Введение.
В настоящее время резко возрос интерес к экологическим проблемам, что прежде всего связано с постоянно увеличивающимся загрязением окружающей среды.
Значительное загрязнение воздушного пространства и его сокрушительное воздействие на здоровье человека, микроклимат и растительность обусловлено также макроскопическими утечками (или, иногда выбросами) природного газа из магистральных трубопроводов и обширными пожарами, в частности, лесных пространств.
Поэтому создание оптико-электронных приборов и систем с лучшими метрологическими параметрами, позволяющих осуществлять оперативный анализ основных физико-экологических параметров и постоянный мониторинг атмосферы, а также воздушный инфракрасный экологический контроль обширных лесных пронстранств (с целью обнаружения очагов пожаров, на ранней стадии их развития) и магистральных трубопроводов природного газа, является весьма актуальной задачей.
Настоящая работа посвящена представлению результатов научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по разработке и изготовлению Универсального инфракрасного спектрорадиометра экологического назначения для исследования основных физико-экологических параметров земной атмосферы, а также воздушного мниторинга лесных пронстранств и магистральных газотрубопроводов. Обсуждаются вопросы метрологического обеспечения измерений параметров газо-аэрозольного загрязнения , источников теплового излучения, а также горячих газовых выбросов в атмосферу.
Универсалный инфракрасный спектральный радиометр “УСР-А”
С целью проведения спектральных и радиометрических исследований параметров атмосферы и тепловых объектов в области длин волн от 0.4 до 14 мкм нами был разработан и изготовлен универсальный спектральный радиометр “УСР-А”, подробное описание и принцип работы которого представлены в работах [1, с.1035, 2 , с.134].
“УСР-А” предназначен для измерения спектральной плотности энергетической яркости и радиационной температуры (или ее перепадов) точечных и протяженных источников инфракрасного излучения в лабораторных и полевых условиях, а также для дистанционного спектрального анализа горячих газовых объектов.
Конструктивно спектрорадиометр выполнен в виде двух блоков: оптико-механического (ОМБ) и блока электронного управления (БЭУ). Электрическая связь между блоками осуществляется посредством кабелей. Полный рабочий спектральный диапазон прибора покрывается с помощью трех комплектов сменных светофильтров и фотоприемников в поддиапазонах: от 0,4 до 1,1 мкм; от 2.5 до 5.5 мкм; и от 8 до 14 мкм. Оптическая схема ОМБ паказана на рис. 1.
Блок электронного управления конструктивно настольного исполнения. Все органы индикации и управления расположены на передней панели БЭУ.
Отметим некоторые преимущества разработанного нами ИК спектрорадиометра “УСР-А” по сравнению с существующими близкими аналогами (см. например [3]). Для расширения функциональных возможностей в области спектральных исследований тепловых объектов, кроме широкополосных интерференционных светофильтров для участков спектра от 0.4 до 1.1; от 2.5 до 5.5 и от 8 до 14 мкм, прибор снабжен также кольцевыми перестраиваемыми светофильтрами [4].
С целью устранения хроматических абераций в оптическую систему прибора включены две пары (см. рис.1) зеркальних проекционных объективов, в фокусах которых установлены светофильтры и приемная площадка фотоприемников.
Рис. 1. Оптическая схема ОМБ:
1-Первичное зеркало объектива; 2-вторичное зеркало объектива; 3-излучения от объекта;
4-убирающееся плоское зеркало; 5-визир; 6-модулятор; 7-опорная полость;
8-полевая диафрагма; 9,10-проекционный объектив; 11-диск с интерференционными светофильтрами; 12-чувствительная полщадка фотоприемника;
13-дьюар для жидкого азота; 14-зрительная трубка.
В конце данного раздела отметим, что после некоторой конструкторской доработки в оптической схеме спектрорадиометра “УСР-А” (добавление входного отклоняющего зеркала) в работе [5, с.1] подробно описан метод воздушного экологического контроля лесных пространств и магистралных газопроводов.
Метрологические характеристики универсального спектрорадиометра “УСР-А”
Метрологическая аттестация универсального спектрорадиометра проводилась согласно специально разработанной программе метрологической аттестации (АЕЛ2.807.007ПМА, [6, с.143]). При аттестации определены метрологические характеристики прибора, указанные в табл.1. При проведении метрологической аттестации спектрорадиометра “УСР-А” применялись необходимые измерительные приборы и средства, указанные в [6, с.143]. В этой же работе представлены условия и порядок проведения аттестации. Измерения по определению разности радиационных температур, эквивалентной шуму ∆Т э.ш., проводились на установке, схема которой приведена в [6, с.143 ].Величина разности температур эквивалентной шуму ∆Тэ.ш. определялась по формуле:
∆Тэ.ш. = 
, она оказалась равной 0.05 в пределах ±10%.
Для определения основной приведенной погрешности измерения спектрорадиометром разности радиационных температур, на установке аттестации устанавливались температуры АЧТ в интервале от 288 до 298 и с шагом в 10 К, пять раз зарегистрировались выходные сигналы прибора.
Среднее квадратическое отклонение результата измерений определялось по формуле:
Приведенная погрешность спектрорадиометра при измерении разности радиационных температур оказалaсь в пределах ±15%.
Таблица 1.
Метрологические параметры аппаратуры “УСР-А”
|
Наименование метрологических характеристик и единицы измерений |
Ном.
значения |
Допустимые отклонения |
Примечание |
| Рабочие спектральные диапазоны, мкм.
I канал II канал III канал |
0.40-1.1 2.50-5.50 7.90-13.5 |
±10% ±10% ±10% |
Обеспечиваются фильтрами |
| Поле зрения, мрад, не более
I канал II канал III канал |
3 3 3 |
±10% ±10% ±10% |
|
| Разность радиационных температур, эквивалентная шуму, ∆Т э.ш., К, не более
II канал III канал |
0.05 0.05 |
±10% ±10% |
|
| Основная приведенная погрешность измерения разности радиационных температур в диапазоне от 0.5 до 200, на уровне 293±5 0К, не более
II канал III канал |
±15% ±15% |
Методы воздушного ИК мониторинга лесных пространств и магистральных трубопроводов природного газа
Среди широкого круга актуальных экологических и экономических проблем существует одна важнейшая для нефте- и газодобывающих стран, по территориям которых проходят магистральные трубопроводы. Это проблема утечек нефти и газа, их обнаружение и устранение. Своевременное обнаружение малых утечек и их ликвидация позволяет избежать крупных аварий, которые наносят большой вред окружающей среде и приводят к колоссиальным потерям. Актуальность проблемы подтверждается также тем фактом, что для контроля европейских газопроводов крупнейшие европейские дистрибьюторы природного газа совместно с двумя европейскими космическими агентствами создали консорциум для разработки и вывода на орбиту спутника, оснащенного соответствующей аппаратурой.
Ограничиваясь далее проблемой утечек природного газа отметим также, что метан вызывает значительно более сильный парниковый эффект, чем углекислый газ, хотя и имеет много меньшую концентрацию в атмосфере. Основным искусственным источником газового загрязнения атмосферы являются утечки природного газа, который на 95% состоит из метана. Однако, проблема усугубляется и еще тем, что магистральные трубопроводы, в основном, проходят по малообжитым и труднодоступным местностям, где контроль особенно затруднен. Незаменимы также исследовательские комплексы для раннего обнаружения очагов пожаров, возникающих во время природных бедствий.
Очевидно, что разработка современных дистанционных и эффективных методов экологического контроля обширных лесных пространств, а также магистральных газопроводов более чем актуальна. В данной ситуации единственным способом является дистанционный контроль с воздушного аппарата [5, с.1] (например, с вертолета) при облете на высоте до 1000 м.
ИК Радиометр устанавливается на вертолете и с помощью отклоняющего плоского зеркала своим полем зрения (3 мрад) сканирует (через нижный люк по ходу движения вертолета) земную поверхность по магистралям газопроводов (см. рис. 2). При наличии макроскопических утечек газа в этой области пространства радиационная температура (в диапазоне длин волн от 8 до 14 мкм) значительно падает [7, с.128] что и регистрируется блоком электронного управления.
При высоте полета вертолета 200 м, полем зрения радиометра на земле охватывается поверхность с радиусом около 6 м, а при полете на высоте 15 0м-с радиусом примерно 2,5м.
Рис.2 Вертолетное ИК сканирование газотрубопроводов
Подобным же образом сканируется земная поверхность по лесным массивам (см. рис. 3).
Рис. 3 Вертолетное ИК сканирование лесных массивов
При наличии очагов пожара в этой области пространства радиационная температура (в диапазоне длин волн от 2.5 до 5.5 мкм) значительно возрастает, что и регистрируется блоком электронного управления.
При высотах полета вертолета 200, 500 и 700 м полем зрения радиометра на земле охватываются поверхности площадью около 120, 750 и 1500 кв.м-в соответственно.
При скорости вертолета 150-200 км/ч время одного цикла измерений порядка 0,1 сек.
Применение настоящего метода дистанционного экологического контроля протяженных трубопроводов природного газа, а также обширных лесных пространств несомненно приведет к значительной технико-экономической эффективности, и будет иметь большое значение в проблеме контроля загрязнения атмосферы выбросами природного газа и предотвращения возникновения пожаров, особенно крупных масштабов.
Дистанционный спектральный анализ горячих газовых промышленных выбросов в атмосферу
Газовые выбросы в атмосферу, обычно сопровождающиеся пламенем, выделяют большое количество тепловой энергии. Их инфракрасный спектральный состав можно легко измерять с помощью универсального спектрорадиометра “УСР-А” и методики, описанных [1, с.1035]. В качестве исследуемого объекта нами был выбран дым и пламя, выходящие в атмосферу из индустриальной дымовой трубы промышленного предприятия. Измерения инфракрасного спектра выбранного объекта [2, с.134] проводились с расстояния З км в летний период года, в ясную погоду при высокой прозрачности атмосферы. Во время измерений были получены около 20-и инфракрасных спектрограмм в области длин волн от 2.5 до 5.5 мкм, усредненная спектрограмма (в относительных единицах) показана на рис. 5.
Как видно из рис. 5, вследствие низкого спектрального разрешения (порядка 3%) некоторые группы молекулярных полос сливаются в одну. Несмотря на это, очевидно весьма большое значение таких исследований в области экологии атмосферы при проведении качественного дистанционного спектрального анализа различных газовых загрязнений.
На показанной на рис. 4. спектрограмме отчетливо выделяется мощная полоса поглощения атмосферного углекислого газа на длине волны 4.3 мкм.
Известн, что основными продуктами сгорания являются СО и СО2. Как видно из полученной нами спектрограммы самая, мощная эмиссионная полоса принадлежит именно этим молекулам на длине волны мкм.
Диапазон спектральных измерений от 2.5 до 5.5 мкм нами выбран не случайно. Во-первых, он является одним из “окон прозрачности” атмосферы, и во-вторых, малые атмосферные газовые примеси, такие как углеводороды, N2O, SO2 и др. имеют более или менее значительные колебательно-вращательные спектры именно в этой области. И, как видно из приведенного спектра, эмиссионные полосы некоторых групп из этих молекул четко отождествлены. Из них выделяется полоса группы углеводородов с максимумом на длине волны мкм. Это, вероятно, обусловлено тем, что в исследуемом объекте в качестве топлива применяли и природный газ.
Рис. 4. ИК спектрограмма горячего газового промышленного выброса в атмосферу
На спектрограмме отчетливо выделяются эмиссионные полосы молекул SO2 (4,2 мкм), N2O (3.9 мкм), CO (4.7 мкм), CO2 (4.8 мкм), паров (3,2 мкм) и группы углеводородов (3,5 мкм). Вследствие низкого спектрального разрешения полосы углеводородов (CH4, C2H4, C2H6, C2H8) объединены в одну, с максимумом на . Однако их интегральную интенсивность можно сравнить с интенсивностью полос (на ), что с точки зрения качественного спектрального анализа имеет большое значение в области контроля газовой загрязненности атмосферы.
При температуре пламени около 2000К эмиссионные полосы , и пары воды сливаются, и спектр становится непрерывным в области длин волн от 2 до 4 мкм. Однако, при температурах ниже 2000К эти полосы разделяются, что и наблюдается в наших экспериментах. Сравнение длины волны максимального излучения в полученных спектрах с законами излучения абсолютно черного тела показывает, что эффективная температура исследуемых промышленных газовых выбросов находится в интервале 500-600К. Относительное содержание выбрасываемых в атмосферу газов (по отношению группы ) в единицу времени оценивалось с помощью отношений интегральных интенсивностей полос отдельных газов. Расчеты показывают, что содержание выбрасываемых углеводородов в 2-3 раза превышает содержание газов , соответственно, а с другой стороны, оно в 4 раза меньше, чем содержание группы .
Общепринятый к настоящему времени метод исследований атмосферных газовых загрязнений основан на спектрометрических измерениях в лабораторных условиях отобранных проб газовых выбросов. Несмотря на сравнительно высокие спектральные разрешения таких измерений, они по оперативности уступают дистанционным спектрометрическим исследованиям, изложенным в настоящем разделе.
Полученные результаты ИК спектрометрических измерений горячих газовых выбросов в атмосферу могут обеспечивать значительную информацию о химическом составе атмосферных газовых загрязнений. Разработанная нами методика измерений и примененная аппаратура предоставляют возможность проведения оперативной (качественной) оценки содержания разных газов в горячих выбросах с помощью пассивного спектрометрирования в областях длин волн от 2.5 до 5.5 и от 8 до 14 мкм.
Заключение.
Разработанный оптико-электронный спектрометр представляет возможность проведения дистанционных исследований физико-экологических параметров атмосферы и ИК источников.
Результаты экспериментальных исследований метрологических характеристик разработанного прибора подтверждает высокую точность измерений.
Разработанный метод воздушного ИК мониторинга может широко применяться при дистанционном экологическом контроле лесных пространств и магистральных трубопроводов природного газа.
Разработанная методика измерений и соответствующая аппаратура обеспечивают проведение оперативного дистанционного спектрального анализа выбрасываемых в атмосферу горячих промышленных газовых образований.
Список литературы:
- Asatryan R.S., Epremian R. A., Gevorkyan H. G. And others. Universal Infrared Spectrial Radiometer // Intern. Journal of IR and MM Waves.-2003.-V.24, № 6-P.1035-1046.
- Asatryan R.S., Abrahamyan Yu, A., Gevorkyan H. G. And others. IR Spectral Method of Monitoring the Industrial Gas Ejections in Atmospere // Dubai Confer. on Atmospheric Pollufion: 21-24 febr. 2004- Dubai, UAE-2004.-Proceed.- P. 134-139
- Dual Channel Radiometer // Patent Internationally U. S. Pat. 3476914.-1998.
- Кольцевые перестраиваемые оптические филтры для области спектра от 1,8 до 5,6 мкм //ОСТ-5683-84.
- S.Asatryan, N.R.Khachatryan, H.S.Karayan, “On the Method of Distant Infrared Monitoring of Forest Spaces and Gas Main Pipelines, American Research Journal of Agriculture, Vol.1 Issue 2, April 2015, p.p. 1-6.
- Асатрян Р. С. Разработка и изготовление ИК спектрорадиометра “Клин” // Отчет НИОКР (заключ.) п/я- А-1376: № 4115-ДСП, Ереван, 1987, 143с.
- Шилин Б. В. и Молодчинин И. А., Контроль состояния окружающей среды тепловой аэросъемкой, Изд. “Недра”, Москва, 1992, стр. 128.[schema type=»book» name=»ИНФРАКРАСНЫЙ МОНИТОРИНГ ПРОМЫШЛЕННЫХ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ В АТМОСФЕРУ И ТЕПЛОВЫХ ИСТОЧНИКОВ НА ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ» description=»Представлены результаты научно- исследовательских и опытно-конструкторских работ по разработке комплекса оптико-электронных систем измерений физико-экологических параметров атмосферы и тепловых источников. Обсуждаются также результаты исследований метрологических характеристик разработанных приборов. Приводятся результаты исследовательских работ по разработке методов измерений параметров газо-аэрозольной составляющей в окружающей атмосфере. Обсуждаются условия метрологического обеспечения дистанционного мониторинга газо-аэрозольных загрязнений в атмосфере. Рассмотрены задачи метрологического обеспечения спектрорадиометрических измерений параметров тепловых источников.» author=»Асатрян Рубен Симонович, Караян Гамлет Суренович, Хачатрян Норайр Рубенович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-06-06″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.05.2017_05(38)» ebook=»yes» ]