Введение к работе
В настоящей работе, выполненной автором в 2007 - 2011 годах, рассмотрены варианты использования лазерных систем, методов для дистанционного зондирования молекул углеводородов а так же измерения их концентраций в газовых потоках или атмосферном воздухе. Проанализированы различные лидарные системы, проведены исследования лабораторных макетов таких лазерных систем для бесконтактного измерения концентрации исследуемых молекул вплоть до уровней 1 млрд"1. В основу предлагаемых методов и систем измерений положено лазерное дистанционное зондирование молекул углеводородов с помощью лидара комбинационного рассеяния света (КРС) и лидара дифференциального поглощения и рассеяния (ДПР) с обработкой результатов измерений на персональном компьютере (ПК) для регистрации лидарных сигналов в режиме реального времени.
Актуальность темы. На протяжении последних пятидесяти лет актуальной проблемой является разработка и поиск новых методов, средств и систем для дистанционного обнаружения и измерения параметров разнообразных газовых потоков и технологических газов в разных отраслях промышленности. Развитие исследований в этом направлении открыло перспективу создания новых лазерных систем, результаты которых обогатили фундаментальные разделы лазерной физики и смежных областей, а также пригодны для практического применения в промышленности.
Для решения таких проблем сегодня наиболее перспективными представляются именно методы лазерного дистанционного зондирования, поскольку применение стандартных методов измерений параметров таких газовых потоков оперативно и одновременно на больших расстояниях является проблематичным. В связи с этим необходима оценка потенциальных возможностей лазерных систем, диапазона их применения в дистанционном зондировании атмосферного воздуха и своевременного обнаружения уровней концентраций исследуемых молекул или загрязняющих веществ на уровне их предельно-допустимых концентраций.
Особая роль в решении этой проблемы отводится экспериментальным методам и данным, применение которых становится базой для разработки новых лидарных систем, а кроме того, эмпирическая информация может быть использована в качестве исходных данных для детального исследования параметров как самих газовых потоков, так и молекул загрязняющих веществ.
Результаты экспериментальных и теоретических исследований параметров различных газовых молекул, а также детальные исследования регистрируемых лидаром сигналов, позволят найти оптимальный вариант технической реализации того или иного способа регистрации параметров молекул в газовых потоках или чистой атмосфере и тем самым снизят
погрешность измерений концентраций и увеличат достоверность получаемых результатов при решении конкретной проблемы.
Целью диссертационной работы является теоретические и экспериментальные исследования лазерных систем для дистанционного зондирования молекул углеводородов в атмосфере с концентрациями на уровне предельно-допустимых.
Для достижения этой цели предстоит решение следующих задач:
-экспериментальное измерение параметров молекул предельных углеводородов на лабораторном лидаре (КРС);
измерение сечения поглощения молекул углеводородов на лабораторном лидаре ДПР;
-численное моделирование лидарного уравнения для КРС и лидарного уравнения для (ДПР) с целью определения оптимальных параметров системы лазерного зондирования молекул углеводородов;
разработка системы контроля качества атмосферного воздуха на основе лидара КРС;
применение лидара ДПР для контроля качества атмосферного воздуха и предупреждения аварийных выбросов промышленного района.
Диссертационная работа включает введение, четыре главы, заключение и список использованных источников.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Показано, что лидарные методы КРС и ДПР являются оптимальными
для дистанционного измерения концентрации молекул углеводородов в
газовом потоке или атмосферном воздухе на уровне концентраций порядка
единиц на миллиард.
2. Значение дифференциального сечения КРС молекулами изобутана
измерено на длине волны полупроводникового лазерного излучателя 532 нм
и составляет (3,1±0,9)-10"29 см2/ср .
3. Значения интегрального сечения резонансного поглощения
молекулами гексана лазерного излучения в области 3,4 мкм измерены на
1Q 9
лабораторном лидаре ДПР и оно равно 0,567-10" см , что соответствует результатам других авторов.
4. Результаты вычислительных экспериментов для лидара КРС
молекулами углеводородов в направлении 180 позволили выбрать
оптимальный вариант системы регистрации лидара для моноимпульсного и
частотного режимов работы такого лидара и обработки сигналов в
аналоговом режиме и режиме счета фотонов для заданного диапазона
расстояний зондирования, концентраций исследуемых молекул и для
экспериментально измеренного значения дифференциального сечения КРС
этими молекулами.
5. Экспериментальные значения резонансного поглощения лазерного
излучения молекулами углеводородов позволили выполнить вычислительные
эксперименты для лидара ДПР, результаты которых могут быть
использованы для дистанционных измерений концентраций молекул углеводородов в газовом потоке или атмосферном воздухе и выбора оптимального варианта такого лидара.
6. Разработан метод численного моделирования лидара КРС для зондирования молекул углеводородов CnHm. Результаты моделирования являются исходными данными для разработки лидарной системы.
Практическая значимость результатов.
В результате экспериментальных исследований параметров молекул углеводородов с помощью методов КРС и ДПР получены соответственно дифференциальные сечения КРС и сечение поглощения молекул углеводородов для измерения их концентраций в атмосферном воздухе. А численное моделирование лидарного уравнения КРС и ДПР позволило определить оптимальные параметры лидаров при зондировании молекул углеводородов в системе мониторинга атмосферного воздуха
Предложен вариант использования лидара КРС в системе контроля качества атмосферного воздуха и предупреждения аварийных выбросов промышленного района, на который получен патент РФ.
Результатами исследований показано, что оборудование предприятий нефтегазовой отрасли такими лидарными системами позволит проводить мониторинг атмосферного воздуха и тем самым предотвращать возможные аварийные выбросы углеводородов в атмосферу.
Выполнены вычислительные эксперименты для зондирования молекул углеводородов CnHm лидаром ДПР для наших экспериментальных условий. Полученные результаты являются основой для разработки дифференциального метода измерения ультрамалых концентраций исследуемых молекул.
Основные положения, выносимые на защиту.
На защиту выносятся следующие положения:
Установлены диапазоны концентраций и расстояний зондирования лидаров для мониторинга молекул углеводородов таких как этан, пропан, бутан, пентан, гексан, бензол, толуол, метилмеркаптан в атмосферном воздухе.
Измерены дифференциальное сечение КРС молекулами бутана на длине волны лазерного излучения 532 нм а так же сечение поглощения молекул гексана на длине волны 3,4 мкм, которые равно соответственно
9Q 9
(3,1 ±0,9)-10" см /ср на длине волны полупроводникового лазерного
1Q 9
излучателя 532 нм и 0,567-10" см .
Разработаны варианты лазерной системы мониторинга атмосферного воздуха на основе лидара КРС, защищенный патентом РФ на полезную модель и алгоритм ее работы.
Предложен вариант системы контроля качества атмосферного воздуха на основе лидара ДПР.
Личный вклад автора.
Основные результаты, вычислительные, лабораторные эксперименты для зондирования молекул углеводородов CnHm, а также оформление заявки на полезную модель были выполнены автором.
Экспериментальная установка, используемая при проводимых в рамках работы исследованиях, разработана коллективом Новороссийского политехнического института филиала Кубанского государственного технологического университета кафедры «Общенаучные дисциплины» под руководством д.ф.-м.н., профессора Шеманина В.Г. Выбор приоритетов, направлений и методов исследования, а также форм представления результатов, их обобщение, формирование структуры и содержания диссертационной работы, формулирование и постановки основных положений и идей выполнено при активном участии научного руководителя д.ф.-м.н., профессора Шеманина В.Г., которому автор выражает благодарность за научное руководство работой в период обучения автора в аспирантуре, за ценные идеи и решения, положенные в основу данной работы.
Апробация результатов работы.
Основные результаты работы были представлены на следующих конференциях:
XV международной конференции «Высокие технологии в медицине, биологии и геоэкологии» в Новороссийске в 2007 г.;
XVI, XVII, XVIII международных конференциях «Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии и геологии» в Новороссийске в 2008, 2009, 2010 гг.;
Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученных в Уфе в 2008 г.;
Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученных, проведенной совместно с Кемерово и Томском в 2009 г.;
Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученных в Волгограде в 2010 г.;
Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученных в Екатеринбурге в 2011 г.;
международных конференциях «Лазеры. Измерения. Информация» в Санкт-Петербурге в 2008, 2009, 2010 гг.;
международной научно-технической конференции «Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии» в Беларуси в Могилеве в 2009 г.;
IX международной конференции «Прикладная оптика-2010» в Санкт-Петербурге в 2010 г.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 21 работе, являющихся частью списка литературы, цитируемого в диссертации, в том числе всего 5 статей, из них 3 статьи в рецензируемых,
рекомендованных ВАК журналах, 1 патент РФ на полезную модель, 15 докладов на конференциях, акт внедрения.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, и списка использованной литературы. Объем диссертации составляет 148 страницу машинописного текста, в том числе 6 таблиц и 34 рисунка. Список литературы содержит 115 наименования.
