Способ дистанционного контроля массовой концентрации тонкодисперсных аэрозолей отравляющих веществ по их собственной люминесценции в местах хранения и уничтожения отравляющих веществ при возникновении нештатных ситуаций

 

Изобретение относится к оптическим методам измерения физико-химических характеристик аэрозольных сред. Техническим результатом является разработка способа дистанционного контроля массовой концентрации тонкодисперсного люминесцирующего аэрозоля отравляющих веществ независимо от размеров аэрозольных частиц на фоне мешающих примесей. В способе проводится лазерное зондирование ультрафиолетовым излучением с длиной волны λ = 266 нм, регистрация фоновых характеристик атмосферы (I_ф) и интенсивности сигналов люминесценции (I_л) аэрозоля ОВ в области спектра 300 - 440 нм. Производится нормировка амплитуды сигнала люминесценции к амплитуде сигнала комбинационного рассеяния азота воздуха на длине волны λ = 284 нм и осуществляется предварительная калибровка аппаратуры зондирования по тонкодисперсным фракциям аэрозоля. Для исключения влияния на результаты зондирования наличия в атмосфере помеховых аэрозолей регистрируется интенсивность сигналов обратного рассеяния (I_p) на длине волны зондирующего излучения. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.

Изобретение относится к области оптических методов измерения физико-химических характеристик аэрозольных сред и может быть использовано при разработке дистанционных средств технического контроля (ТК) концентраций аэрозольных облаков люминесцирующих отравляющих веществ (ОВ) для оценки последствий возникновения нештатных ситуаций в местах хранения и уничтожения ОВ.

По сравнению с локальными методами контроля параметров аэрозольных облаков оптические методы имеют ряд преимуществ (возможность контроля динамики распространения облака, высокое быстродействие, широкий территориальный охват и т.д.), что обусловливает перспективность их применения в интересах контроля объектов по хранению и уничтожению ОВ. В настоящее время предложены различные способы дистанционного контроля как дисперсного состава индицируемого аэрозольного облака ОВ, так и концентраций аэрозольных частиц в облаке.

Так, например, известен способ дистанционного контроля концентраций и среднего размера частиц атмосферного аэрозоля, основанный на регистрации рассеянного в области углов дифракции электромагнитного излучения (Ван де Хюлст Г. Рассеяние света малыми частицами. - М.: ИЛ, 1961). Предложенный способ имеет ряд недостатков, обусловленных бистатической схемой зондирования, что позволяет использовать его только в лабораторных условиях или закрытых испытательных комплексах.

Известны также способы и методы дистанционного контроля микрофизических параметров атмосферного аэрозоля, основывающиеся на методе многочастотного лазерного зондирования (Креков Г.М. Методологические вопросы лазерного зондирования молекулярной и аэрозольной атмосферы. //Дистанционные методы исследования атмосферы. /Под ред. Зуева В.Е. - Новосибирск: Наука, 1980). Использование многочастотного зондирования предусматривает регистрацию относительных интенсивностей сигналов обратного рассеяния и восстановление параметров аэрозольного облака с применением сложных алгоритмов, которые сложно реализовать на практике.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ дистанционного контроля массовой концентрации аэрозолей и газов в атмосфере, раскрытый в заявке DE 4309417 A1, G 01 N 21/25, 14.04.94. Данный способ предусматривает контроль окружающего Землю воздуха с помощью устройства на лазерных диодах, размещаемого на летательном аппарате. Принцип работы устройства заключается в измерении микроколичеств газов и аэрозолей, попадающих в открытую ячейку Херриотта при движении летательного аппарата, на основе лазерного излучения и системы детекторов. Вышеизложенный способ малопригоден для измерений параметров аэрозольных облаков ОВ, поскольку предполагает контакт устройства и летательного аппарата с зараженным ОВ воздухом и необходимость проведения дегазации сложного оборудования после каждого измерения. Вторым существенным недостатком приведенного способа является то, что он не обладает пространственным разрешением и может проводить измерения только того объема воздуха, который попадает в ячейку Херриотта. Данный способ может применяться для решения задач выявления экологической обстановки в безопасных районах.

Однако анализ информационных материалов показывает, что явление вынужденной люминесценции аэрозолей ОВ при возбуждении ультрафиолетовым лазерным излучением в случае расширения объема спектральной информации и усовершенствовании алгоритмов обработки данных дистанционного зондирования может быть использовано для решения задач контроля аэрозолей ОВ. В частности, весьма актуальной проблемой технического контроля для прогнозирования последствий нарушения технологических процессов является определение в естественных условиях концентраций аэрозольных частиц ОВ в облаках, которые могут образоваться при возникновении нештатных ситуаций на объектах по хранению и уничтожению ОВ. Исходя из физико-химических свойств аэрозолей видно, что наибольшую опасность представляет тонкодисперсный неоседающий аэрозоль, который может распространяться на большие расстояния. Образованию тонкодисперсного аэрозоля благоприятствуют большинство предлагаемых технологий уничтожения ОВ, которые основаны на использовании высоких температур, давления, а также получении взрыво- и пожароопасных продуктов деструкции ОВ. Разработка технических средств контроля концентраций аэрозольных частиц с диаметром d < 10 мкм на базе локальных датчиков представляет собой сложную задачу, в связи с чем реализация дистанционных методов измерения микроструктуры аэрозольного облака является перспективным направлением исследований.

Проведенные исследования показали, что при зондировании облаков люминесцирующих аэрозолей с размером частиц d<10 мкм интенсивность люминесценции зависит, в основном, от массовой концентрации частиц и практически не зависит от их размеров. Следовательно, осуществив предварительную калибровку лидарного комплекса по конкретному типу ОВ, можно по данным локации облака оценивать массовую концентрацию частиц ОВ. С целью исключения влияния на результаты зондирования параметров аппаратуры целесообразно осуществлять нормировку амплитуды сигнала люминесценции аэрозоля ОВ к амплитуде сигнала комбинационного рассеяния молекул азота воздуха, концентрация которого в атмосфере является постоянной величиной. При соблюдении вышеуказанных условий для контроля массовой концентрации (C_м) тонкодисперсных аэрозолей ОВ может быть использовано простое выражение: где I_л - сигнал люминесценции аэрозоля ОВ; I_ф - сигнал фона; - сигнал комбинационного рассеяния азота воздуха; K - калибровочный коэффициент.

Для учета влияния метеоусловий на результаты контроля перед проведением каждого эксперимента проводится измерение фоновых характеристик атмосферы, которые учитываются при расчете концентраций аэрозоля ОВ по формуле (1).

Как правило, одной из сложных проблем дистанционного контроля является влияние на результаты измерений наличия на трассе зондирования помеховых аэрозолей (пыль, дым, сажа и т.п.). Анализ возможностей применения люминесцентных лидаров в интересах технического контроля показывает, что устранить влияние на результаты эксперимента люминесценции помеховых аэрозолей можно за счет расшифровки информации, содержащейся в сигнале обратного аэрозольного рассеяния. Проведенные нами предварительные эксперименты показали, что отношение сигнала люминесценции к сигналу светорассеяния аэрозоля ОВ более чем на порядок отличается от аналогичного соотношения для мешающих примесей. Данное явление может быть использовано для повышения помехоустойчивости метода в случаях, сопровождающихся значительным выбросом в атмосферу помеховых примесей (пыль, дым, сажа и т.п.).

Задачей настоящего изобретения является разработка способа дистанционного контроля массовой концентрации тонкодисперсного люминесцирующего аэрозоля ОВ (d≅10 мкм) независимо от размеров аэрозольных частиц на фоне мешающих примесей (пыль, дым, сажа и т.п.) для прогнозирования аварийной обстановки в случае возникновения нештатной ситуации на объектах хранения и уничтожения ОВ.

Пример осуществления способа.

Поставленная задача достигается тем, что зондирование аэрозольного облака ОВ осуществляется лазерным излучением с длиной волны λ = 266 нм (4^я гармоника лазера на АИГ), а регистрация спектра люминесценции аэрозоля ОВ производится в области 300...440 нм. Одновременно с регистрацией максимума интенсивности люминесценции производится измерение интенсивности сигнала комбинационного рассеяния азота воздуха на длине волны λ = 284 нм. В качестве имитационной рецептуры ОВ типа Vx использовались водные растворы, содержащие люминесцирующие добавки. При этом для обеспечения идентичности результатов эксперимента необходимым условием являлось равенство квантовых выходов люминесценции ОВ и его имитационной рецептуры. Перед началом полевых испытаний проводилась калибровка лидарного комплекса по выбранному типу имитационной рецептуры. При этом величина калибровочного коэффициента, входящего в выражение (1), находилась как средняя величина при проведении серии калибровочных опытов с разными значениями концентрации аэрозоля в модельном облаке ОВ.

Одновременно с измерениями интенсивности люминесценции и комбинационного рассеяния азота воздуха регистрировалась интенсивность аэрозольного рассеяния на длине волны зондирующего излучения λ = 266 нм. В качестве дистанционного средства ТК использовался подвижный комбинационно-люминесцентный лидар (ПКЛЛ), размещенный на шасси автомобиля "Урал-375К". Лидар имел следующие основные технические характеристики: Длина волны излучения, нм - 266 Мощность лазерного импульса, кВт - 30 Длительность лазерного импульса, нс - 10 Частота следования импульсов, Гц - 12,5
Диаметр приемного зеркала, мм - 360
Число стробов, шт - 32
Потребляемая мощность, кВт - 4
Испытания проводились по облакам имитационной рецептуры ОВ, создаваемым в полевой камере длиной 22 м с помощью трех генераторов аэрозолей. На втором этапе испытаний для создания модельных облаков аэрозолей имитатора использовались кассетные элементы. Дальность зондирования составляла:
210 м - при проведении работ с применением полевой аэрозольной камеры;
500 м - при переводе имитатора в аэрозольное состояние путем группового подрыва кассетных элементов.

Концентрация и дисперсный состав модельного облака ОВ контролировались с помощью имитаторов и фильтров АФА-В-10 с последующим анализом по хемолюминесцентной методике на приборе "Любитель".

В таблице 1 представлены результаты сравнительной оценки двух методов контроля концентраций частиц в модельном облаке ОВ. При расчете относительных ошибок опытов за истинное значение концентраций принимались результаты измерений, полученные с помощью локальных средств контроля.

В таблице 2 представлены результаты второго этапа испытаний, на котором перевод имитатора ОВ в аэрозольное состояние проводился путем подрыва кассетных элементов.

Одновременно в ходе настоящих исследований оценивалось возможное влияние на результаты дистанционного контроля присутствия в атмосфере аэрозолей примесей, которые могут образовываться при возникновении аварийной ситуации на объектах по хранению и уничтожению ОВ.

В таблице 3 приведены результаты, подтверждающие возможности селекции полезных сигналов за счет дополнительной информации, содержащейся в сигналах обратного рассеяния.

Анализ данных, представленных в таблице 3, показывает, что несмотря на более высокие концентрации помеховых аэрозолей (C = 10^-1 ... 10^-2 мг/л) по сравнению с концентрацией имитатора ОВ типа Vx (C = 10^-4 мг/л), отношение сигнала люминесценции ( λ = 335 нм) к светорассеянию ( λ = 266 нм) для облака имитатора более чем на порядок превышает аналогичное отношение для помеховых аэрозолей. В связи с вышеизложенным этот признак может быть использован для селекции полезных сигналов на фоне мешающих примесей. Решение этой задачи особенно актуально при аварийной ситуации, сопровождающейся пожаром, взрывами, когда на результаты дистанционного контроля существенное влияние может оказывать экранирующее действие помеховых аэрозолей - пыли, дыма, продуктов взрыва и т.п. Обобщенным критерием, по которому можно судить о наличии в атмосфере аэрозоля ОВ и практическом отсутствии мешающих примесей, можно считать выполнение условия .

В случае соблюдения условий однократности рассеяния, то есть когда экранирующее действие помеховых аэрозолей незначительно, присутствие примесей не должно влиять на результаты измерения концентрации ОВ типа Vx в связи с их незначительным вкладом в общую люминесценцию облака. Поэтому увеличение относительной ошибки эксперимента до 74.4% (см. табл. 2) при проведении испытаний с использованием кассетных элементов может быть объяснено присутствием большого количества частиц в облаке с диаметром d<10 мкм. В этом случае величина коэффициента К в формуле (1) может значительно отличаться от его значений, полученных при калибровке лидара с применением полевой аэрозольной камеры, что вносит дополнительные погрешности в результаты измерений.

Предлагаемый способ дистанционного контроля микроструктуры люминесцирующих ОВ позволяет контролировать динамику изменений концентраций аэрозольных частиц, измерять пространственно-геометрические размеры облака с высоким разрешением (с учетом возможностей отечественной элементной базы может быть достигнуто пространственное разрешение на местности до 3.75 м). Способ может быть применен для контроля параметров грубодисперсных облаков ОВ при условии предварительной калибровки лидарного комплекса по облакам аэрозолей ОВ заданного дисперсного состава.

Анализ спектральных характеристик партий ОВ типа Vx с различным сроком хранения, исходных продуктов синтеза ОВ, а также промежуточной летучести показал, что предложенный способ может быть успешно применен в интересах контроля обширного перечня ОВ.

Формула изобретения

1. Способ дистанционного контроля массовой концентрации тонкодисперсных аэрозолей отравляющих веществ (ОВ) по их собственной люминесценции в местах хранения и уничтожения ОВ при возникновении нештатных ситуаций, включающий лазерное зондирование ультрафиолетовым излучением с длиной волны λ = 266 нм, регистрацию фоновых характеристик атмосферы (I_ф) и интенсивности сигналов люминесценции (I_л) аэрозоля ОВ в области спектра 300 - 440 нм, отличающийся тем, что для исключения влияния дисперсного состава аэрозоля ОВ и параметров аппаратуры на результаты зондирования проводят нормировку амплитуды сигнала люминесценции к амплитуде сигнала комбинационного рассеяния азота воздуха на длине волны λ = 284 нм и осуществляют предварительную калибровку аппаратуры зондирования по тонкодисперсным фракциям аэрозоля с диаметром частиц d ≅ 10 мк.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для исключения влияния на результаты зондирования наличия в атмосфере помеховых аэрозолей (продуктов горения, взрыва) регистрируют интенсивность сигналов обратного рассеяния (I_р) на длине волны зондирующего излучения и в случае выполнения условия судят об отсутствии на трассе зондирования помеховых примесей, а по соотношению

определяют массовую концентрацию (C_м) тонкодисперсного аэрозоля люминесцирующего ОВ.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2