Спектрорадиометрическая установка дистанционного контроля загазованности рабочей зоны химически опасных объектов сильнодействующими ядовитыми веществами

Полезная модель относится к устройствам для дистанционного мониторинга воздушной среды промышленной зоны и районов размещения химически опасных объектов (ХОО). Спектрорадиометрическая установка содержит в своем составе инфракрасный Фурье-спектрорадиометр среднего разрешения, систему термостатирования, комплект тепловых экранов, систему координатной привязки и наведения поля зрения спектрорадиометра на тепловые экраны, блок регистрации и обработки данных дистанционного зондирования, систему энергоснабжения. Технический результат, достигаемый в заявленной полезной модели, заключается в значительном снижении трудозатрат в связи с исключением из процесса мониторинга процедуры отбора проб воздуха в различных точках производственной зоны ХОО. При этом обеспечивается возможность измерения массовых концентраций сильнодействующих ядовитых веществ (СДЯВ) на горизонтальных трассах зондирования в режиме реального времени, повышение чувствительности обнаружения паров СДЯВ, а также автоматизация процесса экологического мониторинга воздушной среды ХОО на уровне ПДК рабочей зоны для СДЯВ 1-4 классов опасности.

Полезная модель относится к устройствам для дистанционного мониторинга воздушной среды промышленной зоны и районов размещения химически опасных объектов. Полезная модель основана на применении оптических методов идентификации и контроля концентраций локальных облаков сильнодействующих ядовитых веществ и может быть использована для экологического мониторинга рабочей и санитарно-защитной зон химически опасных объектов.

Известно, что в настоящее время система мониторинга воздушной среды производственных помещений и промышленной зоны предприятий, использующих в рабочем цикле различные опасные химические вещества, основывается на применении средств контроля локального типа. Локальные методы контроля предусматривают предварительный отбор проб воздуха и последующий их анализ с помощью спектрофотометрического, биохимического и хромато-масс-спектрометрического оборудования. Так, например, в последние годы разработаны и освоены в серийном производстве приборы химического контроля АНТ-3М ДКТЦ. 413441.104 и УПГК-ЛИМБ. Данные приборы внесены в Государственный реестр средств измерений, имеют сертификаты соответствия и разрешение Ростехнадзора на применение на опасных объектах (Российская научно-практическая конференция. Стратегия развития научно-производственного комплекса Российской Федерации в области разработки и производства систем жизнеобеспечения и защиты человека в условиях химической и биологической опасности. Сборник материалов, Тамбов, 2009, с.168-180). Применение вышеуказанных средств газового анализа обеспечивает контроль довольно широкого перечня отравляющих (OВ) и сильнодействующих ядовитых веществ (СДЯВ), таких как зарин, синильная кислота, бензол, винилхлорид, толуол, фенол и т.п. Приборы химического контроля широко используются на химически опасных объектах в случае аварийных ситуаций и при нарушениях технологического регламента. Кроме того, приборы локального контроля типа СИП-100 и ГСА-3 в настоящее время используются для мониторинга объектов по уничтожению химического оружия. Однако, как и все локальные средства химического контроля, приведенные выше средства анализа воздушной среды имеют ряд существенных недостатков:

- необходимость применения набора нескольких детекторов для анализа всего перечня ОВ и СДЯВ;

- низкое быстродействие газоанализаторов (по парам СДЯВ до 2 минут);

- недостаточная в ряде случаев чувствительность обнаружения ОВ и СДЯВ (0,05100 мг/м3).

Для решения этих вопросов в последние годы начали применяться инфракрасные (ИК) Фурье-спектрометры для контроля производственных процессов в различных отраслях промышленности (Фурье-спектрометр инфракрасный «ИнфраЛюм ФТ-02». Руководство по эксплуатации 151.00.00.00.00. РЭ. - С.-П.: ООО «Люмэкс», 2004.). Однако спектрометры данного типа также являются приборами локального действия, эксплуатация которых предусматривает отбор проб воздуха в различных точках рабочей зоны производственных помещений и их последующий анализ в кюветном отделении спектрометра.

По сравнению с локальными методами контроля параметров облаков паров загрязняющих веществ в атмосфере дистанционные методы имеют ряд преимуществ (высокое быстродействие, широкий территориальный охват, возможность одновременного контроля многокомпонентных смесей), что обусловливает перспективность их применения в интересах мониторинга химически опасных объектов. В настоящее время интенсивно развиваются спектрорадиометрические (пассивные) методы дистанционного обнаружения газов и паров физиологически активных веществ (ФАВ) в атмосфере. В России на базе ИК Фурье-спектрорадиометра (ФСР) среднего разрешения разработаны приборы для дистанционного обнаружения и определения интегральных концентраций паров ФАВ в открытой атиосфере (Дворук С.К., Кочиков И.В., Морозов А.Н., Павлов Д.А. и др., «Применение Фурье-спектрорадиометра для определения концентраций загрязняющих веществ в атомсфере», Оптический журнал, т.67, 3, 2000, С.37-42). Необходимо отметить, что ФСР имеют ряд существенных недостатков. В частности, они обеспечивают измерение азимута и угла места обнаруженного облака ОВ или СДЯВ, но не позволяют измерять дальность до облака, его глубину и массовую концентрацию вещества. Необходимым условием функционирования ФСР является наличие теплового контраста между индицируемым облаком и фоновой атмосферой. В связи с этим ФСР применяются, как правило, для наблюдения по наклонным трассам, то есть используется температурный контраст между "холодным" небом и "теплой" приземной атмосферой. В этом случае пропускание, а значит и анализируемый поток излучения зависят не от массовой концентрации индицируемого ОВ или СДЯВ, а от его интегральной массы на трассе наблюдения. Кроме того, достигнутая в настоящее время интегральная чувствительность обнаружения облаков ОВ и СДЯВ в открытой атмосфере 50500 мг/м² (соответствует массовой концентрации вещества 0,55,0 мг/м³ при глубине облака 100 метров), является недостаточной для контроля наличия в воздухе рабочей зоны химически опасных объектов большого перечня СДЯВ на уровне предельно допустимых концентраций (ПДК) рабочей зоны (Основы Фурье-спектрорадиометрии. - А.Н.Морозов, С.И.Светличный - Москва.: Наука, 2006. - 275 с.).

Технический результат, достигаемый в заявленной полезной модели, заключается в значительном снижении трудозатрат (исключение из процесса мониторинга этапа отбора проб воздуха в различных точках производственной зоны), в обеспечении возможности измерения массовых концентраций СДЯВ на горизонтальных трассах зондирования в режиме реального времени, повышении чувствительности обнаружения паров СДЯВ, а также автоматизации процесса экологического мониторинга воздушной среды на химически опасных объектах.

Указанный технический результат достигается тем, что для идентификации и контроля концентраций паров (газов) СДЯВ используется инфракрасный Фурье-спектрорадиометр динамического типа, являющийся составной частью спектрорадиометрической установки в составе:

- системы термостатирования;

- комплекта тепловых экранов;

- системы координатной привязки и наведения поля зрения спектрорадиометра на тепловые экраны;

- блока регистрации и обработки данных дистанционного зондирования;

- системы энергоснабжения.

Полезная модель поясняется фигурой, на которой представлена структурная схема спектрорадиометрической установки дистанционного контроля загазованности рабочей зоны химически опасных объектов различными СДЯВ.

Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что при увеличении температурного контраста между анализируемым облаком СДЯВ и фоновой обстановкой (подстилающая поверхность, небосвод и т.п.) чувствительность обнаружения СДЯВ значительно повышается. Это подтверждается результатами экспериментальных исследований с использованием ИК Фурье спектрорадиометра среднего разрешения и лабораторного стенда, техническое описание которого приведено в патенте на полезную модель (Патент 103400, Российская Федерация, МПК⁷ G01N 21/25. Лабораторный стенд для создания и контроля концентраций газообразных веществ при формировании базы спектральных данных и оценке технических характеристик Фурье-спектрорадиометров [Текст] / Шлыгин П.Е., Позвонков А.А., Бойко А.Ю. и др.; заявитель и патентообладатель ФГУ «33 ЦНИИИ МО РФ». - 2010113084; заявл. 5.04.2010).

В таблице 1 приведены экспериментальные данные, подтверждающие увеличение чувствительности спектрорадиометра при увеличении температурного контраста между индицируемым облаком СДЯВ и тепловым экраном.

При этом для химического контроля может использоваться схема, представленная на фигуре.

Таблица 1
Результаты эксперимента по оценке влияния величины температурного контраста между индицируемым облаком СДЯВ и тепловым экраном на аналитические характеристики ИК Фурье-спектрорадиометра
п/п	Анализируемое сильнодействущее ядовитое вещество	Минимальные обнаруживаемые массовые концентрации анализируемого вещества С, (мг/м3)
Температурный контраст 10°C	Температурный контраст 15°C	Температурный контраст 20°C	Температурный контраст 25°C
1	Аммиак	39	30	21	14
2	Метанол	360	298	190	140
3	Несимметричный диметилгидразин	427	400	340	283

Переход от измеренных интегральных концентраций СДЯВ в зоне контроля к массовым концентрациям анализируемых веществ может быть осуществлен по формулам (см. фигуру):

, ,

где С₁, С₂, С ₃ - массовые концентрации СДЯВ (мг/м³);

M₁, М₂, М₃ - интегральные концентрации СДЯВ на трассе зондирования (мг/м²);

R₁, R₂, R_мах - длина трассы зондирования, м.

Экспериментальные данные получены при толщине поглощающего слоя СДЯВ 8,0 метров. Анализ полученных результатов показывает, что при увеличении температурного контраста на 10 градусов происходит увеличение чувствительности спектрорадиометра в 1,32,1 раза в зависимости от величины сечения поглощения анализируемого вещества на аналитической частоте в ИК области спектра. При увеличении температурного контраста до 7080 градусов и при оптической толщине облака 100 метров может быть достигнута чувствительность обнаружения массовых концентраций различных СДЯВ в 804700 раз более высокая, чем приведенные экспериментальные данные в таблице 1. При этом в зависимости от геометрии пространственного расположения тепловых экранов на местности или внутри производственных помещений обеспечивается решение задачи контроля массовой концентрации паров (газов) различных СДЯВ в диапазоне 0,0033,0 мг/м³, что является достаточным для контроля СДЯВ 1-4 классов опасности на уровне ПДК рабочей зоны. Схема экологического мониторинга на основе применения техники ПК пассивного зондирования и тепловых экранов может быть реализована на химически опасных объектах без существенных экономических издержек. Данная установка может найти применение для мониторинга воздушной среды объектов метрополитена, газотранспортной системы ОАО «Газпром», предприятий химической и нефтехимической промышленности.

Спектрорадиометрическая установка дистанционного контроля загазованности рабочей зоны химически опасных объектов сильнодействующими ядовитыми веществами, состоящая из Фурье-спектрорадиометра среднего разрешения, отличающаяся тем, что содержит систему термостатирования, блок автоматической координатной привязки и наведения поля зрения Фурье-спектрорадиометра на тепловые экраны, блок регистрации и обработки данных дистанционного зондирования, а также комплект тепловых экранов, геометрия пространственного расположения которых в рабочей зоне химически опасных объектов обеспечивает контроль интегральных и массовых концентраций индицируемых веществ в реальном масштабе времени на горизонтальных трассах зондирования на уровне ПДК рабочей зоны химически опасных объектов.