Статья ЛГАУ №2

ISSN 0032-8154. ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ. 1998. № 9

УДК 681. 785. 4: 621.378

И.А. БУБЛИЧЕНКО, инж.

Бортовой лазерный абсорбционный газоанализатор углеводородов

Сообщается о разработке высокочувствительного быстродействующего абсорбционного газоанализатора на основе He-Ne-лазера. Приводятся описание прибора, его метрологические и технические характеристики. Рассматриваются результаты его натурных испытаний и применения в экологических исследованиях атмосферы и грунтов, нефтегазовой геологоразведке и при поиске утечек газа из подземных газопроводов.

Development of«a high sensitivity on-board He-Ne laser-based hydrocarbon gas detector is reported. The device construction, its technical and metrological parameters and results of field testing are described. Fields of the device application are as follows: environmental monitoring in atmosphere and soil gases, oil and gas prospecting and underground pipe-line leakage searching.

Контроль содержания в воздухе углеводородных газов (УВГ) и прежде всего метана — одна из важных задач в газовой промышленности (поиск утечек газа), геологии (поиск нефтегазовых месторождений) и экологии (метан — второй по значению после углекислого газа парниковый газ и основной компонент биогаза [1]). Метан и другие УВГ относятся к основным загрязнителям атмосферного воздуха: при определенных условиях они могут вступать в реакции с образованием канцерогенных веществ, а под воздействием солнечного ультрафиолетового излучения участвуют в образовании фотохимического смога. Международная конвенция по климату 1992 г. обязывает страны-участницы учитывать эмиссию парниковых газов на своей территории. Однако большинство современных газоанализаторов либо имеют низкое быстродействие, как у хроматографов, либо недостаточную чувствительность для измерения фоновых концентраций, как у оптических фильтровых приборов. Задача детектирования фоновых концентраций УВГ методами лазерной спектроскопии еще не нашла достаточно простого решения, позволяющего сделать такие измерения массовыми. Известные лазерные газоанализаторы УВГ для исследований атмосферы пока сложны и в техническом, и в эксплуатационном отношении (см., например, работы [2, 3]).

На кафедре квантовой электроники МИФИ разработан лазерный бортовой абсорбционный газоанализатор УВГ (ЛГУ), представляющий собой автономный быстродействующий передвижной оптический газоанализатор непрерывного действия. Он обладает чувствительностью, позволяющей измерять вариации естественного метанового фона, виброустойчив и может использоваться в составе авиа- и автолабораторий, а также автономно в полевых условиях. Анализируется воздух, непрерывно подаваемый в кювету, но возможен и анализ отдельных проб.

Прибор работает по прямому абсорбционному методу измерения, основанному на резонансном поглощении предельными УВГ излучения одной из наиболее сильных линий генерации He-Ne-лазера — с длиной волны 3,3922 мкм (2947,91 см^-1), которая попадает в полосу поглощения УВГ и практически совпадает с центральной частотой 2947,912 см^-1 линии F₂(1)) перехода Р(7) полосы V₃ поглощение метана [4], что обеспечивает высокую чувствительность измерений. Узость ширины спектра генерации лазера (она во много раз меньше отдельных линий поглощения газов) и исключительно благоприятная спектроскопическая ситуация (линии поглощения основных составляющих атмосферы, включая углекислый газ и водяной пар, удалены от лазерной линии) обеспечивают высокую селективность. Чувствительность к различным предельным УВГ примерно одинакова [5], но метрологические характеристики нормированы для метана. Для определения концентрации углеводородов используется закон поглощения Бугера-Бера.

Разработаны две версии прибора: аналоговая и цифровая. Оба прибора выполнены по дифференциальной схеме с одним источником и двумя фотоприемниками (ФП) в виде единого оптико-электронного блока, в котором размещены фотометрическая и электронная схемы и элементы газового канала. Для отсчета показаний в аналоговом приборе используется стрелочный индикатор (микроамперметр).

Фотометрическая схема [6] смонтирована на жестком основании. Излучение лазера направляется зеркалом во входное окно многоходовой кюветы (МХК). Измерительный пучок, прошедший путь в исследуемой газовой пробе внутри МХК, поступает на измерительный ФП, опорный пучок, минуя МХК, — на опорный ФП. Число юстируемых оптических элементов сведено к минимуму. Зеркала и ФП попарно объединены в моноблоки, причем узлы крепления зеркал обеспечивают возможность регулировки их наклона.

Лазер изготовлен на базе серийного лазера ЛГИ-201 с возбуждением поперечным высокочастотным полем. Модуляция лазерного излучения осуществляется путем модуляции напряжения питания лазера. Для усреднения флуктуации мощности генерации лазера, связанных с изменением длины резонатора, применен пассивный модуляционный метод стабилизации, заключающийся в быстрой по сравнению с постоянной времени модуляции оптической длины резонатора [7].

Двухзеркальная МХК типа Эррио [8] на основе открытого оптического резонатора с внеосевым ходом пучка конструктивно представляет собой металлическую трубу, заглушенную с двух сторон зеркалами, в одном из которых выполнено отверстие для ввода и вывода излучения, закрытое окном. Для подачи и отвода пробы на корпусе кюветы имеются два штуцера. Конструкция кюветы неразборная и не предусматривает юстировки зеркал. Длина кюветы 415 мм, длина пути 12 м, внутренний объем 1,7 л. Газовый канал включает в себя пылевой фильтр на основе ткани Петрянова, соединительные шланги и МХК.

Электронная схема содержит измерительный преобразователь, задающий генератор, модуляторы длины резонатора и напряжения питания лазера и вторичные источники питания. Помехозащищенность измерительного преобразователя обеспечивается применением широкополосного усиления сигналов с ФП корректирующими усилителями [9] и последующим синхронным детектированием, а также синхронизацией работы всех элементов электронной схемы от одного задающего генератора. На выходе измерительного преобразователя формируется унифицированный сигнал напряжением постоянного тока 0…5 В, который подается на индикатор и используется для подключения внешних регистраторов.

Основные технические и метрологические характеристики ЛГУ:

Ближайшим аналогом разработанного ЛГУ является газоанализатор 323 ЛА 08, созданный Украинским НИИ аналитического приборостроения [10]. В приборе МИФИ использованы более устойчивая многоходовая кювета и оптическая схема. В результате новый прибор значительно компактнее, более чем в 2 раза легче, а дрейф нуля снижен на порядок.

Описанный ЛГУ можно разместить на любом самолете, вертолете или в автомобиле, им может быть дополнена практически любая авиа- или автолаборатория. Так, его использовали в составе авиалаборатории государственного научно-производственного предприятия «Аэрогеофизика» (Москва) на борту вертолета Ми-8МТ при экологическом обследовании атмосферы и картографировании распределений концентраций метана в Туле и Москве [11], проводившихся по заказу городских администраций. Первичные данные метановой съемки записывались на бортовом компьютере и обрабатывались по специальной программе после завершения полетов по всей площади.

Использовался ЛГУ и в ходе геологоразведочных работ в Татарстане, выполнявшихся по заказу АО «Татнефть» в целях разработки современной технологии экспрессного выявления нефтегазовых месторождений. Комплекс аппаратуры размещался на вертолете Ми-8МТ и в самолете Ан-2. На площади 5 000 км2 была проведена авиационная метановая съемка масштаба 1:50 000, и по данным измерений были построены карты изолиний концентраций метана и других геофизических параметров [12]. Интегрированный анализ полученного материала и геологического позволил выявить участки, рекомендованные для детальных геологоразведочных работ и разбуривания.

В наземных работах ЛГУ использовался в составе автолаборатории для экспрессного определения содержания УВГ в техногенных грунтах при комплексном геохимическом исследовании районов новостроек в Москве, проводимом научно-производственным государственным предприятием по геофизическим, геохимическим и геоэкологическим исследованиям «ВНИИЯГГ». Объектами исследований были территории бывшей братеевской свалки и люблинских полей фильтрации. Размещался ЛГУ в автомобиле УАЗ-452 и получал питание от аккумулятора напряжением 24 В, а также неоднократно использовался автономно при проведении шпуровой геохимической съемки.

Цифровая версия прибора, отличающаяся от аналоговой уменьшенными габаритными размерами (длина 600 мм, масса 13 кг), расширенным до 10 000 ррт (1 об. %) диапазоном измерений и наличием кроме аналогового цифрового канала последовательной передачи информации с унифицированным сигналом (интерфейс RS-232), имеет свидетельство о метрологической аттестации средств измерений. На головном предприятии Российской Федерации по лазерам и приборам на их основе — НИИ газоразрядных приборов (г. Рязань) -были проведены независимая экспертиза, лабораторные и натурные испытания разработанного газоанализатора, результаты которых подтвердили заявленные метрологические характеристики и потребительские качества прибора. Это же подтвердили успешные сравнительные испытания, проведенные в условиях городского газового хозяйства (ГГХ) «Ленгаз» (Санкт-Петербург) в составе автолаборатории «Искатель» для поиска утечек природного газа из подземных газопроводов, оборудованной серийным газоанализатором 323 ЛА 03. По просьбе ГГХ «Ленгаз» при подготовке цифрового прибора для поиска утечек газа объем МХК был уменьшен до 0,3 л.

Разработка прибора частично финансировалась по программе Министерства общего и профессионального образования РФ «Конверсия и высокие технологии. 1997-2000 гг.» и была поддержана грантом 1995 г. по фундаментальным исследованиям в области приборостроения, а часть исследований, связанных с применением газоанализатора, имела поддержку грантом 1995 г. в области фундаментальных проблем охраны окружающей среды и экологии человека и грантом 1996 г. по фундаментальным исследованиям в области архитектуры и строительных наук.

Контактные телефоны: (095) 323-93-88, 323-93-89, 324-97-55.

Список литературы:

1. Круговорот метана в экосистемах // Природа. 1995. № 6(958).
   
   
2. Anderson S. M., Zahniser M. S. Open-path tunable diode laser absorption for eddy correlation flux measurements of atmospheric trase gases // Proceedings of Society of PhotoOptical Instrumentation Engineers. 1991. Vol. 1433.
3. McManus J. B., Kebabian P. L., Kolb C. E. Aerodyne research mobile infrared methane monitor // Ibid.<
4. Dang-Nhu M., Pine A. S., Robiette A. G. Spectral intensities in the v₃ bands of ¹²СН₄ and ¹³CH₄ // Journal of Molecular Spectroscopy. 1979. Vol. 77. № 1.
5. Попов А. И., Садчихин A. В. Поглощение излучений λ = 3,3922 и 3,3912 мкм в предельных углеводородах // Журнал прикладной спектроскопии. 1991. Т. 55. № 3.
6. Пат. 2002215 РФ. Измеритель оптических потерь // Изобретения. 1993. № 39-40.
7. Козубовский В. Р., Эрдеви Н. М., Булыга А. А., Попадинец Ю. Ю. Гелий-неоновый лазер для аналитического приборостроения // Приборы и системы управления. 1983. № 12.
8. Herriott D. R., Kogelnik H., Kompfner R. Off-axis path in spherical mirrors interferometer // Applied Optics. 1964. Vol. 3. № 4.
9. Бубличенко И. А. Применение пироприемников в двухлучевых балансных фотометрах // Оптический журнал. 1991.№ 3.
10. Гейко О. Н., Тохтуев Е. Г., Пащинский В. П., Сорока И. Н. Лазерный газоанализатор 323 ЛА-08 для передвижных лабораторий // Методы и приборы газового анализа: Сб. науч. тр. Киев: ВНИИАП, 1990.
11. Сколовский С. А., Бабаянц П. А., Керцман В. М. Дистанционный экологический мониторинг крупных промышленных центров // Международная геофизическая конференция и выставка: Сб. тез. докл. М.,1997.
12. Лаубенбах Е. А., Горелов А. Г., Готтих Р. П., Бубличенко И. А. Результаты нетрадиционной комбинированной авиационной гамма-спектрометрической и углеводородной съемки при поисковых работах на нефть // Там же.