научная статья по теме АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ Метрология

Текст научной статьи на тему «АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ»

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

621.3.089

Автоматизированнаясистемаконтроля

загрязненияатмосферы

А.С.ЗАЯХАНОВ,Г.С.ЖАМСУЕВА,В.В.ЦЫДЫПОВ,А.А.АЮРЖАНАЕВ

Бурятский научный центр СО РАН, Улан-Удэ, Россия, e-mail: lrf@pres.bscnet.ru

Описана автоматизированная система контроля загрязнения атмосферы, созданная для мониторинга атмосферных параметров, включая газовый и аэрозольный состав воздуха. Приведены технические характеристики и принципы функционирования системы.

Ключевые слова: газоанализатор, мониторинг загрязнения атмосферы, автоматизированная система.

This paper presents the automated monitoring system of air pollution constructed for control of the atmospheric parameters including gas composition and aerosol content. Specifications and functioning of the system are described it this paper.

Кеу words: gas analyzer, monitoring of air pollution, automated system.

Чистота атмосферного воздуха — один из важнейших показателей экологического состояния окружающей среды. Приземный слой атмосферы, находящийся под непрерывным антропогенным воздействием, постепенно утрачивает свою уникальную способность к самоочищению и восстановлению, что приводит к существенному изменению состава атмосферного воздуха и соответственно климата всей планеты. В последние годы отмечается ухудшение экологической обстановки во многих промышленных регионах России. Причины этого не только в бесконтрольной техногенной деятельности, но и в отсутствии достоверных данных о состоянии окружающей среды. Существующая система мониторинга загрязнения атмосферы в сети Росгидромета, основанная на отборе проб с их последующим лабораторным анализом, уже не отвечает современным требованиям с точки зрения трудозатрат, оперативности и возможности автоматических непрерывных измерений. В этой связи для решения научно-практических задач, связанных с контролем и прогнозом климато-экологических изменений, актуальное значение приобретают работы, направленные на развитие автоматизированных систем контроля, с использованием традиционных и новых современных технических средств, в том числе лидарных и акустических комплексов.

Одной из составных частей системы наблюдений и контроля за уровнем загрязнения воздушной среды является мобильная станция-лаборатория, с помощью которой проводят маршрутные и подфакельные наблюдения [1]. В настоящее время в России серийно выпускают мобильные передвижные станции-лаборатории на базе автомобиля УАЗ-452—АМ-70, АМ-74, тип «Атмосфера II» (Санкт-Петербург) [2]. Опытные образцы более сложных станций выпускали в НПО «Химавтоматика» — «Экомобиль» (Москва), ЗАО «НПО Экрос» — «Экрос-Атмосфера» (Санкт-Петербург), КТИ «Оптика» — «ЭКОЛИД» и др. [3]. Мобильные лидарные комплексы для дистанционного зондирования атмосферы разрабатывают в компании «Лазерные системы» (Санкт-Петербург), Институте оптики атмосферы СО РАН (Томск), Институте лазерной физики СО РАН (Новосибирск).

Ниже приведены описание и технические характеристики мобильной автоматизированной системы контроля загрязнения атмосферы, разработанной и созданной в Отделе физических проблем Бурятского научного центра СО РАН с целью автоматизации непрерывных синхронных измерений концентраций газовых примесей, метеорологических и радиационных характеристик атмосферы, отбора проб аэрозолей и обработки результатов измерений при подфа-кельных, маршрутных наблюдениях и экологических обследованиях территорий.

Состав автоматизированной системы и ее назначение. Важнейшей задачей автоматизированной системы наблюдений являются получение оперативной первичной информации о состоянии окружающей природной среды, обнаружение в минимальные сроки аварийных ситуаций на производстве и своевременное предотвращение или сокращение ущерба от техногенного загрязнения за счет быстрого реагирования.

Концепция информационных технологий автоматизированной системы контроля загрязнения атмосферы основана на требованиях к системам реального времени [4].

Автоматизированная система предназначена для проведения следующих операций:

непрерывного измерения приземной концентрации оксида углерода, оксида и диоксида азота, приземного озона, диоксида серы, турбулентных и метеорологических параметров атмосферы на стационарном пункте;

измерения концентраций указанных примесей в отдельных пробах воздуха, доставляемых к автоматизированной системе контроля загрязнения;

измерения концентраций вредных примесей в атмосфере при проведении маршрутных и подфакельных наблюдений во время комплексных, оперативных и эпизодических обследований атмосферы населенных пунктов;

автоматизации процессов измерений, сбора, хранения и обработки получаемой информации.

Измерительный комплекс автоматизированной системы контроля качества воздуха состоит из хемилюминесцентных

газоанализаторов озона (O3) «3-02П1», окислов азота (NOX) «Р-310» (ЗАО «ОПТЭК», Санкт-Петербург), электрохимического газоанализатора оксида углерода (CO) «Палладий-3» (ФГУП СПО «Аналитприбор») и флуоресцентного газоанализатора (SO2) «Mod. 8850 Monitor Labs».

Измерения и запись проводятся непрерывно с периодом квантования 1 с, объемом выборки до 250000 значений с последующим усреднением за 1 ч. Калибровка и установка нуля по каналам O3 и NOX осуществляется автоматически встроенными источниками микропотоков по командам процессора газоанализатора «Mod. 8850 Monitor Labs»(SO2), в ручном режиме — с помощью встроенного источника микропотока (SO2). Кроме того, эпизодически проводят контроль с помощью внешнего калибратора «Mod. 8500 Monitor Labs» (SO2, O3, NO2). Калибровку газоанализатора «Палладий-3» выполняют регулярно перед измерением при помощи поверочных газовых смесей.

Средства измерений и их основные технические характеристики приведены в таблице.

Средства измерений и их основные технические характеристики

В состав автоматизированной системы контроля загрязнения атмосферы также входит автономный акустический метеорологический комплекс АМК-3 [5] для автоматических измерений и регистрации мгновенных и средних значений основных метеорологических параметров атмосферы: температуры воздуха, скорости и направления горизонтального ветра, скорости вертикального ветра, относительной влажности воздуха, атмосферного давления. От комплекса в компьютер поступают мгновенные значения температуры воздуха и скорости ветра (по трем ортогональным направлениям), которые дополнительно подвергаются математической обработке с последующим оцениванием до 60 статистических и турбулентных параметров атмосферы. Отличительной особенностью метеокомплекса является использование ультразвукового метода измерений основных метеопараметров (скорости и направления ветра, температуры воздуха, влажности), что обеспечивает высокую точность и малую инерционность измерений, компактность измерительной системы.

Кроме того, в состав системы контроля дополнительно входят высокообъемные пробоотборники взвешенных частиц-аэрозолей и автономный солнечный фотометр. Высокообъемные пробоотборники TSP и PM-10 фирмы General Metal Works Inc. предназначены для отбора проб взвешенных частиц и мелкодисперсных аэрозолей с аэродинамическим диаметром, меньшим 10 мкм. Отбор проб осуществ-

ляется на фильтры двух типов «Whatman-41» и АФА-ХА, наиболее распространенные в практике для сбора атмосферного аэрозоля, с объемной скоростью потока 0,4—1,7 м3/мин, погрешностью ± 0,03 м3/мин, в диапазоне температур 0—45 °C.

Автономный солнечный фотометр SP-7 [6] предназначен для измерения аэрозольной оптической толщи в области спектра 0,3—4 мкм и общего влагосодержания атмосферы. В его состав входят многоволновой солнечный фотометр со встроенным микроконтроллером, система наведения и слежения за Солнцем, блок датчиков Солнца и метеорологических элементов, блок питания-управления.

Программное обеспечение и работа системы. Информационно-вычислительный комплекс на базе IBM PC совместимого компьютера включает в себя устройство ввода-вывода аналого-цифровой информации и программное обеспечение [7].

Cхема многоканального измерительного комплекса автоматизированной системы представлена на рис. 1. С аналоговых выходов газоанализаторов информация поступает через аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) L-154 в персональный компьютер IBM PC. Преобразователь L-154 является быстродействующим и надежным устройством для ввода-вывода аналоговой и цифровой информации в персональных IBM совместимых компьютерах.

На программное обеспечение системы возложены задачи, решаемые в реальном масштабе времени, как чисто технического (работа с аппаратурой), так и информационного характера. Программный продукт создан в БНЦ СО РАН и имеет Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ [7].

Программное обеспечение системы работает по следующему алгоритму.

1. Аналоговые сигналы с выходов газоанализаторов поступают на входы аналогового коммутатора АЦП, управление работой которого осуществляется программно по командам ЭВМ. Период дискретизации входных сигналов составляет 1 с и задается при помощи внешнего таймера, встроенного в АЦП.

2. Полученные данные с выхода АЦП заносятся в ОЗУ ЭВМ, где накапливаются до конца сеанса измерения.

3. По окончании сеанса данные, а также результаты их предварительной обработки записываются на жесткий диск ЭВМ в стандартизованной форме. Время одного сеанса составляет 1 ч.

Программа поддерживает два режима работы: одноразовый — измерения проводятся в течение заранее установленного интервала времени; многоразовый — начало каждого цикла измерений синхронизируется с началом очередного часа по встроенным в компьютер часам.

Для повышения информативности данные, вводимые в ЭВМ, отображаются в виде диаграмм на экране монитора в режиме реального времени. Для линейной аппроксимации калибровочных данных используют метод наименьших квадратов, что позволяет уменьшить влияние случайной составляющей погрешности на результаты измерений.

Все данные, необходимые для работы программы (количество и номера аналоговых каналов, период дискретизации, продолжительность и количество сеансов измерения, калибровочные данные и т. д.), содержатся в файлах ини

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком