Способ дистанционного обнаружения утечек природного газа из трубопровода и устройство для его осуществления

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОБНАРУЖЕНИЯ УТЕЧЕК ПРИРОДНОГО ГАЗА ИЗ ТРУБОПРОВОДА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Автор Левашенко Григорий Иванович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Способ дистанционного обнаружения утечек природного газа из трубопровода, заключающийся в том, что лазерным излучением облучают три участка земной поверхности вблизи трубопровода, первый участок облучают лазерным излучением на двух длинах волн 1, расположенной в полосе поглощения природного газа, и 2, расположенной вне полосы, а второй и третий участки, расположенные вдоль трубопровода впереди первого участка, облучают излучением на длинах волн 2 и 1 соответственно, регистрируют отраженные от земной поверхности излучения на длинах волн 1 и 2, сопоставляют яркости первого, второго и третьего участков земной поверхности, наличие утечки природного газа вначале определяют визуально в реальном времени по изменению яркости первого,второго и третьего участков земной поверхности, а затем определяют количественно по отношению отраженных сигналов от первого участка на длинах волн 1 и 2. 11371 1 2008.12.30 2. Устройство для дистанционного обнаружения утечек природного газа из трубопровода, содержащее два лазера, излучающих на длинах волн 1 и 2, узел формирования и вывода излучений, оптически связанный через облучаемую земную поверхность с оптической системой и узлом приема отраженных сигналов, электронный узел обработки отраженных сигналов на длинах волн 1 и 2 и тепловизор, отличающееся тем, что узел формирования и вывода излучений содержит зеркальный модулятор или полупрозрачный отражатель, установленный в лазерных пучках с длинами волн 1 и 2 под углом 45 к ним с возможностью направления отраженных пучков на первый участок земной поверхности,причем зеркальный диск модулятора расположен относительно лазерных пучков с возможностью осуществления их перекрывания поочередно во времени, и два отражателя,расположенные за зеркальным модулятором или полупрозрачным отражателем, электронный узел обработки отраженных сигналов содержит два синхронных детектора, а тепловизор выполнен с возможностью работы в спектральной области, включающей длины волн 1 и 2, отражатели установлены относительно лазерных пучков под углами, обеспечивающими направления лазерных пучков с длинами волн 2 и 1 на второй и третий участки земной поверхности, расположенные вдоль трубопровода в поле зрения тепловизора. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что лазеры установлены с возможностью изменения расстояния между лазерными пучками. Изобретение относится к области газоанализа, а именно к определению мест и интенсивности утечек природного газа из трубопровода, и может быть использовано для дистанционного (с летательного аппарата) контроля герметичности действующих газопроводов. Известен способ обнаружения утечки природного газа из трубопровода 1, включающий регистрацию температурного контраста участка поверхности земли вблизи трубопровода облучение вероятного места утечки газа лазерным излучением при длинах волн 1, расположенной в полосе поглощения природного газа, и 2, расположенной вне полосы, регистрацию отраженного от земной поверхности излучения при этих длинах волн и определение наличия и интенсивности утечки природного газа по отношению отраженных сигналов при длинах волн 1 и 2. В теплую, но не солнечную погоду дроссельный эффект охлаждения земной поверхности вблизи места утечки иногда позволяет зарегистрировать вероятное место утечки газа, а по изменению отношения отраженных сигналов при длинах волн 1 и 2 можно оценить интенсивность утечки и оконтурить облако природного газа. Недостатком способа является большая погрешность определения места и интенсивности утечки, поскольку температурный контраст вблизи утечки газа зависит от температуры земной поверхности, ее состояния (плотности и покрова), погодных условий и размера утечки, а отношение отраженных сигналов при 1 и 2 зависит от соотношения облученности земной поверхности лазерным излучением и естественной облученности в спектральной области чувствительности приемного устройства с учетом поля зрения оптической системы. Известно также устройство для дистанционного обнаружения утечек природного газа из трубопровода 2, содержащее два гелий неоновых лазера, работающих на длине волны 13,3922 мкм, соответствующей полосе поглощения метана в природном газе, и 23,3912 мкм, расположенной вне полосы, блок формирования и вывода излучений, оптическую систему и фотоприемный узел для отраженного излучения и электронный узел обработки отраженных сигналов с буферной памятью. Устройство предназначено для определения места утечки и оконтуривания облака газа. 11371 1 2008.12.30 Недостатком устройства является невысокая надежность определения места утечки в солнечные дни из-за погрешности измерения отношения отраженных сигналов, когда естественная облученность земной поверхности в десятки-сотни раз превышает облученность лазерами. Кроме того, обнаружение места утечки только по регистрации отраженных сигналов, обработке и анализу результата с летательного аппарата затрудняет определение точного места утечки газа из трубопровода и требует повторных измерений. Ближайшим техническим решением (прототипом) является устройство 3, содержащее два лазера, излучающих при длинах волн 1 и 2, расположенных в спектральном диапазоне 3,1-3,6 мкм полосы поглощения метана, блок формирования и вывода излучения, оптически связанные через облучаемую земную поверхность оптическую систему и узел приема отраженных сигналов и электронный узел обработки отраженных сигналов при длинах волн 1 и 2 с буферной памятью. Устройство содержит также блок управления режимами работ, состоящий из блока формирования задержки, таймера, коммутатора,усилителя преобразователя. В устройстве установлены блоки формирования температурного контраста и видимого изображения земной поверхности вблизи трубопровода, блок обработки поля температурного контраста, соединенный с блоком визуализации. Дополнительно в устройстве установлен блок плавной перестройки длины волны излучения лазеров в диапазоне 3,1-3,6 мкм, а также блок пространственного сканирования лазерным пучком облучаемой поверхности. Известное техническое решение, представляющее собой летающую лабораторию,предназначено, по замыслу авторов 3, повысить вероятность и точность определения координат места утечки, расширить функциональную возможность и динамический диапазон измерений. Однако использование маломощных лазеров, создающих облученность земной поверхности в десятки-сотни раз ниже естественной в солнечную погоду, без использования фильтрации излучения, может привести к большой погрешности в определении места и интенсивности утечки, несмотря на применение метода дифференциального поглощения. Кроме того, недостатками прототипа являются недостаточная надежность работы сложного измерительного комплекса в экстремальных (полевых) условиях, а также высокая стоимость устройства и его обслуживания. Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение технологичности и экономичности способа обнаружения утечек природного газа в трубопроводах, а также упрощение конструкции устройства и повышение надежности его работы. Задача решается тем, что в способе дистанционного обнаружения утечек природного газа из трубопровода, заключающемся в том, что лазерным излучением облучают три участка земной поверхности вблизи трубопровода, первый участок облучают лазерным излучением на двух длинах волн 1, расположенной в полосе поглощения природного газа, и 2, расположенной вне полосы. Второй и третий участки, расположенные вдоль трубопровода впереди первого участка, облучают излучением на длинах волн 1 и 2 соответственно, регистрируют отраженные от земной поверхности излучения на длинах волн 1 и 2,сопоставляют яркости первого, второго и третьего участков земной поверхности. Наличие утечки природного газа вначале определяют визуально в реальном времени по изменению яркости первого, второго и третьего участков земной поверхности, а затем определяют количественно по отношению отраженных сигналов от первого участка на длинах волн 1 и 2. Для осуществления предлагаемого способа предлагается устройство, содержащее два лазера, излучающих при длинах волн 1 и 2, узел формирования и вывода излучений, оптически связанный через облучаемую земную поверхность с оптической системой и узлом приема отраженных сигналов, электронный узел обработки отраженных сигналов на длинах волн 1 и 2 и тепловизор, в котором узел формирования и вывода излучений содер 3 11371 1 2008.12.30 жит зеркальный модулятор или полупрозрачный отражатель, установленный в лазерных пучках с длинами волн 1 и 2 под углом 45 к ним с возможностью направления отраженных пучков на первый участок земной поверхности, причем зеркальный диск модулятора расположен относительно лазерных пучков с возможностью осуществления их перекрывания поочередно во времени, и два отражателя, расположенные за зеркальным модулятором или полупрозрачным отражателем, электронный узел обработки отраженных сигналов содержит два синхронных детектора, а тепловизор выполнен с возможностью работы в спектральной области, включающей длины волн 1 и 2, отражатели установлены относительно лазерных пучков под углами, обеспечивающими направления лазерных пучков с длинами волн 1 и 2 на второй и третий участки земной поверхности,расположенные вдоль трубопровода в поле зрения тепловизора. Лазеры установлены с возможностью изменения расстояния между лазерными пучками. Зеркальный диск модулятора расположен относительно лазерных пучков так, чтобы они перекрывались поочередно во времени, а отраженные пучки направлялись на первый участок земной поверхности. Отражатели установлены относительно пучков под углами,обеспечивающими направления лазерных пучков с 1 и 2 на второй и третий участки земной поверхности, расположенные вдоль трубопровода в поле зрения тепловизора. При использовании лазеров в импульсном режиме излучения в узле формирования и вывода излучений в качестве зеркального модулятора служит полупрозрачный отражатель, установленный в лазерных пучках с 1 и 2 под углом 45 к ним с возможностью направлять отраженные части пучков на первый участок земной поверхности. Кроме того, для уменьшения размеров диска модулятора и полупрозрачного отражателя лазеры установлены один за другим с возможностью изменения расстояния между лазерными пучками. Облучение 3-х участков земной поверхности вдоль тепловизора излучением с длинами волн соответственно 1, 2 1 и 2 и наблюдение за изменением яркости этих участков с помощью тепловизора, работающего в спектральной области, включающей длины волн 1 и 2, позволяет в реальном времени оценить наличие или отсутствие утечки газа из газопровода. При отсутствии утечки на экране тепловизора на общем меняющемся фоне имеем три ярких участка, причем первый участок более яркий, чем второй и третий. При наличии газового облака, в котором поглощается излучение с 1, первый участок имеет одинаковую яркость со вторым, а яркость третьего участка будет близка к яркости окружающего фона. Визуальное обнаружение утечки газа подтверждается количественными характеристиками утечки, определяемыми по облучению первого участка, как и в известном способе. Обнаружение утечки газа визуально с учетом количественных изменений позволяет оперативно реагировать на обнаруженную утечку и точнее определять ее местоположение. При этом используются только два лазера. Облучение дополнительно еще двух участков земной поверхности осуществляется за счет применения зеркального модулятора. Он направляет излучение с 1 и 2 поочередно на первый участок, а два отражателя, которые в моменты времени, когда не облучается первый участок, также поочередно направляют прямопрошедшие через модулятор пучки излучения с 2 на второй участок и с 1 на третий участок. Модуляция пучков излучения лазеров с частотой 300-600 Гц позволяет облучать все участки земной поверхности импульсами излучения с частотой,обеспечивающей нормальную картину яркости на экране тепловизора. При использовании лазеров импульсного действия роль зеркального модулятора может осуществлять полупрозрачный отражатель. При этом очередность вывода импульсов излучения лазеров при длинах волн 1 и 2, обеспечивается схемой управления генерацией в узле формирования и вывода излучений. Расположение лазеров один за другим позволяет уменьшить диаметр диска модулятора и размеры полупрозрачного отражателя за счет уменьшения расстояния между лазерными пучками. 4 11371 1 2008.12.30 В узле приема отраженных сигналов может быть использован оптический фильтр,пропускающий излучение с 1 и 2, что позволяет уменьшить влияние естественного облучения первого участка земной поверхности на точность измерений, особенно при использовании лазерного излучения с длинами волн 10,5-11,5 мкм, расположенными в спектральной области поглощения этана. На фигуре представлена общая функциональная схема устройства. Устройство содержит лазеры 1 и 2, излучающие соответственно при длинах волн 1 и 2 узел формирования и вывода излучений 3 оптическую систему 4, оптически связанную с узлом 3 через отражающую земную поверхность 5 узел приема отраженных сигналов 6 электронный узел обработки отраженных сигналов 7, включающий в себя синхродетекторы (на фигуре не показан) тепловизор 8, работающий в одном из окон прозрачности атмосферы 3-5 мкм или 8-14 мкм, включающем длины волн 1 и 2. Узел формирования и вывода излучения 3 содержит зеркальный модулятор (или полупрозрачный отражатель) 9 и отражатели 10 и 11 для лазерных пучков излучения соответственно с 1 и 2. Сплошными и пунктирными стрелками указаны направления лазерных пучков с 1 и 2 одновременно облучаемых земную поверхность поочередно во времени. Газопровод 12 расположен под земной поверхностью 5. Облучаемые участки земной поверхности первый (13), второй (14) и третий (15) - находятся в поле зрения тепловизора 8. Рассмотрим вариант наблюдения за состоянием газопровода устройством, установленным на летательном аппарате, движущемся вдоль газопровода на высоте 100 м со скоростью 36 км/ч 10 м/с. В устройстве используются лазеры непрерывного действия с длинами волн излучения 1 и 2, расположенных в полосе поглощения метана и вне полосы области спектра 3,1-3,6 мкм. Мощность излучения лазеров составляет 30 мВт, угол расходимости пучков 2 мрад. При этом облучаемые участки земной поверхности имеют диаметр 20 см, а облученность участков составляет 0,1 мВт/см 2. Естественная облученность земной поверхности в области спектра окна прозрачности атмосферы 3-5 мкм в сумерки, днем прямым или рассеянным излучением при изменении высоты солнца над горизонтом от 5 до 55 изменяется от 2 мВт/см 2 при прямом солнечном излучении до 0,02 мВт/см 2 при облучении рассеянным светом 4. При частоте модуляции лазерных пучков 500 Гц осуществляется поочередное облучение участка 13 лазерными пучками с 1 и 2 через 1 мс со смещением луча на земной поверхности 1 см. Участок 14 находится на расстоянии 1 м впереди участка 13, а участок 15 находится впереди участка 14 на расстоянии 1 м. Диаметр облака природного газа составляет 30-50 м. Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. При движении летательного аппарата с устройством над земной поверхностью 5 вдоль газопровода 12 облучаются три участка 13, 14 и 15. Участок 13 облучается излучением лазеров 1 и 2 с длинами волн 1 и 2 строго поочередно с помощью зеркального модулятора 9. Модулятор 9 снабжен оптопарами (на фигуре не показаны), что обеспечивает независимую регистрацию отраженных сигналов при 1 и 2 с помощью синхродетекторов электронного узла регистрации отраженных сигналов 7. Отраженные сигналы от участка 13 воспринимаются оптической системой 4 с полем зрения, не включающим участки 14,15, и поступают через оптический фильтр (на фигуре не показан) в узел приема отраженных сигналов и обрабатываются в электронном узле 7. Введение оптического фильтра уменьшает погрешность определения отношения сигналов и соответственно величины утечки газа в случае, если естественная облученность поля зрения оптической системы 4 в десятки и более раз превышает облученность участка 13 лазерным излучением. Пучки излучения лазеров с 1 и 2, поочередно прошедшие через отверстие диска модулятора, поступают на отражатели 10 и 11 и направляются на земную поверхность соответственно на участки 15 и 14. Все участки облучаются импульсами излучения длительностью 1,0 мс и скважностью 2. В течение первой 1,0 мс облучаются участок 13 излучением с 1 и участок 5 11371 1 2008.12.30 14 излучением с 2. В последующую 1,0 мс облучаются участок 13 изучением с 2 и участок 15 излучением с 1 и т.д. В сумерки или днем при рассеянном освещении солнцем облученность участков 13, 14 и 15 лазерным излучением превышает естественную облученность, а на экране тепловизора 8 хорошо выделяются участки 13, 14 и 15. Путем сопоставления яркости этих участков определяют визуально качественно наличие или отсутствие утечки природного газа из трубопровода в реальном времени. При диаметре газового облака 30-50 м время визуального наблюдения на экране тепловизора изменения яркости 3-х участков земной поверхности составляет по 3-5 мс, что достаточно для адекватного интерпретирования признаков наличия утечки без использования сложной и дорогой аппаратуры. Наличие утечки газа количественно подтверждается по отношению сигналов от участка 13 при длинах волн 1 и 2. Для расширения динамического диапазона определения размеров утечки газа используют другую компоненту природного газа - этан, полоса поглощения которого расположена в области спектра 10,5-11,5 мкм. В этом случае целесообразно использовать молекулярные лазеры импульсного действия, излучающие в этой спектральной области. Тогда вместо зеркального модулятора нужно применять полупрозрачный отражатель, установленный под углом 45 к лазерным пучкам. При этом тепловизор должен быть чувствителен в окне прозрачности атмосферы 8-14 мкм. Таким образом, облучение земной поверхности дополнительно на двух участках, расположенных вдоль газопровода, лазерным излучением с длинами волн 1 и 2, осуществлено благодаря применению зеркального модулятора и двух отражателей, установленных в лазерных пучках. Использование, в случае применения, импульсных лазеров, полупрозрачного отражателя синхродетекторов, а также расположение лазеров один за другим обеспечивают надежность и технологичность процесса обнаружения утечки газа из трубопровода при одновременном упрощении устройства и его эксплуатации. Источники информации 1. Заявка РФ 94036135, МПК 17 5/02 // БИ. -12. - 1986. 2. Косицин В.Е. и др. Вертолетный лазерный локатор утечек метана Поиск-2 Труды докладов наВсесоюзной конференции Оптика лазеров. - Л., 1990. - С. 380. 3. Патент России 2091759. МПК 0121/39. - Опуб. 27.09.1997. 4. Инженерный справочник по космической технике. - Москва, 1977. - С. 31-33,С. 327-348. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6