Учёные Восточно-Китайского педагогического университета в Шанхае разработали мобильный спектрометр для измерения концентрации метана непосредственно во время движения автомобиля. Система прошла испытания на городских дорогах и скоростной магистрали, а также обнаружила два контрольных источника газа. Результаты исследования опубликованы в журнале Optics Express.
Авторами работы стали Сюйтянь Цзин, Кайвэнь Вэй, Чэнлинь Гу и их коллеги из Государственной ключевой лаборатории прецизионной спектроскопии Восточно-Китайского педагогического университета.
Установка предназначена для мобильного обследования территорий, где источники выбросов могут быть рассредоточены или заранее неизвестны. В перспективе такие приборы могут применяться для контроля нефтегазовых объектов, полигонов отходов, животноводческих хозяйств и других площадок, на которых возможно поступление метана в атмосферу.
В основе системы лежит двухгребёнчатая спектроскопия в среднем инфракрасном диапазоне. Две оптические частотные гребёнки формируют множество узких спектральных линий. Поскольку молекулы разных газов поглощают инфракрасное излучение на определённых частотах, прибор позволяет распознавать вещества по характерному спектру и определять их концентрацию.
Разработчики настроили систему на одновременное измерение метана и водяного пара в диапазоне длин волн от 3,35 до 3,47 микрометра. Учёт влажности необходим для корректного анализа спектра, поскольку водяной пар также поглощает инфракрасное излучение.
Воздух проходил через открытую оптическую ячейку с эффективной длиной светового пути 25 метров. Спектрометр и измерительную ячейку установили на крыше внедорожника. Основной прибор занимал объём около 28 × 30 × 25 сантиметров, весил приблизительно 22 килограмма и потреблял около 20 ватт.
Для работы в движении исследователи использовали волоконные лазеры, устойчивые к механическим воздействиям, и схему пассивной синхронизации двух частотных гребёнок. Это позволило сохранить качество сигнала при вибрациях, возникающих во время поездки.
Первый этап испытаний прошёл на территории университетского кампуса. Автомобиль двигался со скоростью около 20 км/ч и выполнил измерения в семи точках. Концентрация метана на маршруте находилась в диапазоне от 1,65 до 1,98 части на миллион.
Затем учёные провели часовой заезд протяжённостью 47 километров по улицам Шанхая и скоростной дороге. Средняя скорость составляла около 40 км/ч, а на отдельных участках достигала 100 км/ч. Система продолжала работать без заметного ухудшения отношения сигнала к шуму.
Во время этого заезда концентрации метана и водяного пара рассчитывались с интервалом в одну секунду. Среднее содержание метана составило 1,815 части на миллион, водяного пара — 1,072%.
Точность определения метана при усреднении данных за десять секунд достигала 66 частей на миллиард, водяного пара — 114 частей на миллион. При более продолжительном накоплении сигнала минимальное отклонение снизилось до 23,5 части на миллиард для метана при 150-секундном усреднении и до 29,6 части на миллион для водяного пара при 300-секундном усреднении.
Эти показатели характеризуют стабильность измерений, а не минимальный размер утечки, которую система способна обнаружить в любых условиях. Фиксация газового шлейфа зависит также от расстояния до источника, скорости и направления ветра, рельефа и интенсивности выброса.
Возможности прибора проверили с помощью двух баллонов с природным газом, содержащим около 95% метана. Источники разместили на расстоянии 30 метров друг от друга и примерно в трёх метрах от маршрута автомобиля. Газ выпускали со скоростью 1 и 1,2 грамма в минуту.
При скорости движения около 20 км/ч спектрометр зарегистрировал два отдельных повышения концентрации метана. В нескольких метрах от контрольных источников содержание газа превышало фоновый уровень на несколько частей на миллион. Измерения проводились с временным разрешением 0,25 секунды, что позволило сопоставить концентрации с координатами автомобиля и определить расположение обоих источников.
В отдельном опыте исследователи выполнили измерения в 72 точках вокруг одного контрольного источника и построили двумерную карту распределения метана с пространственным шагом один метр. Направление распространения шлейфа совпало с преобладающим направлением ветра.
Эксперименты подтверждают возможность мобильного обнаружения локальных повышений концентрации метана, но пока не охватывают работу на реальных промышленных объектах. Испытания проводились главным образом на территории кампуса и дорогах Шанхая, а источники газа были организованы исследователями.
Автомобильные измерения также не позволяют автоматически определить происхождение каждого обнаруженного шлейфа. Метан может поступать из газовой инфраструктуры, канализационных сетей, полигонов отходов, почвы и сельскохозяйственных объектов. Для установления конкретного источника необходимы повторные измерения с учётом ветра и обследование площадки.
Следующим направлением работы авторы называют расширение спектрального диапазона для одновременного определения большего числа газов. Возможна также установка подобных систем на беспилотные летательные аппараты для обследования территорий, недоступных автомобильному транспорту.
