–Ш–љ–ґ–µ–љ–µ—А–љ—Л–є –¶–µ–љ—В—А –Ь–Ш–§–Ш
–Ш–љ–ґ–µ–љ–µ—А–љ—Л–є –¶–µ–љ—В—А –Ь–Ш–§–Ш
–Ы–Њ–≥–Њ—В–Є–њ

—тать€ Ћ√ј” є2

–Њ —Д –Є —Ж –Є –∞ –ї —М –љ —Л –є    —Б –∞ –є —В
на уровень выше
—тать€ Ћ√ј” є1
—тать€ Ћ√ј” є2
пїњ–Ю –љ–∞—Б | пїњ–†–∞–Ј—А–∞–±–Њ—В–Ї–Є | пїњ–Я–Њ–і–і–µ—А–ґ–Ї–∞ | пїњ–Ъ–Њ–љ—В–∞–Ї—В—Л |

/пїњ–†–∞–Ј—А–∞–±–Њ—В–Ї–Є/Ћ√ј”-02/—тать€ Ћ√ј” є2


ISSN 0032-8154. ѕ–»Ѕќ–џ » —»—“≈ћџ ”ѕ–ј¬Ћ≈Ќ»я. 1998. № 9

”ƒ  681. 785. 4: 621.378

».ј. Ѕ”ЅЋ»„≈Ќ ќ, инж.

Ѕортовой лазерный абсорбционный газоанализатор углеводородов

—ообщаетс€ о разработке высокочувствительного быстродействующего абсорбционного газоанализатора на основе He-Ne-лазера. ѕривод€тс€ описание прибора, его метрологические и технические характеристики. –ассматриваютс€ результаты его натурных испытаний и применени€ в экологических исследовани€х 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.

 онтроль содержани€ в воздухе углеводородных газов (”¬√) 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]). ћетан и другие ”¬√ относ€тс€ к основным загр€знител€м атмосферного воздуха: при определенных услови€х они могут вступать в реакции с образованием канцерогенных веществ, а под воздействием солнечного ультрафиолетового излучени€ участвуют в образовании фотохимического смога. ћеждународна€ конвенци€ по климату 1992 г. об€зывает страны-участницы учитывать эмиссию парниковых газов на своей территории. ќднако большинство современных газоанализаторов либо имеют низкое быстродействие, как у хроматографов, либо недостаточную чувствительность дл€ измерени€ фоновых концентраций, как у оптических фильтровых приборов. «адача детектировани€ фоновых концентраций ”¬√ методами лазерной спектроскопии еще не нашла достаточно простого решени€, позвол€ющего сделать такие измерени€ массовыми. »звестные лазерные газоанализаторы ”¬√ дл€ исследований атмосферы пока сложны и в техническом, и в эксплуатационном отношении (см., например, работы [2, 3]).

Ќа кафедре квантовой электроники ћ»‘» разработан лазерный бортовой абсорбционный газоанализато𠔬√ (Ћ√”), представл€ющий собой автономный быстродействующий передвижной оптический газоанализатор непрерывного действи€. ќн обладает чувствительностью, позвол€ющей измер€ть вариации естественного метанового фона, виброустойчив и может использоватьс€ в составе авиа- и автолабораторий, а также автономно в полевых услови€х. јнализируетс€ воздух, непрерывно подаваемый в кювету, но возможен и анализ отдельных проб.

ѕрибор работает по пр€мому абсорбционному методу измерени€, основанному на резонансном поглощении предельными ”¬√ излучени€ одной из наиболее сильных линий генерации He-Ne-лазера — с длиной волны 3,3922 мкм (2947,91 см-1), котора€ попадает в полосу поглощени€ ”¬√ и практически совпадает с центральной частотой 2947,912 см-1 линии F2(1)) перехода –(7) полосы V3 поглощение метана [4], что обеспечивает высокую чувствительность измерений. ”зость ширины спектра генерации лазера (она во много раз меньше отдельных линий поглощени€ газов) и исключительно благопри€тна€ спектроскопическа€ ситуаци€ (линии поглощени€ основных составл€ющих атмосферы, включа€ углекислый газ и вод€ной пар, удалены от лазерной линии) обеспечивают высокую селективность. „увствительность к различным предельным ”¬√ примерно одинакова [5], но метрологические характеристики нормированы дл€ метана. ƒл€ определени€ концентрации углеводородов используетс€ закон поглощени€ Ѕугера-Ѕера.

–азработаны две версии прибора: аналогова€ и цифрова€. ќба прибора выполнены по дифференциальной схеме с одним источником и двум€ фотоприемниками (‘ѕ) в виде единого оптико-электронного блока, в котором размещены фотометрическа€ и электронна€ схемы и элементы газового канала. ƒл€ отсчета показаний в аналоговом приборе используетс€ стрелочный индикатор (микроамперметр).

‘отометрическа€ схема [6] смонтирована на жестком основании. »злучение лазера направл€етс€ зеркалом во входное окно многоходовой кюветы (ћ’ ). »змерительный пучок, прошедший путь в исследуемой газовой пробе внутри ћ’ , поступает на измерительный ‘ѕ, опорный пучок, мину€ ћ’ , — на опорный ‘ѕ. „исло юстируемых оптических элементов сведено к минимуму. «еркала и ‘ѕ попарно объединены в моноблоки, причем узлы креплени€ зеркал обеспечивают возможность регулировки их наклона.

Ћазер изготовлен на базе серийного лазера Ћ√»-201 с возбуждением поперечным высокочастотным полем. ћодул€ци€ лазерного излучени€ осуществл€етс€ путем модул€ции напр€жени€ питани€ лазера. ƒл€ усреднени€ флуктуации мощности генерации лазера, св€занных с изменением длины резонатора, применен пассивный модул€ционный метод стабилизации, заключающийс€ в быстрой по сравнению с посто€нной времени модул€ции оптической длины резонатора [7].

ƒвухзеркальна€ ћ’  типа Ёррио [8] на основе открытого оптического резонатора с внеосевым ходом пучка конструктивно представл€ет собой металлическую трубу, заглушенную с двух сторон зеркалами, в одном из которых выполнено отверстие дл€ ввода и вывода излучени€, закрытое окном. ƒл€ подачи и отвода пробы на корпусе кюветы имеютс€ два штуцера.  онструкци€ кюветы неразборна€ и не предусматривает юстировки зеркал. ƒлина кюветы 415 мм, длина пути 12 м, внутренний объем 1,7 л. √азовый канал включает в себ€ пылевой фильтр на основе ткани ѕетр€нова, соединительные шланги и ћ’ .

Ёлектронна€ схема содержит измерительный преобразователь, задающий генератор, модул€торы длины резонатора и напр€жени€ питани€ лазера и вторичные источники питани€. ѕомехозащищенность измерительного преобразовател€ обеспечиваетс€ применением широкополосного усилени€ сигналов с ‘ѕ корректирующими усилител€ми [9] и последующим синхронным детектированием, а также синхронизацией работы всех элементов электронной схемы от одного задающего генератора. Ќа выходе измерительного преобразовател€ формируетс€ унифицированный сигнал напр€жением посто€нного тока 0…5 ¬, который подаетс€ на индикатор и используетс€ дл€ подключени€ внешних регистраторов.

ќсновные технические и метрологические характеристики Ћ√”:

ƒиапазон измер€емых концентраций, ррт0,2...300
ѕорог чувствительности но метану, ррт0,2
ќтносительна€ погрешность измерений, %< 20
¬рем€ установлени€ показаний, с1
¬рем€ прогрева, мин< 5
Ќапр€жение питани€, ¬27 ± 10 %
ѕотребл€ема€ мощность, ¬т< 30
√абаритные размеры, мм800×240×140
ћасса, кг15

Ѕлижайшим аналогом разработанного Ћ√” €вл€етс€ газоанализатор 323 Ћј 08, созданный ”краинским Ќ»» аналитического приборостроени€ [10]. ¬ приборе ћ»‘» использованы более устойчива€ многоходова€ кювета и оптическа€ схема. ¬ результате новый прибор значительно компактнее, более чем в 2 раза легче, а дрейф нул€ снижен на пор€док.

ќписанный Ћ√” можно разместить на любом самолете, вертолете или в автомобиле, им может быть дополнена практически люба€ авиа- или автолаборатори€. “ак, его использовали в составе авиалаборатории государственного научно-производственного предпри€ти€ «јэрогеофизика» (ћосква) на борту вертолета ћи-8ћ“ при экологическом обследовании атмосферы и картографировании распределений концентраций метана в “уле и ћоскве [11], проводившихс€ по заказу городских администраций. ѕервичные данные метановой съемки записывались на бортовом компьютере и обрабатывались по специальной программе после завершени€ полетов по всей площади.

»спользовалс€ Ћ√” и в ходе геологоразведочных работ в “атарстане, выполн€вшихс€ по заказу јќ «“атнефть» в цел€х разработки современной технологии экспрессного вы€влени€ нефтегазовых месторождений.  омплекс аппаратуры размещалс€ на вертолете ћи-8ћ“ и в самолете јн-2. Ќа площади 5 000 км2 была проведена авиационна€ метанова€ съемка масштаба 1:50 000, и по данным измерений были построены карты изолиний концентраций метана и других геофизических параметров [12]. »нтегрированный анализ полученного материала и геологического позволил вы€вить участки, рекомендованные дл€ детальных геологоразведочных работ и разбуривани€.

¬ наземных работах Ћ√” использовалс€ в составе автолаборатории дл€ экспрессного определени€ содержани€ ”¬√ в техногенных грунтах при комплексном геохимическом исследовании районов новостроек в ћоскве, проводимом научно-производственным государственным предпри€тием по геофизическим, геохимическим и геоэкологическим исследовани€м «¬Ќ»»я√√». ќбъектами исследований были территории бывшей братеевской свалки и люблинских полей фильтрации. –азмещалс€ Ћ√” в автомобиле ”ј«-452 и получал питание от аккумул€тора напр€жением 24 ¬, а также неоднократно использовалс€ автономно при проведении шпуровой геохимической съемки.

÷ифрова€ верси€ прибора, отличающа€с€ 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. Ќа головном предпри€тии –оссийской ‘едерации по лазерам и приборам на их основе — Ќ»» газоразр€дных приборов (г. –€зань) -были проведены независима€ экспертиза, лабораторные и натурные испытани€ разработанного газоанализатора, результаты которых подтвердили за€вленные метрологические характеристики и потребительские качества прибора. Ёто же подтвердили успешные сравнительные испытани€, проведенные в услови€х городского газового хоз€йства (√√’) «Ћенгаз» (—анкт-ѕетербург) в составе автолаборатории «»скатель» дл€ поиска утечек природного газа из подземных газопроводов, оборудованной серийным газоанализатором 323 Ћј 03. ѕо просьбе √√’ «Ћенгаз» при подготовке цифрового прибора дл€ поиска утечек газа объем ћ’  был уменьшен до 0,3 л.

–азработка прибора частично финансировалась по программе ћинистерства общего и профессионального образовани€ –‘ « онверси€ и высокие технологии. 1997-2000 гг.» и была поддержана грантом 1995 г. по фундаментальным исследовани€м в области приборостроени€, а часть исследований, св€занных с применением газоанализатора, имела поддержку грантом 1995 г. в области фундаментальных проблем охраны окружающей среды и экологии человека и грантом 1996 г. по фундаментальным исследовани€м в области архитектуры и строительных наук.

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

—писок литературы:

  1.  руговорот метана в экосистемах // ѕрирода. 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 12—Ќ4 and 13CH4 // Journal of Molecular Spectroscopy. 1979. Vol. 77. № 1.
  5. ѕопов ј. »., —адчихин A. ¬. ѕоглощение излучений λ = 3,3922 и 3,3912 мкм в предельных углеводородах // ∆урнал прикладной спектроскопии. 1991. “. 55. № 3.
  6. ѕат. 2002215 –‘. »змеритель оптических потерь // »зобретени€. 1993. № 39-40.
  7.  озубовский ¬. –., Ёрдеви Ќ. ћ., Ѕулыга ј. ј., ѕопадинец ё. ё. √елий-неоновый лазер дл€ аналитического приборостроени€ // ѕриборы и системы управлени€. 1983. № 12.
  8. Herriott D. R., Kogelnik H., Kompfner R. Off-axis path in spherical mirrors interferometer // Applied Optics. 1964. Vol. 3. № 4.
  9. Ѕубличенко ». ј. ѕрименение пироприемников в двухлучевых балансных фотометрах // ќптический журнал. 1991.№ 3.
  10. √ейко ќ. Ќ., “охтуев ≈. √., ѕащинский ¬. ѕ., —орока ». Ќ. Ћазерный газоанализатор 323 Ћј-08 дл€ передвижных лабораторий // ћетоды и приборы газового анализа: —б. науч. тр.  иев: ¬Ќ»»јѕ, 1990.
  11. —коловский —. ј., Ѕаба€нц ѕ. ј.,  ерцман ¬. ћ. ƒистанционный экологический мониторинг крупных промышленных центров // ћеждународна€ геофизическа€ конференци€ и выставка: —б. тез. докл. ћ.,1997.
  12. Ћаубенбах ≈. ј., √орелов ј. √., √оттих –. ѕ., Ѕубличенко ». ј. –езультаты нетрадиционной комбинированной авиационной гамма-спектрометрической и углеводородной съемки при поисковых работах на нефть // “ам же.


Copyright © 1998-2005 –Ш–љ–ґ–µ–љ–µ—А–љ—Л–є –¶–µ–љ—В—А –Ь–Ш–§–Ш
e-mail: webmaster@ecsoft.mephi.ru