Представлен аппаратно-программный комплекс для контроля содержания аэрозольных и газовых примесей в приземном слое атмосферы, ее метеорологических и турбулентных характеристик. Описан состав и функциональная схема комплекса, структура программного пакета по систематизации и обработке данных автоматизированной системы контроля качества воздуха. Разработанный комплекс позволяет проводить мониторинг содержания веществ, загрязняющих атмосферу, на стационарном пункте при маршрутных и подфа-кельных наблюдениях.
Ключевые слова: аппаратно-программный комплекс, контроль атмосферных примесей, газоанализаторы, аэрозоль, приземный озон.
The hardware and software complex for control of the content of aerosolic and gaseous impurities in the ground atmosphere, its meteorological and turbulent characteristics is presented. The composition and functional scheme of complex, structure of software for the systematization and data processing of automated air quality monitoring system are considered. This complex allows to carry out the monitoring of the atmospheric impurities content at stationary point, at the routing and flare measurements.
Key words: hardware-software complex, control of the atmospheric impurities, gas analyzer, database, aerosol, surface ozone.
Исследование характеристик примесей является одной из центральных задач современной физики и химии атмосферы. Процессы формирования химического состава, пространственно-временной изменчивости аэрозольных и газовых примесей в приземном слое атмосферы определяются сложным взаимодействием природных и антропогенных источников поступления примесей. В последние десятилетия происходит интенсивное насыщение атмосферы газообразными и аэрозольными примесями от промышленных источников и автотранспорта. Значительное антропогенное воздействие малых газовых составляющих атмосферы на состояние окружающей среды как в региональном, так и в глобальном масштабах, обусловливает необходимость систематических наблюдений за их содержанием в атмосфере, особенно в ее нижнем приземном слое [1—3]. Контроль загрязнения воздуха в населенных пунктах предполагает регулярные и эпизодические обследования на стационарных, маршрутных и передвижных постах наблюдений [4].
При сложившейся организации государственной системы мониторинга сети Гидрометслужбы России данные о концентрациях загрязняющих веществ имеют, в лучшем случае, суточную задержку. Такая система мониторинга, в целом, уже не удовлетворяет современным потребностям государства в информации о состоянии окружающей природной среды. Экологическую безопасность населения невозможно обеспечить без оперативного выявления высоких уровней концентраций различных примесей, а также аварийных выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. При возникновении
621.3.089
Аппаратно-программный комплекс для контроля содержания атмосферных примесей
А. С. ЗАЯХАНОВ, Г. С. ЖАМСУЕВА, В. В. ЦЫДЫПОВ
Институт физического материаловедения СО РАН, Улан-Удэ, Россия, e-mail: Lrf@ipms.bscnet.ru
подобных ситуаций для принятия своевременных мер по ликвидации отрицательных последствий соответствующими органами власти контроль за качеством воздуха должен проводиться в реальном масштабе времени. Решить этот жизненно важный вопрос возможно только с помощью внедрения оперативной автоматизированной системы контроля состава атмосферы.
В настоящее время во многих городах РФ активно внедряются автоматизированные системы мониторинга атмосферы для получения достоверной информации о загрязнении при решении задач и организации мероприятий по охране окружающей среды [5—8]. Характерной особенностью существующих автоматизированных систем является их узкая целевая направленность. Данные системы применяют для мониторинга загрязнения атмосферы, промышленных и природных объектов или в научных целях для исследования климатических изменений. В связи с этим актуально создание гибкой автоматизированной системы, позволяющей одновременно решать вышеперечисленные задачи.
Экологическая оценка атмосферы, основанная на новых методах комплексных экспериментальных исследований содержания в ней примесей, требует привлечения современных средств дистанционного и локального контроля, результатом работы которых является огромный массив данных. Его необходимо систематизировать и обрабатывать с помощью специализированного программного обеспечения (ПО). В связи с этим актуальной задачей является разработка измерительного комплекса (ИК), способного работать как в стационаром, так и в передвижном режиме. Такой комп-
леке должен включать современные эффективные измерительные средства, позволяющие расширить контроль качества воздуха на производственных и природных объектах, интерфейс, понятный пользователю без специальной подготовки, а также осуществлять поддержку баз данных для реализации распределенного доступа и обработки большого объема информации, получаемой в результате работы ИК.
В данной статье описан аппаратно-программный комплекс (АПК) для контроля содержания аэрозольных, газовых примесей в приземном слое атмосферы, ее метеорологических и турбулентных характеристик. Отличием данного АПК по сравнению с автоматизированными системами мониторинга атмосферного воздуха, уже применяемыми в РФ, является включение в его состав средств дистанционного зондирования (фотометра, аэрозольного лидара) и диффузионного спектрометра аэрозолей, которые позволяют проводить многоуровневые и разномасштабные натурные наблюдения, в том числе для контроля смоговых ситуаций.
Состав автоматизированной системы контроля качества воздуха (АСККВ). Для исследования состава и свойств атмосферы в Институте физического материаловедения СО РАН разработана и используется расширенная АСККВ [9]. В ее состав входит следующее оборудование, состоящее из четырех функциональных групп.
1. Газоаналитический блок включает газоанализаторы приземного озона 3.02 П-А, оксидов азота Р-310, диоксида серы С-310А, диоксида углерода ОПТОГАЗ 500.4 производства ЗАО «ОПТЭК» (С.-Петербург), оксида углерода Палла-дий-3 производства «Аналитприбор» (Смоленск).
Газоанализаторы 3.02 П-А, Р-310, С-310А используют хемилюминесцентный метод измерения массовой концентрации компонентов, ОПТОГАЗ 500 — оптический, Палла-дий-3 — электрохимический метод.
Газоаналитический блок также содержит комплект средств метрологического обеспечения: стандартные образцы состава в баллонах под давлением, аттестованные источники микропотоков, калибратор «Mod. 8500 Monitor Labs.» для калибровки газоанализаторов С-310А, Р-310, 3.02 П-А. По результатам испытаний, проведенных Центром лабораторного анализа и технических измерений по Сибирскому федеральному округу установлено, что работа газоаналитического блока соответствует требованиям стандарта [10] и Федерального закона РФ от 26 июня 2008 г. № 102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений».
2. Метеорологический блок состоит из автономных ультразвуковых метеорологических станций в стационарном, двухуровневом и переносном вариантах.
Автоматизированный метеорологический комплекс (АМК) [11], разработанный Институтом мониторинга климато-эко-логических систем СО РАН (Томск), предназначен 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. Отличительной особенностью метеокомплекса является использование ультразвукового метода измерений основных ме-
теопараметров, что обеспечивает высокую точность и малую инерционность измерений, компактность измерительной системы [12]. В отличие от метеорологических приборов, используемых на обычных метеостанциях, приборы комплекса имеют более высокую чувствительность и точность, меньшую инерционность, что обеспечивает необходимое для расчета переноса загрязнений качество входных данных. Акустический анемометр в составе комплекса позволяет определять параметры турбулентности.
По стандарту [13] АМК является информационно-измерительной системой и находит широкое применение в метеорологии, производственном контроле в области охраны окружающей среды (экологическом мониторинге), а также научных исследованиях в области физики атмосферы.
3. Аэрозольный блок состоит из диффузионного спектрометра аэрозолей (ДСА) разработки Института химической кинетики и горения СО РАН (г. Новосибирск), предназначенный для измерения дисперсного состава и концентрации высокодисперсных аэрозолей естественного и антропогенного происхождения [14, 15]. Диапазон измеряемых диаметров частиц 3—200 нм, диапазон концентраций, измеряемых без разбавления, менее 5105 см-3, объемный расход анализируемого аэрозоля 0,06 м3/ч. Применяемый в составе АСККВ прибор ДСА модифицирован дополнительным счетчиком аэрозольных частиц ПК.ГТА-0,3-002. Диапазон измеряемых диаметров частиц 300—1000 нм и выше, диапазон концентраций, измеряемых без разбавления, 102—3105 см-3, объемный расход анализируемого аэрозоля 0,048 м3/ч.
Для контроля содержания аэрозоля в атмосфере в состав аэрозольного блока также включены высокообъемные пробоотборники взвешенных частиц (TSP), частиц диаметром менее 10 мкм (PM-10) (General Metal Works (GMW) Model GL2000/H TSP Monitor, GMW IP-10 PM10 Monitor [16] и аэрозольный сканирующий лидар «Лоза-М2» [17].
4. Фотометрический блок включает солнечный фотометр SP-7 разработки Института оптики атмосферы СО РАН (Томск) [18], который применяется для круглогодичных измерений солнечной радиации в различных участках спектра ультрафиолетовый, аэрозольной оптической толщины атмосферы, общего содержания водяного пара и озона. В состав солнечного фотометра SP-7 входят следующие основные узлы и блоки: многоволновый солнечный фотометр со встроенным микроконтроллером; система наведения и слежения за Солнцем; блок датчиков Солнца и метеорологических элементов; блок питания-управления и персональный компьютер.
Метрологическое обслуживание АСККВ проводится ежедневно и представляет собой комплекс организационных и технических мероприятий, нап
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.