value and performing the scanning in the range of up to 5 cm. Analytical A(t) and reference R(t) channels amplified signals are processed in real time. At that, determining the reference channel signal cross-correlation function F(z) and the autocorrelation function: G(z), using these functions values performing the analytical channel signal noise filtering, depending on the F(z) and G(z) values determining the cross correlation coefficient and determining the gas in the analytical channel concentration depending on the cross correlation coefficient, the gas concentration in the reference cell and the optical path length in the analytical and reference channels.EFFECT: technical result consists in enabling of the several gases leakage simultaneous timely detection possibility.5 cl, 6 dwg

Description

МПК: G01N 21/31IPC: G01N 21/31

Способ дистанционного измерения концентрации газов в атмосфереMethod for remote measurement of gas concentration in the atmosphere

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Техническое решение относится к области способов и систем обеспечения безопасности при транспортировке и хранении газа. Основное применение дистанционное измерение концентрации различных газов в атмосфере. Основное предназначение: детектирование метана с целью обнаружения утечек природного газа из газопроводов высокого и низкого давления и других природных и промышленных источников метана. Способ может использоваться на открытых газовых площадках газокомпрессорных станций, терминалов сжиженного газа и т.п.The technical solution relates to the field of methods and systems for ensuring safety during transportation and storage of gas. The main application is remote measurement of the concentration of various gases in the atmosphere. Main purpose: methane detection in order to detect natural gas leaks from high and low pressure gas pipelines and other natural and industrial sources of methane. The method can be used in open gas platforms of gas compressor stations, liquefied gas terminals, etc.

Уровень техники State of the art

В последние 20 лет декларируется о создании ряда приборов для обнаружения утечек газа с борта вертолета, часть приборов существует только в виде проектов. Остальные приборы не удовлетворяют потребителей по совокупности следующих параметров: точность и оперативность определения мест утечек и их интенсивности, динамический диапазон по интенсивности утечек, максимальная дальность обнаружения, отсутствие ложных результатов, независимость результатов от погодных условий, быстродействие, надежность и удобство в работе, габариты и вес, удобство при установке прибора на борт и его настройке, соотношение цена/качество. В результате компании, осуществляющие транспортировку природного газа, до сих пор не имеют необходимых дистанционных мобильных средств контроля утечек газа.In the past 20 years, it has been declared the creation of a number of devices for detecting gas leaks from the helicopter, some of the devices exist only in the form of projects. The rest of the devices do not satisfy consumers by the totality of the following parameters: accuracy and efficiency of determining leak locations and their intensities, dynamic range of leak intensities, maximum detection range, absence of false results, independence of results from weather conditions, speed, reliability and ease of use, dimensions and weight, convenience when installing the device on board and its adjustment, price / quality ratio. As a result, natural gas transportation companies still do not have the necessary remote mobile gas leak monitoring facilities.

Из уровня техники известно множество газоанализаторов, например: патент Великобритании N 2237637, кл. G 01 N 21/61, 21/31, 1991. [1]; патент США 5130544, кл. G 01 N 21/61, 1991.[2]; Applied Optics 38, 7342 – 7354 (1999).[3], в которых измерения производятся внутри оптической кюветы. При этом используются как закрытые кюветы, в которых исследуемая газовая смесь прокачивается через кювету, так и открытые – для локальных измерений концентрации газа (метана) в воздухе. Такие газоанализаторы устанавливались на различные летательные аппараты (самолеты, вертолеты, стратостаты) для измерения концентрации метана в воздухе. При этом чувствительность измерений оказывалась достаточно высокой, особенно при использовании многопроходных кювет, как за счет большой длины оптического пути, так и за счет стабильности условий измерений. Такие приборы очень эффективны при измерениях распределения концентрации различных газов (метана) на различных высотах, в разных частях Земли [3]. Были также попытки применения таких приборов для детектирования утечек природного газа из трубопроводов, так как при высокой чувствительности измерений обнаружение утечки может производиться при значительном удалении от нее (до 100 м). Однако принципиальным недостатком таких устройств являются низкая точность определения места утечки и большое количество ложных результатов, так как незначительные превышения (на 10%) фоновой концентрации метана в воздухе может быть обусловлено различными факторами, не связанными с утечкой газа из газопроводов. The prior art many gas analyzers, for example: UK patent N 2237637, CL. G 01 N 21/61, 21/31, 1991. [1]; US patent 5130544, CL G 01 N 21/61, 1991. [2]; Applied Optics 38, 7342-7354 (1999). [3], in which measurements are taken inside an optical cuvette. In this case, both closed cuvettes, in which the test gas mixture is pumped through the cuvette, and open ones for local measurements of the concentration of gas (methane) in air, are used. Such gas analyzers were installed on various aircraft (aircraft, helicopters, stratostats) to measure the concentration of methane in the air. In this case, the measurement sensitivity turned out to be quite high, especially when using multi-pass ditches, both due to the long optical path length and due to the stability of the measurement conditions. Such devices are very effective in measuring the distribution of the concentration of various gases (methane) at different heights, in different parts of the Earth [3]. There have also been attempts to use such devices to detect leaks of natural gas from pipelines, since with high sensitivity of measurements, leak detection can be carried out at a considerable distance from it (up to 100 m). However, a fundamental drawback of such devices is the low accuracy of determining the leak location and a large number of false results, since insignificant excesses (by 10%) of the background methane concentration in the air can be due to various factors not related to gas leakage from gas pipelines.

Множество различных типов приборов вертолетного или автомобильного (вездеходного) базирования непосредственно обследуют место утечки или место в непосредственной близости от утечки с некоторого расстояния (20 – 200 м). Эти приборы относятся к классу дистанционных и основаны на различных принципах действия. Они позволяют локализовать место утечки с гораздо большей точностью. К такому же типу приборов относится и представляемое устройство. Из других типов дистанционных детекторов утечек газа можно выделить четыре типа приборов, различающихся по принципу действия.Many different types of helicopter or automobile (all-terrain) -based instruments directly examine a leak site or a place in the immediate vicinity of a leak from a certain distance (20 - 200 m). These devices belong to the class of remote and are based on various principles of operation. They allow you to localize the leak with much greater accuracy. The presented device also belongs to the same type of devices. Of the other types of remote gas leak detectors, four types of devices can be distinguished, which differ in principle of operation.

В качестве дистанционного детектора утечек газа используются различные ИнфраКрасные (ИК) камеры, установленные на борт вертолета, например: RU 2115109 C16G21/61, 1994 [4]. Тепловая аэросъемка в гидрогеологии и инженерной геологии / Под ред. Г.С.Выдрицкого. Л., 1986 [5]. При этом способе детектирования получают инфракрасное изображение поверхности Земли и различных объектов вдоль трубопровода в течение полета вертолета. Принцип действия данного способа детектирования основан на том, что при истечении газа из трубы (или другой емкости) с более высоким давлением в атмосферу через относительно небольшое отверстие, скорость потока газа оказывается достаточно высокой, что приводит к дроссельному эффекту и некоторая область пространства в окрестности утечки охлаждается. При расположении трубопровода на поверхности Земли утечка газа приведет к охлаждению некоторого участка трубы, а при подземном расположении – к охлаждению участка земли в окрестности утечки. Величина разности температур ΔT при дроссельном эффекте пропорциональна разности давлений ΔP в трубе и в окружающей среде:

ΔT = K*ΔP, где K – константа, равная для метана 0,33 град/атм [6]. При давлении в магистральных газопроводах более 50 атм, максимальное охлаждение может достигать 20 град. Это приводит к уменьшению интенсивности теплового излучения охлажденных участков, что и может быть зарегистрировано ИК камерой. Однако величина охлаждения участков трубы или почвы в окрестности утечки существенно зависит также и от условий теплообмена. В частности, при наружном расположении утечки металл – материал трубы обладает достаточно высокой теплопроводностью, что приводит к «размыванию» места охлаждения на большое расстояние, в результате чего регистрируемый градиент температуры существенно уменьшается. При подземном же расположении утечки охлаждению подвергается значительный объем почвы, и охлаждение поверхностного слоя почвы значительно уменьшается. Приток энергии, уменьшающий градиент температуры, происходит не только за счет теплопроводности трубопровода и почвы, но и за счет конвекционных потоков и ветра в приземном слое атмосферы. В результате максимальный регистрируемый градиент температуры в окрестности утечки оказывается ~ 10 град, а при незначительных утечках – менее 1 град. Чувствительность современных ИК камер менее 0,1 град, и, казалось бы, утечка газа легко может быть зарегистрирована. Однако при регистрации утечки ИК камерой существует множество внешних факторов, существенно уменьшающих точность и достоверность результатов. Во-первых, растительность (трава, кустарник, деревья), которые в первую очередь попадают в поле зрения ИК камеры, охлаждаются значительно меньше, чем почва. Во-вторых, получаемый результат по величине охлаждения существенно зависит от погодных условий (ветер, влажность, температура земли и воздуха) и от типа почвы. В-третьих, ИК изображение участка Земли зависит не только от теплового излучения данного участка, но и от рассеянного солнечного излучения, которое существенно различается в освещенных и затененных местах. Это приводит к значительному числу ложных результатов, а при увеличении порога срабатывания – к уменьшению чувствительности регистрации утечек.Various InfraRed (IR) cameras mounted on board the helicopter are used as a remote gas leak detector, for example: RU 2115109 C16G21 / 61, 1994 [4]. Thermal aerial photography in hydrogeology and engineering geology / Ed. G.S. Vydritsky. L., 1986 [5]. With this detection method, an infrared image of the Earth’s surface and various objects along the pipeline is obtained during the flight of the helicopter. The principle of operation of this detection method is based on the fact that when a gas flows out of a pipe (or other container) with a higher pressure into the atmosphere through a relatively small hole, the gas flow rate is quite high, which leads to a throttle effect and a certain region of space in the vicinity of the leak cools down. When the pipeline is located on the Earth’s surface, a gas leak will lead to cooling of a certain section of the pipe, and if underground, it will lead to cooling of the land in the vicinity of the leak. The value of the temperature difference ΔT with the throttle effect is proportional to the pressure difference ΔP in the pipe and in the environment:

ΔT = K * ΔP, where K is a constant equal to 0.33 deg / atm for methane [6]. With a pressure in the main gas pipelines of more than 50 atm, the maximum cooling can reach 20 degrees. This leads to a decrease in the intensity of thermal radiation of the cooled areas, which can be detected by an IR camera. However, the amount of cooling of the pipe or soil sections in the vicinity of the leak also substantially depends on the heat transfer conditions. In particular, when the external location of the metal-pipe leakage has a sufficiently high thermal conductivity, which leads to a “erosion” of the cooling place over a large distance, as a result of which the recorded temperature gradient decreases significantly. With the underground location of the leak, a significant amount of soil is cooled, and the cooling of the surface soil layer is significantly reduced. The influx of energy, reducing the temperature gradient, occurs not only due to the thermal conductivity of the pipeline and soil, but also due to convection flows and wind in the surface layer of the atmosphere. As a result, the maximum recorded temperature gradient in the vicinity of the leak is ~ 10 deg, and for minor leaks - less than 1 deg. The sensitivity of modern IR cameras is less than 0.1 deg, and, it would seem, a gas leak can easily be detected. However, when registering a leak with an IR camera, there are many external factors that significantly reduce the accuracy and reliability of the results. Firstly, the vegetation (grass, shrubs, trees), which primarily fall into the field of view of the IR camera, is cooled much less than the soil. Secondly, the result obtained in terms of cooling substantially depends on weather conditions (wind, humidity, temperature of the earth and air) and on the type of soil. Thirdly, the infrared image of a portion of the Earth depends not only on the thermal radiation of a given portion, but also on the scattered solar radiation, which differs significantly in illuminated and shaded places. This leads to a significant number of false results, and with an increase in the response threshold, to a decrease in the sensitivity of leak detection.

Наблюдение окрестности трубопровода при помощи ИК камер относится к пассивному способу регистрации утечек. Гораздо эффективнее активные дистанционные способы регистрации, при которых, поверхность Земли зондируется различными источниками света и исследуется получаемый отклик. В качестве таких источников используются различные лазеры, излучение которых напрямую взаимодействует с молекулами газа (метана) и получаемый отклик зависит от концентрации газа. Observation of the vicinity of the pipeline using IR cameras is a passive method for recording leaks. Active remote sensing methods are much more effective, in which the Earth's surface is probed by various light sources and the resulting response is investigated. Various lasers are used as such sources, the radiation of which directly interacts with gas (methane) molecules and the response obtained depends on the gas concentration.

Наибольшую достоверность регистрации утечек дают газоанализаторы, работающие по методу комбинационного рассеяния. Они включают в себя лазер, систему вывода лазерного излучения, приемный оптический тракт, фотоприемник, систему обработки и записи данных : Лидарные комплексы: современное состояние и перспективы. Оптика атмосферы. 1988, т.1, N 18, с. 3 – 12.[7]; RU 2036372 C1 6 F17D 5/02, 1992. [8]; RU 2022251 C1 5 G01 N 21/61, 1991 [9].The greatest reliability of leak detection is given by gas analyzers operating by the Raman scattering method. They include a laser, a laser radiation output system, a receiving optical path, a photodetector, a data processing and recording system: Lidar complexes: current status and prospects. Optics of the atmosphere. 1988, vol. 1, N 18, p. 3 - 12. [7]; RU 2036372 C1 6 F17D 5/02, 1992. [8]; RU 2022251 C1 5 G01 N 21/61, 1991 [9].

Принцип действия данных приборов основан на том, что лазерное излучение, взаимодействуя с молекулой, возбуждает ее электронную подсистему, которая в процессе релаксации излучает на собственных колебательных частотах. Это излучение называется вынужденным комбинационным рассеянием и регистрируется приемной системой прибора. The principle of operation of these devices is based on the fact that laser radiation, interacting with a molecule, excites its electronic subsystem, which in the process of relaxation emits at natural vibrational frequencies. This radiation is called stimulated Raman scattering and is recorded by the receiving system of the device.

Как правило, приемная система включает в себя спектрометр, дающий возможность регистрировать только вынужденное излучение метана. Таким образом, по интенсивности зарегистрированного излучения осуществляется прямое измерение количества молекул на оптическом пути от прибора до поверхности Земли. Существенное достоинство данного метода заключается в том, что никакие внешние условия измерений не влияют на получаемые результаты. Но такой тип прибора также имеет недостатки, существенно ограничивающие его применение. Во-первых, для комбинационного рассеяния света необходимы мощные коротковолновые (меньше 1 мкм) лазеры с мощностью до 3 кВт/см² [8]. Это требует достаточно громоздкой аппаратуры с высоким уровнем электропотребления, излучение такого лазера очень опасно для глаз. Такие лазеры, как правило, функционируют в импульсном режиме с относительно малой частотой повторения импульсов, что ограничивает быстродействие прибора. Во-вторых, сечение комбинационного рассеяния относительно невелико и составляет для метана ~10^-29 см² (для сравнения - сечение поглощения света метаном в ближнем ИК диапазоне в центре линий поглощения ~10^-20 см², а в среднем ИК – 10^-18 – 10^-19 см²). В результате интенсивность комбинационного рассеяния относительно невелика, и даже при использовании громоздкой приемной системы чувствительность таких приборов относительно невелика. As a rule, the receiving system includes a spectrometer, which makes it possible to register only stimulated emission of methane. Thus, by the intensity of the detected radiation, a direct measurement is made of the number of molecules on the optical path from the instrument to the Earth's surface. A significant advantage of this method is that no external measurement conditions affect the results. But this type of device also has drawbacks that significantly limit its use. Firstly, Raman scattering of light requires powerful short-wavelength (less than 1 μm) lasers with a power of up to 3 kW / cm ² [8]. This requires rather bulky equipment with a high level of power consumption, the radiation of such a laser is very dangerous for the eyes. Such lasers, as a rule, operate in a pulsed mode with a relatively low pulse repetition rate, which limits the speed of the device. Secondly, the Raman scattering cross section is relatively small and amounts to ~ 10 ^-29 cm ² for methane (for comparison, the cross-section of light absorption by methane in the near IR range in the center of the absorption lines is ~ 10 ^-20 cm ² , and on average, IR is 10 ^-18 - 10 ^-19 cm ² ). As a result, the intensity of the Raman scattering is relatively small, and even when using a bulky receiving system, the sensitivity of such devices is relatively small.

Лазерные газоанализаторы, использующие абсорбционные свойства газов, обладают большей чувствительностью и быстродействием. Существуют ряд таких приборов вертолетного базирования для детектирования утечек газа, в которых излучение лазера направляется на участок земли вблизи газопровода, рассеянное излучение принимается, и по анализу получаемого с фотоприемника сигнала вычисляется средняя концентрация метана на оптическом пути от вертолета до земли.Laser gas analyzers using the absorption properties of gases have greater sensitivity and speed. There are a number of such helicopter-based devices for detecting gas leaks, in which laser radiation is directed to a piece of land near the gas pipeline, scattered radiation is received, and the average methane concentration on the optical path from the helicopter to the ground is calculated by analyzing the signal received from the photodetector.

Для детектирования метана традиционно используются гелий-неоновые лазеры, длина волны излучения которых 3,3922 мкм совпадает с центром одной из достаточно сильных линий P7 поглощения метана: лазерные абсорбционные методы анализа микроконцентрации газов. – М.: Энергоиздат, 1984.[10]; RU 2017138 C1 5 G01 N 21/61, 21/39, 1990.[11]; RU 2029287 C1 6 G01 [12]. Однако излучение лазера только на одной длине волны недостаточно для получения достоверных результатов особенно в полевых условиях, так как ослабление излучения лазера может быть вызвано не только поглощением метана, а также многими другими факторами, прежде всего изменением коэффициента отражения света от разных топографических объектов в течение полета вертолета. Более эффективен дифференциальный метод, в котором используется два гелий-неоновых лазера, излучающих на длинах волн 3,3922 мкм и 3,3912 мкм [11, 12], причем поглощение метана на второй длине волны в 20 раз меньше, чем на первой. Оптическая схема вывода излучения в этих приборах сделана таким образом, что оба лазера освещают участок поверхности Земли поочередно с минимальной задержкой по времени. При обработке принятого сигнала вычисляется разность амплитуд сигнала в промежутки времени, соответствующие излучению различных лазеров. Эта разность пропорциональна средней концентрации метана на длине оптического пути. Разница коэффициентов поглощения для двух длин волн, вызванная фоновой концентрацией метана в воздухе на длине оптического пути 100 м, составляет 15%. Такая разность сигналов достаточно легко детектируется, и чувствительность и точность измерений, казалось бы, должны быть достаточно высоки. Однако чувствительность и точность измерений ограничиваются другими факторами. Прежде всего, излучение лазеров в сторону поверхности Земли разнесены по времени, а коэффициент отражения света типичными топографическими объектами (песок, глина, трава, листва, снег) варьируется в пределах 15%. Поэтому для получения достаточной чувствительности и точности измерений необходимо уменьшать промежуток времени между излучениями различных лазеров до 1 мсек и ниже, что усложняет оптическую систему вывода излучения. Другой способ – расфокусировка выходного лазерного пучка для усреднения коэффициента отражения по большей площади, но при этом снижается точность определения места утечки. Другой фактор ограничения точности измерений – несинхронные вариации мощностей излучения лазеров (дрейф и шум). Наиболее существенным недостатком таких приборов является крайне низкий динамический диапазон детектируемых концентраций. Превышение средней концентрации метана над фоновой всего в 10 раз приводит к уменьшению принимаемого сигнала на длине волны до нуля, и дифференциальный метод перестает работать. Для того чтобы обойти эту проблему в [12] предлагается измерять поглощение только на длине волны 3,3912 мкм в случае зануления сигнала на длине волны 3,3922 мкм. Однако в этом случае получается недифференциальный метод измерений с указанными выше недостатками. В [11] предлагается при насыщении поглощения на длине волны 3,3922 мкм делать повторные измерения в данном месте утечки после перестройки излучения одного из лазеров на другую длину волны с гораздо меньшим коэффициентом поглощения метаном. Это снижает оперативность измерений и усложняет конструкцию прибора. При этом динамический диапазон измеряемых концентраций увеличивается всего в 10 – 50 раз, а как было справедливо замечено в [13], он должен быть не менее 10⁵. Следует также заметить, что общим недостатком приборов на гелий-неоновых лазерах являются ненадежность и ограниченный срок службы газовых лазеров в полевых условиях. Helium-neon lasers are traditionally used to detect methane, the emission wavelength of 3.3922 μm coincides with the center of one of the fairly strong methane absorption lines P7: laser absorption methods for analyzing gas microconcentrations. - M.: Energoizdat, 1984. [10]; RU 2017138 C1 5 G01 N 21/61, 21/39, 1990. [11]; RU 2029287 C1 6 G01 [12]. However, laser radiation at only one wavelength is not enough to obtain reliable results, especially in the field, since the attenuation of the laser radiation can be caused not only by methane absorption, but also by many other factors, primarily a change in the light reflection coefficient from different topographic objects during the flight helicopter. The differential method is more efficient, in which two helium-neon lasers are used, emitting at wavelengths 3.3922 μm and 3.3912 μm [11, 12], and methane absorption at the second wavelength is 20 times less than at the first. The optical radiation output circuit in these devices is designed in such a way that both lasers illuminate a portion of the Earth’s surface in turn with a minimum time delay. When processing the received signal, the difference in signal amplitudes is calculated at time intervals corresponding to the radiation of various lasers. This difference is proportional to the average methane concentration along the optical path. The difference in the absorption coefficients for the two wavelengths caused by the background concentration of methane in air at an optical path length of 100 m is 15%. Such a signal difference is easily detected, and the sensitivity and accuracy of the measurements, it would seem, should be quite high. However, the sensitivity and accuracy of measurements are limited by other factors. First of all, the laser radiation towards the Earth’s surface is separated in time, and the light reflection coefficient of typical topographic objects (sand, clay, grass, foliage, snow) varies within 15%. Therefore, in order to obtain sufficient sensitivity and accuracy of measurements, it is necessary to reduce the time interval between the emissions of various lasers to 1 ms and lower, which complicates the optical radiation output system. Another way is to defocus the output laser beam to average the reflection coefficient over a larger area, but the accuracy of determining the leakage location is reduced. Another factor limiting the accuracy of measurements is non-synchronous variations in the laser radiation powers (drift and noise). The most significant drawback of such devices is the extremely low dynamic range of detected concentrations. The excess of the average concentration of methane over the background by only 10 times leads to a decrease in the received signal at a wavelength to zero, and the differential method ceases to work. In order to circumvent this problem, it was proposed in [12] to measure absorption only at a wavelength of 3.3912 μm in the case of a signal vanishing at a wavelength of 3.3922 μm. However, in this case, a non-differential measurement method with the above disadvantages is obtained. In [11], when absorption was saturated at a wavelength of 3.3922 μm, it was proposed to make repeated measurements at a given leak point after the radiation of one of the lasers was tuned to a different wavelength with a much lower methane absorption coefficient. This reduces the efficiency of measurements and complicates the design of the device. Moreover, the dynamic range of measured concentrations increases by only 10–50 times, and, as was rightly noted in [13], it should be at least 10 ⁵ . It should also be noted that the common disadvantage of helium-neon laser devices is the unreliability and limited life of gas lasers in the field.

Из уровня техники также известны газоанализаторы: RU 2086959 C1 6 G01 N 21/39, 21/61, 1995.[13]; RU 2091759 C1 6 G01 N 21/39, 1995.[14]. В данных газоанализаторах предлагается другой тип лазерного газоанализатора, в котором используется импульсно-периодический твердотельный Nd:YAG лазер, излучающий на длине волны 1,06 мкм.Gas analyzers are also known from the prior art: RU 2086959 C1 6 G01 N 21/39, 21/61, 1995. [13]; RU 2091759 C1 6 G01 N 21/39, 1995. [14]. In these gas analyzers, another type of laser gas analyzer is proposed which uses a pulsed-periodic solid-state Nd: YAG laser emitting at a wavelength of 1.06 μm.

Далее при помощи нелинейного кристалла LiNbO₃ длина волны излучения перестраивается в диапазон 3,1 – 3,6 мкм, где метан имеет множество сильных и слабых линий поглощения. Конкретное значение длины волны задается углом поворота нелинейного кристалла, осуществляемого при помощи электромеханического блока, и блоком селекции длин волн. Из-за относительно малого коэффициента нелинейного преобразования, для получения выходной мощности излучения, приемлемой для детектирования утечек метана, необходим мощный Nd:YAG лазер накачки. Поэтому лазер накачки является достаточно сложным техническим устройством, включающим в себя мощный блок питания, блок охлаждения, блок управления затвором внутри резонатора лазера для обеспечения режима генерации гигантских импульсов. Для формирования дифференциального режима детектирования метана в приборе используется два лазера накачки и два блока нелинейного преобразователя длины волны, настраиваемых независимо на разные длины волн из диапазона 3,1 мкм – 3,6 мкм. Блок вывода излучения и блок временной задержки обеспечивают поочередное облучение поверхности Земли в окрестности трубопровода излучением на двух длинах волн. Далее, как и в газоанализаторах на гелий-неоновых лазерах, рассеянное излучение попадает в приемную систему прибора, и поглощение метана вычисляется из разности получаемых сигналов для двух разных длин волн. По сравнению с детекторами метана на гелий-неоновых лазерах данный прибор [14] имеет значительное преимущество в том, что две длины волны излучения могут быть выбраны любыми из диапазона 3,1 – 3,6 мкм при помощи электромеханического блока перестройки длины волны и специального блока калибровки. Таким образом, существенно увеличивается динамический диапазон измеряемых концентраций, который достигает необходимой величины 5*10⁵ (от уровня фоновой концентрации метана до взрывоопасной). Кроме того, возникает возможность детектирования не только метана, но и других углеводородов (этан, пропан, бутан), которые имеют линии поглощения в диапазоне перестройки частоты. Это позволяет детектировать не только утечки из газопроводов с природным газом, но также и утечки из других продуктопроводов, в частности ШФЛУ (широких фракций легких углеводородов). Кроме того, прибор оборудован специальной системой пространственного сканирования для зондирования относительно широкой полосы поверхности Земли в течение полета вертолета. Также прибор дополнительно укомплектован ИК камерой для независимого детектирования утечек газа. Следует заметить, что целесообразность дополнительного использования ИК камеры для количественного анализа достаточно сомнительна, так как лазерный газоанализатор должен обеспечивать гораздо лучшие параметры детектирования. Данное техническое решение [14] наиболее близко к заявляемому лазерному газоанализатору.Then, using a non-linear LiNbO ₃ crystal, the radiation wavelength is tuned to the range 3.1 - 3.6 μm, where methane has many strong and weak absorption lines. The specific value of the wavelength is set by the angle of rotation of the nonlinear crystal, carried out using an electromechanical unit, and a block for selecting wavelengths. Due to the relatively low coefficient of nonlinear conversion, a powerful Nd: YAG pump laser is needed to obtain an output radiation power acceptable for detecting methane leaks. Therefore, the pump laser is a rather complicated technical device, which includes a powerful power supply unit, a cooling unit, a shutter control unit inside the laser cavity to ensure the generation of giant pulses. To form a differential methane detection mode, the device uses two pump lasers and two blocks of a nonlinear wavelength converter, which are tuned independently for different wavelengths from the range of 3.1 μm to 3.6 μm. The radiation output unit and the time delay unit provide alternate irradiation of the Earth's surface in the vicinity of the pipeline with radiation at two wavelengths. Further, as in gas analyzers using helium-neon lasers, scattered radiation enters the receiving system of the device, and methane absorption is calculated from the difference of the received signals for two different wavelengths. Compared to helium-neon laser methane detectors, this device [14] has a significant advantage in that two radiation wavelengths can be chosen from any range of 3.1 - 3.6 μm using an electromechanical wavelength tuning unit and a special unit calibration. Thus, the dynamic range of the measured concentrations significantly increases, which reaches the necessary value of 5 * 10 ⁵ (from the background concentration of methane to explosive). In addition, it becomes possible to detect not only methane, but also other hydrocarbons (ethane, propane, butane), which have absorption lines in the frequency tuning range. This allows you to detect not only leaks from gas pipelines with natural gas, but also leaks from other product pipelines, in particular NGL (broad fractions of light hydrocarbons). In addition, the device is equipped with a special spatial scanning system for sensing a relatively wide strip of the Earth's surface during a helicopter flight. Also, the device is additionally equipped with an IR camera for independent detection of gas leaks. It should be noted that the appropriateness of the additional use of an IR camera for quantitative analysis is rather doubtful, since a laser gas analyzer should provide much better detection parameters. This technical solution [14] is the closest to the claimed laser gas analyzer.

Из уровня техники известен Дистанционный детектор утечек метана (RMLD)The prior art Remote Methane Leak Detector (RMLD)

Назначение: С помощью дистанционного детектора утечек метана (RMLD), представляющего собой (они лет 20 не меняли дизайн) техническое решение компании Heath Consultants, возможно обнаружение утечек метана на расстоянии. Прибор RMLD – первый прибор нового поколения, разработанный для обнаружения утечек метана, который позволяет значительно повысить результативность и безопасность инспектирования. Используя прибор RMLD, становится возможным проводить работы даже в труднодоступных и труднопроходимых местах. Принцип работы лазерного детектора RMLD основан на лазерной технологии, представляющей собой оптический метод абсорбционной спектроскопии перенастраиваемого диодного лазера (см. ниже раздел 7). При прохождении лазерным лучом струи газа, метан поглощает часть энергии излучения, что незамедлительно улавливается прибором RMLD. Данная технология позволяет обнаруживать утечки дистанционно по линии визирования, не делая необходимой процедуру помещения прибора в место утечки.Purpose: Using a remote methane leak detector (RMLD), which (they have not changed their design for 20 years) is a Heath Consultants technical solution, it is possible to detect methane leaks at a distance. The RMLD is the first new generation instrument designed to detect methane leaks, which can significantly increase the effectiveness and safety of inspection. Using the RMLD, it becomes possible to carry out work even in hard-to-reach and difficult places. The principle of operation of the RMLD laser detector is based on laser technology, which is an optical method for absorption spectroscopy of a tunable diode laser (see section 7 below). When a laser beam passes a gas jet, methane absorbs part of the radiation energy, which is immediately captured by the RMLD device. This technology allows you to detect leaks remotely through the line of sight, without making the necessary procedure for placing the device in the leak.

Также из уровня техники известен лазерный детектор LaserMethane mini. Лазерный детектор LaserMethane mini (LMm), портативный переносной прибор, предназначен для дистанционного детектирования метана, а также других газовых смесей, содержащих метан (природный газ или подобные газы). Он позволяет быстро детектировать утечки газов или накопившиеся объемы газов путем наведения лазерного луча на интересующую область. Характеристики LMm значительно улучшены по сравнению с предыдущей моделью – теперь прибор имеет искробезопасное исполнение, небольшие размеры, меньшую потребляемую мощность, обеспечивающую более длительное время работы, и расширенный диапазон рабочих температур. Принцип измерения основан на свойстве метана поглощать инфракрасное излучение лазера на определенной длине волны. Лазерный луч, направленный на объекты контроля (например, газовые трубы, потолок и т.п.), частично отражается. Устройство принимает этот отраженный поток излучения и измеряет степень его поглощения, которая затем пересчитывается в приборе в плотность метана в зондируемом слое газа (ppm-м; ppm – parts per million "число частей на миллион"). Also known in the prior art is a LaserMethane mini detector. Laser Detector LaserMethane mini (LMm), a portable handheld device, is designed for the remote detection of methane, as well as other gas mixtures containing methane (natural gas or similar gases). It allows you to quickly detect gas leaks or accumulated volumes of gases by pointing a laser beam at a region of interest. The LMm characteristics are significantly improved compared to the previous model - now the device has an intrinsically safe design, small dimensions, lower power consumption, providing a longer operating time, and an expanded operating temperature range. The measurement principle is based on the property of methane to absorb infrared laser radiation at a specific wavelength. A laser beam aimed at objects of control (for example, gas pipes, ceiling, etc.) is partially reflected. The device receives this reflected radiation flux and measures the degree of its absorption, which is then converted in the device to the methane density in the probed gas layer (ppm; ppm - parts per million "parts per million").

Из уровня техники также известен инфракрасный детектор с открытым оптическим трактом Searchline Excel (Honeywell International Inc.). Датчики Searchline предназначены для обнаружения наличия углеводородного облака и предотвращения образования взрывоопасных концентраций в открытом пространстве между излучателем и приемником инфракрасного излучения. Аналоговый выходной сигнал, пропорциональный фактической концентрации углеводородов в объеме воздуха между излучателем и приемником, измеряется в единицах: НПВ х м, указывающих уровень потенциальной опасности. Система управления может далее отключать опасный объект, форсировать работу системы вентиляции и т.д. Области применения: нефтехимия и химия, водоподготовка и водоочистка, производство полупроводников и т.д. The openline optical path detector Searchline Excel (Honeywell International Inc.) is also known in the art. Searchline sensors are designed to detect the presence of a hydrocarbon cloud and prevent the formation of explosive concentrations in the open space between the emitter and the infrared receiver. The analog output signal, proportional to the actual concentration of hydrocarbons in the air volume between the emitter and the receiver, is measured in units: LEL x m, indicating the level of potential danger. The control system can further turn off a dangerous object, force the operation of the ventilation system, etc. Fields of application: petrochemistry and chemistry, water treatment and water treatment, semiconductor manufacturing, etc.

Наиболее близким аналогом заявленного технического решения является дистанционный датчик и способ для обнаружения метана (RU 137373, G01J, опубл. 10.02.2014). Дистанционный датчик метана, содержащий лазерный диод, излучающий свет на длине волны, соответствующей полосе поглощения метана, оптический детектор, принимающий и измеряющий часть лазерного излучения обратно отраженного от удаленной мишени и прошедшего через облако детектируемого газа; плату обработки сигнала, соединенную с оптическим детектором, процессорный модуль, соединенный с платой обработки сигнала, отличающийся тем, что дополнительно содержит передающий объектив с системой зеркал, соединенный с оптоволоконным делителем, который соединен с лазерным диодом с помощью оптического волокна, приемный объектив, собирающий сигнал обратно отраженный от удаленной мишени и прошедший через облако детектируемого газа, и фокусирующий сигнал на приемную площадку оптического детектора, многопроходную ячейку, пропускающую другую часть лазерного излучения, отделенную посредством оптоволоконного делителя и введенную коллиматором в многопроходную ячейку, и далее принимаемую вторым оптическим детектором, при этом коллиматор и второй оптический детектор установлены на противоположных сторонах многопроходной ячейки, а насос установлен на выходе многопроходной ячейки, одновременно покачивающий через нее за счет создаваемого разряжения детектируемый газ, поступающий из пробоотборника, расположенного на входе многопроходной ячейки.The closest analogue of the claimed technical solution is a remote sensor and a method for detecting methane (RU 137373, G01J, publ. 02/10/2014). A remote methane sensor containing a laser diode emitting light at a wavelength corresponding to the methane absorption band, an optical detector that receives and measures a portion of the laser radiation back-reflected from a remote target and transmitted through a cloud of detected gas; a signal processing board connected to an optical detector, a processor module connected to a signal processing board, characterized in that it further comprises a transmitting lens with a mirror system connected to a fiber optic divider that is connected to the laser diode using an optical fiber, a receiving lens collecting signal reflected back from a distant target and passed through a cloud of detected gas, and a focusing signal to the receiving platform of the optical detector, a multi-pass cell the other part of the laser radiation, separated by a fiber optic divider and introduced by the collimator into the multipass cell, and then received by the second optical detector, the collimator and the second optical detector are mounted on opposite sides of the multipass cell, and the pump is installed at the output of the multipass cell, simultaneously swinging through it for due to the created vacuum, detectable gas coming from a sampler located at the inlet of a multi-pass cell.

Также близким аналогом заявленного технического решения является мобильное устройство и способ для дистанционного обнаружения скоплений газообразного метана. (RU 2333473, G01N21/31, опубл. 27.05.2007). Сущность: заключается в том, что мобильное устройство для дистанционного обнаружения скоплений газообразного метана содержит передающее устройство, снабженное источником света для генерирования света, длина волны которого согласована со спектральной сигнатурой метана, и выполненное с возможностью направления генерируемого света в зону измерения, детекторное устройство для детектирования отраженного света и устройство обработки сигналов, при этом источник света излучает свет с длиной волны, на которой метан поглощает, причем эта длина волны находится в интервале от 3200 до 3300 нм, а в состав источника света включен оптический параметрический генератор, возбуждаемый инжекцией сигнала и связанный с лазером накачки. Технический результат: обеспечение высокой чувствительности измерений. Also a close analogue of the claimed technical solution is a mobile device and method for remote detection of accumulations of gaseous methane. (RU 2333473, G01N21 / 31, published on 05.27.2007). SUBSTANCE: mobile device for remote detection of methane gas accumulations contains a transmitting device equipped with a light source for generating light, the wavelength of which is consistent with the methane spectral signature, and configured to direct the generated light into the measurement zone, a detection device for detecting reflected light and a signal processing device, wherein the light source emits light with a wavelength at which methane absorbs, and this length the wavelength is in the range from 3200 to 3300 nm, and the optical parametric generator, excited by the injection of the signal and connected to the pump laser, is included in the light source. Effect: providing high sensitivity measurements.

Из уровня техники известен газоанализатор дистанционного измерения концентрации метана на основе диодного лазера ближнего ИК диапазона и выносного оптоволоконного датчика. (Ахмедов Э.Р., Понуровский Я.Я. «Газоанализатор дистанционного измерения концентрации метана на основе диодного лазера ближнего ИК диапазона и выносного оптоволоконного датчика», Вестник МГТУ МИРЭА 2015 № 2 (7) 6 Москва, Россия.) Газоанализатор предназначен для детектирования метана методом абсорбционной спектроскопии с использованием диодного лазера ближнего ИК диапазона и выносного датчика-однопроходной оптической кюветы длины 50 мм с волоконным входом и выходом излучения удаленностью более 50 км. Детектор может быть использован для дистанционного измерения концентрации газообразных веществ, в том числе метана в нефтяной, газовой промышленности, в электроэнергетике и так далее. Особо значительный эффект может быть получен от его использования при добыче и транспортировке нефти и газа.The prior art gas analyzer for remote measurement of methane concentration based on a diode laser near infrared and an external fiber optic sensor. (Akhmedov ER, Ponurovsky Ya. Ya. “Gas analyzer for remote measurement of methane concentration based on the near-IR diode laser and remote fiber optic sensor”, Vestnik MGTU MIREA 2015 No. 2 (7) 6 Moscow, Russia.) The gas analyzer is designed for detection methane by absorption spectroscopy using a near-infrared diode laser and a remote sensor, a single-pass optical cuvette with a length of 50 mm with a fiber input and radiation output more than 50 km away. The detector can be used for remote measurement of the concentration of gaseous substances, including methane, in the oil and gas industry, in the electric power industry, and so on. A particularly significant effect can be obtained from its use in the extraction and transportation of oil and gas.

Сущность заявленного изобретенияThe essence of the claimed invention

Задачей, решаемой заявленным техническим решением является решения проблемы по отсутствию автоматизированных систем мониторинга для обнаружения мест утечек на открытой территории. Задачей является создание системы дистанционного мониторинга утечек метана, которая позволить своевременно отреагировать, перекрыть утечку и тем самым снизить технологические потери природного газа, и предупредить.The problem solved by the claimed technical solution is to solve the problem of the lack of automated monitoring systems for detecting leaks in open areas. The task is to create a system for remote monitoring of methane leaks, which will allow to respond in a timely manner, block the leak and thereby reduce technological losses of natural gas, and prevent.

Технический результат заявленного технического решения заключается в своевременном обнаружении утечек метана.The technical result of the claimed technical solution is the timely detection of methane leaks.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что cпособ дистанционного измерения концентрации газов в атмосфере, в котором: в режиме реального времени осуществляют автоматическое измерение и сбор данных концентрации газов в атмосфере посредством дистанционного газоанализатора, установленного на летательном аппарате, при этом дистанционный газоанализатор содержит: оптический блок, и средства обработки данных, при этом оптический блок включает лазерный модуль, аналитический канал, объектив (2), зеркало (5) аналитического канала, оптический фильтр (10), фотоприёмник (6) аналитического сигнала и реперный канал, в котором часть излучения лазера (1) проходит через кювету (8) с детектируемым газом и фокусируется на фотоприемнике (9) реперного канала, а часть излучения, рассеянного объектом, попадает на параболическое зеркало (5) и фокусируется на фотоприемник (6), проходя через оптический фильтр (10); дистанционный газоанализатор автоматизирован при помощи средства обработки данных, соединенных с компонентами оптического блока дистанционного газоанализатора посредством многофункциональной цифровой платы, включающей в себя аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и двух цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) и аналогового интерфейсного модуля, при этом диодным лазером управляют посредством цифро-аналогового преобразователя на многофункциональной цифровой плате оптически сопряженном через блок вывода излучения, их входа АЦП подают усиленные сигналы с фотоприемников аналитического A(t) и реперного R(t) каналов, при этом упомянутые сигналы обрабатывают в режиме реального времени для вычисления средней концентрации выбранного газа на трассе от прибора до поверхности Земли, при этом обработка упомянутых сигналов включает этапы на которых: определяют кросскорреляционную функцию F(z) = ∫ A(t)*R(t+z)dt;определяют автокорреляционную функцию сигнала реперного канала: G(z) = ∫ R(t)*R(t+z)dt; осуществляют фильтрации шума упомянутого сигнала в аналитическом канале используя значения данных функций, определяют коэффициент кросскорреляции в зависимости от значений F(z) и G(z) и определяют концентрацию газа в аналитическом канале в зависимости от коэффициента кросскорреляции, C₀ – концентрация газа в реперной кювете, L, L₀ – длины оптического пути в аналитическом и реперном каналах соответственно; затем производят одновременное детектирование по различным линиям поглощения с обеспечением широкого динамического диапазона измеряемых концентраций газа в приземном слое атмосферы, при этом определяют величину утечки газа вдоль длины оптического пути от прибора до топографического объекта при учете скорости и направления ветра, при этом результаты измерений выводят на экран монитора в режиме реального времени в течение полета летательного аппарата и одновременно записывают в память компьютера для послеполетной обработки.The claimed technical result is achieved due to the fact that the method of remote measurement of gas concentration in the atmosphere, in which: in real time, they automatically measure and collect data on the concentration of gases in the atmosphere using a remote gas analyzer mounted on an aircraft, while the remote gas analyzer contains: optical unit, and data processing means, while the optical unit includes a laser module, an analytical channel, a lens (2), a mirror (5) of the analytical channel, an optical filter (10), a photodetector (6) of the analytical signal and a reference channel in which part of the laser radiation (1) passes through a cell (8) with a detected gas and focuses on the photodetector (9) of the reference channel, and a part of the radiation scattered object, falls on a parabolic mirror (5) and focuses on a photodetector (6), passing through an optical filter (10); the remote gas analyzer is automated using data processing tools connected to the components of the optical unit of the remote gas analyzer using a multifunctional digital board, including an analog-to-digital converter (ADC) and two digital-to-analog converters (DAC) and an analog interface module, while the diode laser is controlled by means of a digital-to-analog converter on a multifunctional digital board optically coupled through a radiation output unit, their ADC input under amplified signals from the photodetectors of the analytical A (t) and reference R (t) channels are received, and these signals are processed in real time to calculate the average concentration of the selected gas along the path from the instrument to the Earth’s surface, while processing the said signals includes the steps of : determine the cross-correlation function F (z) = ∫ A (t) * R (t + z) dt; determine the autocorrelation function of the signal of the reference channel: G (z) = (R (t) * R (t + z) dt; filtering the noise of the signal in the analytical channel using the values of these functions, determine the cross-correlation coefficient depending on the values of F (z) and G (z) and determine the gas concentration in the analytical channel depending on the cross-correlation coefficient, C ₀ - gas concentration in the reference cell , L, L ₀ are the optical path lengths in the analytical and reference channels, respectively; then, simultaneous detection is carried out on various absorption lines with a wide dynamic range of the measured gas concentrations in the surface layer of the atmosphere, and the gas leakage along the optical path from the instrument to the topographic object is determined taking into account the speed and direction of the wind, and the measurement results are displayed monitor in real time during the flight of the aircraft and simultaneously recorded in the computer memory for post-flight processing.

В частном случае реализации заявленного технического решения используют лазерный модуль, основанный на перестраиваемом диодном лазере ближнего инфракрасного диапазона, излучающего в окрестности длины волны 1,65 мкм, функционирующим в импульсном режиме с малой скважностью со сканированием длины волны излучения в течение каждого импульса. In the particular case of the implementation of the claimed technical solution, a laser module is used, based on a tunable diode laser of the near infrared range, emitting in the vicinity of a wavelength of 1.65 μm, operating in a pulsed mode with a low duty cycle with a scan of the radiation wavelength for each pulse.

В частном случае реализации заявленного технического решения частоту излучения диодного лазера перестраивают в диапазоне до 100 см^-1 по волновому числу, при этом изменяют и стабилизируют температуру диодного лазера.In the particular case of the implementation of the claimed technical solution, the radiation frequency of the diode laser is tuned in the range up to 100 cm ⁻¹ according to the wave number, and the temperature of the diode laser is changed and stabilized.

В частном случае реализации заявленного технического решения изменяют величину питающего тока диодного лазера и осуществляют сканирование в пределах до 5 см^-1.In the particular case of the implementation of the claimed technical solution, the magnitude of the supply current of the diode laser is changed and scanning is performed within 5 cm ^-1 .

В частном случае реализации заявленного технического решения детектирование метана производят каждые 1,33 мсек.In the particular case of the implementation of the claimed technical solution, methane is detected every 1.33 ms.

В частном случае реализации заявленного технического решения детектируют газы, имеющие линии поглощения в диапазоне температурной перестройки длины волны излучения диодного лазера In the particular case of the implementation of the claimed technical solution, gases are detected having absorption lines in the range of temperature adjustment of the radiation wavelength of the diode laser

В частном случае реализации заявленного технического решения газы, имеющие близкорасположенные линии поглощения в пределах токового сканирования длины волны излучения, детектируются одновременно, в частности, это возможно для таких газов, как метан и этан. In the particular case of the implementation of the claimed technical solution, gases having nearby absorption lines within the current scan of the radiation wavelength are detected simultaneously, in particular, this is possible for gases such as methane and ethane.

В частном случае реализации заявленного технического решения измеряют пространственное распределение детектируемого газа в окрестности места утечки, при этом измеряют текущие координаты при помощи прибора спутниковой системы глобального позиционирования GPS и обрабатывают данные GPS в программе управления, вычисляют траекторию полета вертолета с синхронной регистрацией концентрации детектируемого газа.In the particular case of the implementation of the claimed technical solution, the spatial distribution of the detected gas in the vicinity of the leak is measured, while the current coordinates are measured using the GPS satellite global positioning system device and the GPS data is processed in the control program, the helicopter flight path with synchronous registration of the detected gas concentration is calculated.

В частном случае реализации заявленного технического решения перенастраивают прибор на детектирование других газов, имеющих линии поглощения в ближнем ИК диапазоне, таких как пропан, аммиак, окислы азота, окислы углерода, летучие кислоты, кислород, вода, при этом заменяют диодный лазер на аналогичный по конструкции, но излучающий на другой длине волны, и заменяют программные параметров управления излучением лазера.In the particular case of the implementation of the claimed technical solution, the device is reconfigured to detect other gases having absorption lines in the near infrared range, such as propane, ammonia, nitrogen oxides, carbon oxides, volatile acids, oxygen, water, while replacing the diode laser with a similar one in design but emitting at a different wavelength, and replace the software parameters for controlling laser radiation.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Детали, признаки, а также преимущества настоящего технического решения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного изобретения с использованием чертежей, на которых показано:Details, features, and advantages of this technical solution follow from the following description of embodiments of the claimed invention using the drawings, which show:

Фиг. 1 – схематический сборочный чертеж оптической части дистанционного газоанализатора;FIG. 1 is a schematic assembly drawing of an optical part of a remote gas analyzer;

Фиг.2 – оптическая схема измерений на дистанционном газоанализаторе;Figure 2 - optical measurement scheme on a remote gas analyzer;

Фиг.3 – форма последовательности импульсов тока, управляющих излучением диодного лазера;Figure 3 - shape of a sequence of current pulses controlling the radiation of a diode laser;

Фиг.4 – спектр поглощения метана в окрестности длины волны 1,65 мкм.Figure 4 - absorption spectrum of methane in the vicinity of a wavelength of 1.65 μm.

Фиг.5 – спектр поглощения метана в линейном (а) и в логарифмическом (б) масштабе в окрестности линии R5 (1,65095 мкм), измеренный при следующих условиях: концентрация метана – фоновая в атмосфере, длина оптического пути – 100 м.Figure 5 - absorption spectrum of methane on a linear (a) and logarithmic (b) scale in the vicinity of the R5 line (1.65095 μm), measured under the following conditions: methane concentration - background in the atmosphere, optical path length - 100 m.

Фиг.6 – блок-схема электроники дистанционного газоанализатора.6 is a block diagram of the electronics of a remote gas analyzer.

На фигурах цифрами обозначены следующие позиции:In the figures, the numbers indicate the following positions:

1 – диодный лазер; 2 – объектив; 3 – светоотделитель; 4 – топографический объект; 5 – параболическое зеркало; 6 – фотоприемник аналитического канала; 7 – линза; 8 – кювета с детектируемым газом; 9 – фотоприемник реперного канала; 10 – оптический фильтр; 11 – мультиплексор; 12 – программируемый усилитель; 13 – дизер; 14 – буферная память; 15 – компьютерная шина; 16 – программа управления; 17 – источник тока лазера; 18 – источник тока термоэлектрического элемента; 19 – преобразователь сопротивления термистора; 20 – прибор GPS; 21 – последовательный порт компьютера.1 - diode laser; 2 - lens; 3 - light separator; 4 - topographic object; 5 - parabolic mirror; 6 - photodetector of the analytical channel; 7 - lens; 8 - a cuvette with detectable gas; 9 - photodetector reference channel; 10 - optical filter; 11 - multiplexer; 12 - programmable amplifier; 13 - diesel; 14 - buffer memory; 15 - computer bus; 16 - management program; 17 - laser current source; 18 - current source of thermoelectric element; 19 - resistance converter thermistor; 20 - GPS device; 21 - serial port of the computer.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Заявленный способ дистанционного измерения концентрации газов в атмосфере реализован посредством устройства дистанционного измерения концентрации газов, основанного на ДЛ (диодном лазере) ближнего ИК (инфракрасного диапазона) диапазона, излучающего в окрестности длины волны 1,65 мкм, По сравнению со многими другими типами лазеров, в том числе и по сравнению с лазером известного технического решения [14] ДЛ имеют значительные преимущества по совокупности свойств. The claimed method for remote measurement of gas concentration in the atmosphere is implemented by means of a remote gas concentration measurement device based on the near-infrared (DL) diode laser emitting in the vicinity of a wavelength of 1.65 μm. Compared to many other types of lasers, including compared with a laser of the known technical solution [14], DLs have significant advantages in terms of the combination of properties.

Во-первых, частота излучения ДЛ легко перестраивается в достаточно широком диапазоне (до 100 см^-1 по волновому числу) при помощи изменения и стабилизации температуры ДЛ и также может быстро сканироваться в пределах до 5 см^-1 при помощи изменения питающего его тока. Таким образом, операции выбора длины волны излучения и ее сканирования обеспечиваются в заявляемом газоанализаторе гораздо более простым и экономичным способом, чем в известном техническом решении [14]. Firstly, the radiation frequency of the DL is easily tuned in a fairly wide range (up to 100 cm ^-1 in wave number) by changing and stabilizing the temperature of the DL and can also be quickly scanned within 5 cm ^-1 by changing the current supplying it. Thus, the operations of selecting the wavelength of the radiation and its scanning are provided in the inventive gas analyzer in a much simpler and more economical way than in the known technical solution [14].

Во-вторых, ДЛ миниатюрны по своим размерам, что немаловажно при создании компактных газоанализаторов. Secondly, DL are miniature in size, which is important when creating compact gas analyzers.

В-третьих, многие типы ДЛ выпускаются массовым тиражом в стандартном корпусе, и число этих типов непрерывно увеличивается, это позволяет создавать универсальные газоанализаторы со сменными лазерными блоками на различные молекулярные объекты. Thirdly, many types of DL are mass-produced in a standard package, and the number of these types is constantly increasing, this allows the creation of universal gas analyzers with replaceable laser units for various molecular objects.

В-четвертых, энергопотребление ДЛ относительно мало: для стабилизации температуры ДЛ требуется не более 2 Вт мощности, а из-за высокого КПД преобразования (30 – 80%) само излучение лазера добавляет относительно малую долю энергопотребления. Fourth, the energy consumption of the DL is relatively small: to stabilize the temperature of the DL, no more than 2 W of power is required, and because of the high conversion efficiency (30 - 80%), the laser radiation itself adds a relatively small fraction of the energy consumption.

В качестве источника излучения в приборе используют Диодный Лазер (ДЛ), излучающий на длине волны вблизи 1,65 мкм, где метан имеет ряд относительно сильных (с сечением 10^-20 см²) и множество слабых линий поглощения. A diode laser (DL) emitting at a wavelength near 1.65 μm, where methane has a number of relatively strong (with a cross section of 10 ^-20 cm ² ) and many weak absorption lines, is used as a radiation source in the device.

Излучение диодного лазера (1) коллимируется объективом (2) и направляется на какой-либо топографический объект (4), расположенный на достаточно большом расстоянии, таким образом, чтобы оптическая ось приемного канала была направлена в сторону объекта, в окрестности которого предполагается проводить измерения.The radiation from the diode laser (1) is collimated by the lens (2) and directed to some topographic object (4) located at a sufficiently large distance so that the optical axis of the receiving channel is directed toward the object in the vicinity of which it is supposed to take measurements.

Диодный лазер (в дальнейшем ДЛ) излучает в импульсном режиме с длительностью импульсов 300 мксек на длине волны 1,65 мкм. Излучение лазера отражается топографическим объектом (земля, трава, лес, и т.д.), попадает на приемное зеркало и фокусируется на фотоприемник (ФП).A diode laser (hereinafter DL) emits in a pulsed mode with a pulse duration of 300 μs at a wavelength of 1.65 μm. Laser radiation is reflected by a topographic object (earth, grass, forest, etc.), hits a receiving mirror and focuses on a photodetector (FP).

Дистанционный газоанализатор состоит из оптического блока и компонентов электроники прибора. Оптический блок газоанализатора содержит лазерный модуль, объектив, зеркало аналитического канала, оптический фильтр, фотоприёмник аналитического сигнала и реперный канал. При этом в качестве источника излучения в детекторе используется диодный лазер, работающий в ближнем инфракрасном диапазоне со средней длиной волны 1,65 мкм, которая может изменяться в зависимости от температуры лазера и величины тока накачки. Лазерный модуль выполнен в корпусе стандарта TO-8, в котором ДЛ установлен на термоэлектрическом элементе, позволяющем изменять температуру лазера в диапазоне от -10⁰С до + 60⁰С. Максимальная мощность излучения лазера: 15 мВт. Оптический модуль прибора содержит объектив с максимальным пропусканием в ближней инфракрасной области спектра. При помощи данного объектива в детекторе формируется почти параллельный (слабо расходящийся) лазерный луч, имеющий диаметр 5 см на расстоянии 50 м. The remote gas analyzer consists of an optical unit and components of the device’s electronics. The optical unit of the gas analyzer contains a laser module, a lens, a mirror of the analytical channel, an optical filter, a photodetector of the analytical signal and a reference channel. In this case, a diode laser operating in the near infrared range with an average wavelength of 1.65 μm, which can vary depending on the laser temperature and the pump current, is used as a radiation source in the detector. The laser module is made in a TO-8 standard housing, in which the DL is mounted on a thermoelectric element that allows you to change the laser temperature in the range from -10 ⁰ С to + 60 ⁰ С. Maximum laser radiation power: 15 mW. The optical module of the device contains a lens with maximum transmission in the near infrared region of the spectrum. Using this lens, an almost parallel (slightly diverging) laser beam with a diameter of 5 cm at a distance of 50 m is formed in the detector.

Для фокусирования рассеянного лазерного излучения в приборе используется специальное короткофокусное параболическое зеркало аналитического канала, которое по сравнению со сферическим зеркалом, имеющим аналогичные параметры, вносит существенно меньше аберрационных искажений. To focus the scattered laser radiation in the device, a special short-focus parabolic mirror of the analytical channel is used, which, in comparison with a spherical mirror having similar parameters, introduces significantly less aberration distortions.

В качестве фотоприемника аналитического канала в аналитическом канале используется фотодиод на основе InGaAs в корпусе типа ТО-5 с диаметром фоточувствительной области 2 мм.An InGaAs-based photodiode in a TO-5 type case with a diameter of the photosensitive region of 2 mm is used as a photodetector of the analytical channel in the analytical channel.

Для уменьшения влияния солнечной засветки, непосредственно перед фотоприемником аналитического канала установлен оптический фильтр, который позволяет уменьшать интенсивность солнечной засветки в 90 раз. Пропускание этого фильтра на рабочей длине волны составляет 90%.To reduce the effect of solar illumination, an optical filter is installed directly in front of the photodetector of the analytical channel, which allows reducing the intensity of solar illumination by 90 times. The transmission of this filter at a working wavelength is 90%.

Реперный канал содержит кювету, заполненную смесью метана (25%) и азота (75%) при атмосферном давлении и линзу, в фокусе которой расположен фотодиод InGaAs с диаметром фоточувствительной области 1 мм.The reference channel contains a cell filled with a mixture of methane (25%) and nitrogen (75%) at atmospheric pressure and a lens with an InGaAs photodiode with a photosensitive region 1 mm in diameter.

Оптический блок детектора также включает в себя реперный канал, в котором часть излучения лазера проходит через кювету с метаном и фокусируется на другом фотоприемнике. Часть излучения, рассеянного объектом (4), попадает на параболическое зеркало (5) и фокусируется на фотоприемник (6), проходя через оптический фильтр (10). Эти элементы образуют аналитический канал измерений. В реперный канал отводится часть (~10%) излучения диодного лазера при помощи светоделителя (3). Реперный канал включает в себя линзу (7), кювету (8) с метаном и фотоприемник (9). The optical unit of the detector also includes a reference channel, in which part of the laser radiation passes through a methane cuvette and is focused on another photodetector. Part of the radiation scattered by the object (4) falls on a parabolic mirror (5) and focuses on the photodetector (6), passing through the optical filter (10). These elements form an analytical measurement channel. A part (~ 10%) of the diode laser radiation is diverted to the reference channel using a beam splitter (3). The reference channel includes a lens (7), a cuvette (8) with methane, and a photodetector (9).

Применение дополнительного реперного оптического канала, включающего в себя кювету с детектируемым газом, и режим быстрого сканирования длины волны излучения лазера позволяет применить такой способ подавления шумов при обработке данных, как фильтр кросскорреляционной функции сигналов основного и реперного каналов, что способствовало значительному увеличению чувствительности измерений.The use of an additional reference optical channel, which includes a cuvette with a detected gas, and a fast scanning mode of the laser radiation wavelength, allows applying such a method of noise suppression in data processing as the cross-correlation filter of the signals of the main and reference channels, which contributed to a significant increase in the measurement sensitivity.

Несмотря на то, что поглощение метана в средней ИК области спектра (3,1 – 3,6 мкм) примерно в 100 раз больше, чем в ближней ИК области около 1,65 мкм, в заявляемом устройстве используются ДЛ ближнего ИК диапазона. Для этого существует несколько причин. Прежде всего, чувствительность и уровень шумов используемых в заявляемом устройстве фотоприемников (типа InGaAs) в 100 раз лучше по сравнению с лучшими фотоприемниками из диапазона 3 – 4 мкм. Используемая в заявляемом устройстве приемная система обеспечивает уровень шумов 2 пВт (при усреднении за 0,5 сек). Это дает возможность производить измерения при меньшем уровне мощности излучения лазера. В устройстве используется ДЛ мощностью 15 мВт, при этом мощность излучения, попадающая на приемник в аналитическом канале, составляет примерно 15 нВт при коэффициенте рассеяния света около 0,25 (для песка, земли, травы, листвы) и при расстоянии до топографического объекта 50 м. Таким образом, минимальное измеряемое значение поглощения составляет 1,3*10^-4. Despite the fact that the absorption of methane in the middle IR region of the spectrum (3.1 - 3.6 μm) is about 100 times greater than in the near IR region of about 1.65 μm, the inventive device uses DL near-infrared range. There are several reasons for this. First of all, the sensitivity and noise level of the photodetectors (type InGaAs) used in the inventive device are 100 times better compared to the best photodetectors from the range of 3-4 microns. Used in the inventive device, the receiving system provides a noise level of 2 pW (with averaging over 0.5 seconds). This makes it possible to make measurements at a lower laser radiation power level. The device uses a 15 mW DL, while the radiation power reaching the receiver in the analytical channel is about 15 nW with a light scattering coefficient of about 0.25 (for sand, earth, grass, foliage) and at a distance of 50 m from the topographic object Thus, the minimum measured absorption value is 1.3 * 10 ^-4 .

К достоинствам ДЛ ближнего ИК диапазона следует также отнести то, что они могут излучать как в непрерывном режиме, так и в импульсном вплоть до частот 10 МГц; это открывает широкие возможности по использованию различных режимов излучения. Также, для полевых измерений важно, что ИК диапазон 1 – 2 мкм является наиболее безопасным для глаз человека, в отличие от более коротковолновых лазеров и лазеров среднего ИК диапазона, используемых в известном техническом решении и в других лазерных газоанализаторах. The advantages of DL near-infrared range should also include the fact that they can emit both in continuous mode and in pulsed mode up to frequencies of 10 MHz; this opens up wide possibilities for using various radiation modes. Also, for field measurements it is important that the IR range of 1 - 2 μm is the safest for the human eye, in contrast to the shorter-wave lasers and mid-IR lasers used in the known technical solution and in other laser gas analyzers.

Применение перестраиваемого диодного лазера в качестве источника зондирующего излучения и используемая методика измерений позволяет проводить одновременное детектирование таких газов как метан и этан, а также перенастраивать прибор на детектирование других газов, имеющих линии поглощения в ближнем ИК диапазоне, таких как пропан, аммиак, окислы азота, окислы углерода, летучие кислоты, кислород, вода, при помощи замены диодного лазера на аналогичный по конструкции, но излучающий на другой длине волны, и замены программных параметров управления излучением лазера The use of a tunable diode laser as a probe radiation source and the measurement technique used allow the simultaneous detection of gases such as methane and ethane, as well as reconfiguring the device to detect other gases with absorption lines in the near infrared range, such as propane, ammonia, nitrogen oxides, carbon oxides, volatile acids, oxygen, water, by replacing the diode laser with a similar one in design, but emitting at a different wavelength, and replacing the program parameters of the control detecting the laser radiation

В представляемом устройстве ДЛ установлен на термоэлектрическом нагревателе/охладителе, который позволяет изменять температуру лазера в диапазоне -10 + 60 ⁰С, что приводит к изменению длины волны излучения лазера в диапазоне 1,642 – 1,656 мкм. Для детектирования метана может быть выбрана, например, линия R5, центр которой находится на 1,65095 мкм. Для стабилизации температуры ДЛ используется термистор, находящийся в тепловом контакте с корпусом лазера. ДЛ в представляемом устройстве излучает в импульсном режиме с длительностью импульсов 1 мсек с промежутком между импульсами 0,33 мсек. In the present device, the DL is mounted on a thermoelectric heater / cooler, which allows you to change the laser temperature in the range of -10 + 60 ⁰ C, which leads to a change in the laser radiation wavelength in the range of 1.642 - 1.656 μm. For methane detection, for example, the R5 line can be selected, the center of which is at 1.65095 μm. To stabilize the temperature of the DL, a thermistor in thermal contact with the laser housing is used. DL in the present device emits in a pulsed mode with a pulse duration of 1 ms with an interval between pulses of 0.33 ms.

Импульсы тока, питающие лазер, изображены на Фиг. 3, они имеют трапециевидную форму. Это дает возможность осуществить сканирование частоты излучения ДЛ, например, в окрестности линии метана R5 в диапазоне около 5 см^-1 (по волновому числу). The current pulses supplying the laser are shown in FIG. 3, they have a trapezoidal shape. This makes it possible to scan the radiation frequency of the DL, for example, in the vicinity of the methane line R5 in the range of about 5 cm ^-1 (by wave number).

Спектр поглощения метана в диапазоне в окрестности длины волны 1,65 мкм показан на Фиг. 4, а детальный спектр в окрестности линии R5 – на Фиг. 5. Из рисунка видно, что кроме линии R5 в данном диапазоне находится множество слабых линий поглощения метана. Это дает возможность производить измерения одновременно не только по линии R5 (при относительно малых концентрациях метана), но также по слабым линиям метана при достаточно больших концентрациях, когда поглощение на линии R5 насыщается. The methane absorption spectrum in the range of 1.65 μm is shown in FIG. 4, and a detailed spectrum in the vicinity of line R5 is shown in FIG. 5. It can be seen from the figure that, in addition to the R5 line, in this range there are many weak methane absorption lines. This makes it possible to measure simultaneously not only along the R5 line (at relatively low methane concentrations), but also on weak methane lines at sufficiently high concentrations, when the absorption on the R5 line is saturated.

Фоновая концентрация метана в атмосфере (1,6*10^-4%) приводит к поглощению 7*10^-3 в центре линии R5 на длине оптического пути 100 м (см. Фиг.5). В результате фоновая концентрация метана на высоте 50 м может быть измерена с отношением сигнал/шум 50 (при усреднении результатов за 0,5 сек). Максимальная концентрация метана в облаке утечки газа, которая может быть измерена по линии R5, составляет 0,04%. Более высокие значения концентраций (до 4%) измеряются одновременно при помощи слабой линии метана на длине волны 1,6501 мкм. Таким образом, динамический диапазон измеряемых концентраций составляет 10⁶ (при относительно медленных измерениях с усреднением за 0,5 сек) и 10⁵ (при быстрых измерениях за 50 мсек).The background concentration of methane in the atmosphere (1.6 * 10 ^-4 %) leads to the absorption of 7 * 10 ^-3 in the center of the R5 line along the optical path length of 100 m (see Figure 5). As a result, the background concentration of methane at a height of 50 m can be measured with a signal-to-noise ratio of 50 (by averaging the results over 0.5 sec). The maximum concentration of methane in the cloud of gas leakage, which can be measured along the R5 line, is 0.04%. Higher concentrations (up to 4%) are measured simultaneously using a weak methane line at a wavelength of 1.6501 μm. Thus, the dynamic range of the measured concentrations is 10 ⁶ (for relatively slow measurements with averaging over 0.5 sec) and 10 ⁵ (for fast measurements for 50 ms).

Необходимый динамический диапазон (от фоновой до взрывоопасной концентрации) достигается в представляемом устройстве без дополнительной настройки параметров излучателя, тогда как в известном техническом решении [14] необходимо перенастраивать частоту излучателя, что существенно снижает оперативность измерений. The necessary dynamic range (from background to explosive concentration) is achieved in the presented device without additional adjustment of the emitter parameters, while in the well-known technical solution [14] it is necessary to reconfigure the emitter frequency, which significantly reduces the measurement efficiency.

Описанный способ измерения позволяет помимо метана детектировать и другие летучие углеводороды, имеющие линии поглощения в диапазоне температурной перестройки длины волны излучения диодного лазера. При этом ряд газов, имеющих близкорасположенные линии поглощения в пределах токового сканирования длины волны излучения, могут детектироваться одновременно, в частности, это возможно для таких газов, как метан и этан. Хотя в известном техническом решении [14] возможно детектирование других летучих углеводородов помимо метана, но отсутствует возможность их одновременного детектирования.The described measurement method allows in addition to methane to detect other volatile hydrocarbons having absorption lines in the range of temperature adjustment of the radiation wavelength of the diode laser. Moreover, a number of gases having nearby absorption lines within the current scan of the radiation wavelength can be detected simultaneously, in particular, this is possible for gases such as methane and ethane. Although it is possible to detect other volatile hydrocarbons in addition to methane in a known technical solution [14], there is no possibility of their simultaneous detection.

Детектирование метана может производиться каждые 1,33 мсек и по быстродействию заявляемое устройство существенно превосходит как известное техническое решение, так и другие известные дистанционные газоанализаторы. В реальных полевых измерениях такое быстродействие избыточно, поэтому в данном приборе производится усреднение и данные обрабатываются через 40 мсек и 0,5 сек (два режима усреднения – одновременно).Detection of methane can be performed every 1.33 ms and the speed of the claimed device significantly exceeds both the known technical solution and other known remote gas analyzers. In real field measurements, such a performance is excessive, therefore, in this device, averaging is performed and the data is processed after 40 ms and 0.5 sec (two averaging modes are simultaneously).

Электрическая блок-схема устройства представлена на Фиг. 6.The electrical block diagram of the device is shown in FIG. 6.

Прибор автоматизирован при помощи компьютера типа Note-book, который соединен с компонентами оптического блока (лазером и двумя фотоприемниками) посредством многофункциональной цифровой платы (включающей в себя набор аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и двух цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) и аналогового интерфейсного модуля. Управление прибором производится при помощи компьютерной программы, созданной в среде LabView. The device is automated using a Note-book computer, which is connected to the components of the optical unit (a laser and two photodetectors) by means of a multifunctional digital board (including a set of analog-to-digital converters (ADCs) and two digital-to-analog converters (DACs) and an analog interface The device is controlled using a computer program created in the LabView environment.

Один ЦАП управляют током через лазер, другой - током через термоэлектрический элемент согласно описанной процедуре. Для преобразования управляющих напряжений с выхода обоих ЦАП в источники тока в составе интерфейсного аналогового модуля используются преобразователи-усилители (см. Фиг. 6). One DAC controls the current through the laser, the other controls the current through the thermoelectric element according to the described procedure. To convert control voltages from the output of both DACs to current sources, converter amplifiers are used as part of the interface analog module (see Fig. 6).

Сопротивление термистора преобразуется в напряжение, подаваемое на один из входов АЦП. На два других входа АЦП подаются усиленные сигналы с фотоприемников аналитического A(t) и реперного R(t) каналов.The resistance of the thermistor is converted to the voltage supplied to one of the inputs of the ADC. Amplified signals from photodetectors of analytical A (t) and reference R (t) channels are fed to two other ADC inputs.

Программная обработка сигналов с фотоприемников включает в себя ряд математических процедур, включая вычисление кросскорреляционной функции:Software processing of signals from photodetectors includes a number of mathematical procedures, including the calculation of cross-correlation functions:

F(z) = ∫ A(t)*R(t+z)dtF (z) = ∫ A (t) * R (t + z) dt

и автокорреляционной функции сигнала реперного канала:and autocorrelation function of the reference channel signal:

G(z) = ∫ R(t)*R(t+z)dtG (z) = ∫ R (t) * R (t + z) dt

Значения данных функций используют для фильтрации шума упомянутого сигнала в аналитическом канале, используя в качестве фильтра форму линии метана в реперном канале, что существенно увеличивает точность и чувствительность измерений. The values of these functions are used to filter the noise of the mentioned signal in the analytical channel, using the methane line shape in the reference channel as a filter, which significantly increases the accuracy and sensitivity of measurements.

Далее вычисляется коэффициент кросскорреляции:Next, the cross-correlation coefficient is calculated:

K = ∫ F(z)*G(z)dz/ ∫ G(z)*G(z)dzK = ∫ F (z) * G (z) dz / ∫ G (z) * G (z) dz

и концентрация метана в аналитическом канале вычисляется по формуле:and the methane concentration in the analytical channel is calculated by the formula:

C = K*C₀*L₀/L,C = K * C ₀ * L ₀ / L,

где C₀ – концентрация метана в реперной кювете, L, L₀ – длины оптического пути в аналитическом и реперном каналах соответственно. where C ₀ is the methane concentration in the reference cell, L, L ₀ are the optical path lengths in the analytical and reference channels, respectively.

Возможность использования кросскорреляционной функции существует в заявляемом устройстве благодаря выбранному режиму управления лазером с быстрым сканированием его длины волны излучения. The possibility of using cross-correlation function exists in the inventive device due to the selected laser control mode with a quick scan of its radiation wavelength.

В известном же техническом решении [14] и в других лазерных газоанализаторах концентрация метана вычисляется из разности сигналов на двух длинах волн и данная математическая процедура увеличения точности измерений не применима. Применяемая в устройстве процедура кросскорреляции также обеспечивает существенно более высокую (чем в известном техническом решении) селективность измерений – прибор нечувствителен к искажениям сигнала и к другим газам помимо метана. In the well-known technical solution [14] and in other laser gas analyzers, the methane concentration is calculated from the difference of signals at two wavelengths and this mathematical procedure for increasing the measurement accuracy is not applicable. The cross-correlation procedure used in the device also provides a significantly higher (than in the known technical solution) measurement selectivity - the device is insensitive to signal distortion and to other gases besides methane.

В результате обработки сигналов фотоприемников вычисляется концентрация метана вдоль длины оптического пути от прибора до топографического объекта. При утечке газа из трубопровода (или из других источников метана) образуется облако метана с неоднородным распределением концентрации метана. Характерные размеры облака и среднее значение концентрации метана в облаке зависят как от давления газа в трубе и диаметра отверстия, так и от направления и скорости ветра. As a result of processing the photodetector signals, the methane concentration is calculated along the length of the optical path from the device to the topographic object. In the event of a gas leak from the pipeline (or from other sources of methane), a methane cloud forms with a non-uniform distribution of methane concentration. The characteristic size of the cloud and the average concentration of methane in the cloud depend both on the gas pressure in the pipe and the diameter of the hole, and on the direction and speed of the wind.

При помощи прибора спутниковой системы глобального позиционирования GPS, входящего в состав газоанализатора, можно измерять текущие координаты, которые считываются через последовательный порт компьютера и обрабатываются в программе. В результате вычисляется траектория полета вертолета с синхронной регистрацией концентрации метана. Используемый дополнительно прибор спутниковой системы глобального позиционирования GPS и обработка данных GPS в программе управления прибором позволяет измерять пространственное распределение детектируемого газа в окрестности места утечки. Using the instrument of the GPS global positioning satellite system, which is part of the gas analyzer, you can measure the current coordinates, which are read through the serial port of the computer and processed in the program. As a result, the flight path of the helicopter with the synchronous registration of methane concentration is calculated. The optional GPS instrument of the GPS global positioning system and GPS data processing in the instrument control program allows measuring the spatial distribution of the detected gas in the vicinity of the leak.

При облете зарегистрированной утечки газа определяется пространственное распределение метана в окрестности места утечки, а координаты утечки газа фиксируются. Величина утечки далее вычисляется при учете скорости и направления ветра. Результаты измерений выводятся на экран монитора в режиме реального времени в течение полета вертолета и одновременно записываются в память компьютера для послеполетной обработки. Программа управления прибором и обработки данных работает в автоматическом режиме и не требует вмешательства оператора.When flying around a registered gas leak, the spatial distribution of methane in the vicinity of the leak is determined, and the coordinates of the gas leak are fixed. The leakage value is then calculated by taking into account the speed and direction of the wind. The measurement results are displayed on the monitor screen in real time during the flight of the helicopter and are simultaneously recorded in the computer memory for post-flight processing. The instrument control and data processing program works in automatic mode and does not require operator intervention.

Устройство для осуществления способа организовано в виде двух независимых частей: оптического блока, устанавливаемого на вертолете, и электроники с компьютером типа Note-book, собранной в отдельном кейсе. Габариты оптического блока – 400х400х600 мм³, вес – 25 кг; габариты кейса-электроники – 500х400х200 мм³, вес – 10 кг. Таким образом, по сравнению с известным техническим решением прибор является гораздо более компактным и удобным при транспортировке и установке в вертолете. Суммарное энергопотребление заявляемого устройства от бортовой сети вертолета составляет 100 Вт, что значительно меньше, чем в известном техническом решении и в других известных дистанционных газоанализаторах.The device for implementing the method is organized in two independent parts: an optical unit mounted on a helicopter, and electronics with a Note-book type computer assembled in a separate case. Dimensions of the optical unit - 400x400x600 mm ³ , weight - 25 kg; dimensions of the case-electronics - 500x400x400 mm ³ , weight - 10 kg. Thus, in comparison with the known technical solution, the device is much more compact and convenient for transportation and installation in a helicopter. The total energy consumption of the inventive device from the onboard network of the helicopter is 100 watts, which is significantly less than in the known technical solution and in other known remote gas analyzers.

Предлагаемое изобретение было реализовано на практике и прошло наземные испытания. Далее прибор устанавливался на вертолеты типа Ми-2 и К-26 как для проведения испытаний с демонстрационной искусственно-создаваемой утечкой, так и для реальных измерений. Результаты испытаний продемонстрировали работоспособность заявляемого устройства, как по составным частям, так и в целом. The present invention was put into practice and passed ground tests. Further, the device was installed on Mi-2 and K-26 helicopters both for testing with demonstration artificially created leakage, and for real measurements. The test results demonstrated the operability of the claimed device, both in its component parts and in general.

Детектирование метана может производиться каждые 1,33 мсек и по быстродействию заявляемое техническое решение существенно превосходит как известное техническое решение, так и другие известные дистанционные газоанализаторы. В реальных полевых измерениях такое быстродействие избыточно, поэтому в данном приборе производится усреднение и данные обрабатываются через 40 мсек и 0,5 сек (два режима усреднения – одновременно).Detection of methane can be performed every 1.33 ms and in terms of speed, the claimed technical solution significantly exceeds both the known technical solution and other known remote gas analyzers. In real field measurements, such a performance is excessive, therefore, in this device, averaging is performed and the data is processed after 40 ms and 0.5 sec (two averaging modes are simultaneously).

Claims

1. The method of remote measurement of gas concentration in the atmosphere, in which

in real time, automatic measurement and data collection of gas concentrations in the atmosphere is carried out by means of a remote gas analyzer installed on the aircraft containing an optical unit and data processing means, while the optical unit includes a laser module with a diode laser, an analytical channel, a lens, an analytical channel mirror, an optical filter, a photodetector of the analytical signal and a reference channel in which part of the laser radiation is passed through a cuvette with detectable gas and ocusit on the photodetector reference channel containing a photodiode made with a diameter of the photosensitive region of 1 mm, and part of the radiation scattered by the object is fed to a parabolic mirror and focused through an optical filter on a photodetector containing a photodiode made with a diameter of the photosensitive region of 2 mm, and the remote gas analyzer is automated by means of data processing connected to the components of the optical unit of the remote gas analyzer by means of a multifunctional digital a flat board, including an analog-to-digital converter (ADC) and two digital-to-analog converters (DACs), and an analog interface module,

change and stabilize the temperature of the diode laser, while tuning the frequency of the radiation of the diode laser in the range up to 100 cm ^-1 according to the wave number,

change the supply current of the diode laser and scan within 5 cm ^-1 ,

provide amplified signals from the photodetectors of the analytical A (t) and reference R (t) channels to the ADC inputs, and process the signals in real time, calculate the average gas concentration along the path from the instrument to the Earth’s surface, while the processing of these signals includes the steps which:

determine the cross-correlation function F (z) = ∫ A (t) * R (t + z) dt; determine the autocorrelation function of the reference channel signal: G (z) = ∫ R (t) * R (t + z) dt; filtering the noise of said signal in the analytical channel using the values of these functions,

determining the cross-correlation coefficient depending on the values of F (z) and G (z) and determining the gas concentration in the analytical channel depending on the cross-correlation coefficient, the gas concentration in the reference cell, the optical path length in the analytical and reference channels, respectively;

then, simultaneous detection is carried out along various absorption lines to ensure a wide dynamic range of the measured gas concentrations in the atmospheric surface layer, and the gas leakage along the optical path from the instrument to the topographic object is determined taking into account the speed and direction of the wind, and the measurement results are displayed on the monitor screen in real-time during the flight of the aircraft and simultaneously recorded in the computer's memory for post-flight processing.

2. The method according to p. 1, characterized in that the detection is carried out every 1.33 ms.

3. The method according to p. 1, characterized in that the simultaneous detection of gases having nearby absorption lines within the current scan of the radiation wavelength.

4. The method according to p. 1, characterized in that the spatial distribution of the detected gas in the vicinity of the leak is measured, while the current coordinates are measured using a GPS satellite global positioning system device and the GPS data is processed in the control program, the flight path of the aircraft with synchronous registration of concentration of the detected gas.

5. The method according to p. 1, characterized in that they measure the concentration in the atmosphere of the gas ethane and / or methane.