Довідка про авторів:

Дашковський Олександр Анастасійович народився в 1935р. в м. Київ. В 1957 р. закінчив Київський політехнічний інститут за спеціальністю “Котлобудування”, кандидат технічних наук. Автор понад 90 наукових праць і винаходів. Фахівець в галузі автоматизованих газоаналітичних систем. Голова правління, директор Українського НДІ аналітичного приладобудування ("Украналіт”)

Міхеєва Інна Леонідівна народилась в 1947р. в м. Київ. В 1972р. закінчила Київський політехнічний інститут за спеціальністю “Оптичні прилади”, кандидат технічних наук. Автор понад 70 наукових праць і винаходів. Фахівець в галузі  оптичних методів кількісного газового аналізу. Провідний науковий співробітник “Украналіт”

Приміський Владислав Пилипович народився в 1948р. в м.Конотоп Сумської області.  В 1972р. закінчив Київський політехнічний інститут за спеціальністю “Інформаційно-вимірювальна техніка”, кандидат технічних наук. Автор понад 120 наукових праць, з яких 70 винаходів. Заслужений винахідник України 1990р. Фахівець в галузі аналітичного приладобудування.  Завідуючий науковим відділом “Украналіт”

УДК 543.271.3

 Дашковський О.А., Міхеєва І.Л., Приміський В.П.

 ЕКОІНФОРМАЦІЙНІ, БАГАТОПАРАМЕТРОВІ ГАЗОАНАЛІТИЧНІ ПРИЛАДИ І СИСТЕМИ ЕКОЛОГІЧНОГО МОНІТОРИНГУ ДОВКІЛЛЯ 

Анотація - Проаналізовано стан і проблеми екологічного моніторингу навколишнього середовища на Україні. Обґрунтовано вибір методів вимірів, приведені приклади практичного застосування газоаналітичних приладів і систем.

Аннотация -  Проанализировано состояние и проблемы экологического мониторинга окружающей среды на Украине. Обоснован выбор методов измерений, приведены примеры практического применения газоаналитических приборов и систем.

Summary - Is analysed the condition and problems of ecological monitoring of an environment on Ukraine. Is proved the choice of methods of measurements , are given the examples of practical application of gas analytical  devices and systems .

Вступ

Екологічна безпека кожної держави є невід’ємною частиною її національної безпеки. Екологічна безпека складається з двох компонентів – природної та техногенної безпеки, які виступають у тісній взаємодії. Існуюча або прогнозована екологічна ситуація в державі повинна забезпечити нормальне функціонування природних і техногенних систем, збереження здоров’я населення і генофонду нації.

Порушення стабільного функціонування екосистем може призвести до їх критичного стану, а далі - надзвичайних ситуацій і екологічних катастроф. Суспільство повинно навчитись управляти цими процесами на різних рівнях: держави, регіону,  міста, галузі або окремого підприємства.

Для оцінки екологічного стану оточуючого довкілля потрібно, перш за все, одержувати інформацію про зміну всіх екологічних показників, що характеризують стан екосистем на певний час спостережень.

Існує велика кількість екологічних показників, які несуть інформацію про стан рослинного та тваринного світу, земельних і водних ресурсів, атмосфери з кліматичними ресурсами та інше.

Одержання достовірної екологічної інформації про динаміку зміни кожного компонента екосистеми є дуже важливою складовою в процесі прогнозування та прийняття рішень.

В Україні існує досить розгалужена система екологічного моніторингу стану навколишнього природного середовища. На рівні держави, регіонів та міст інформація про стан довкілля за певний період формується Міністерством екології та природних ресурсів України на основі даних базової мережі спостережень за забрудненням навколишнього природного середовища державної гідрометеорологічної служби.

Багаторічні   дані   базової   мережі   спостережень свідчать про  те, що довкілля     України    продовжує    зазнавати       великого         антропогенного навантаження     і залишається      ще досить    несприятливим     для здоров’я  людини [1].

Серед великої кількості екологічних показників дуже інформативними є показники забруднення атмосферного повітря, а саме:

обсяг викидів забрудників із стаціонарних джерел;

обсяг викидів забрудників із пересувних джерел;

середньорічний (середньодобовий) вміст забрудників в повітрі зон житлової забудови населених пунктів.

Саме за цими показниками і здійснюється екологічний моніторинг атмосферного повітря в Україні.

До найбільш поширених газових забрудників атмосферного повітря відносяться: диоксид сірки (SO2 ), оксиди азоту  (NO, NO2 ), оксид вуглецю (СО),   вуглеводні ( åCnHm ).

В табл. 1 наведені співвідношення викидів основних забрудників із стаціонарних джерел України за основними галузями економіки в 2000 р. [1].Таблиця 1

Галузь економіки

Загальні викиди, тис.т

Частка від загального викиду, %

Усі забрудники

SO2

NOx

CO

åCnHm

Паливно-енергетичний комплекс (ПЕК)

1389,4

35,1

74,6

58,2

5,4

О,7

Обробна промисловість

1429,2

36,1

16,3

30,3

71,9

13,2

Добувна промисловість

950,9

24,0

6,2

4,3

18,5

78,2

Інші галузі

189,9

4,8

1,9

7,2

4,2

7,9

Усі галузі економіки

3959,4

100,0

100,0

100,0

100,0

100,0

Загалом частка викидів забрудників в атмосферне повітря підприємствами трьох галузей економіки (див. табл. 1) становить 95,2 % від загального обсягу по країні.

Найбільша кількість викидів в атмосферу забрудників із стаціонарних джерел зафіксована на протязі останніх років в наступних містах України: Кривий Ріг, Маріуполь, Донецьк, Луганськ, Запоріжжя, Дніпродзержинськ, Макіївка, Дніпропетровськ.

Серед пересувних джерел найбільший забруднювач атмосферного повітря в Україні  -  автотранспорт. Саме останній дає до 80 % токсичних викидів в атмосферу великих міст. У 2000 р. автотранспортом України викинуто в атмосферне повітря 1949,2 тис. тон забрудників, що становить 33 % від загального обсягу викидів по країні. Понад 56 % оксиду вуглецю, 38 % вуглеводнів та 27 % оксидів азоту  від загальної для країни кількості цих речовин потрапляють в атмосферу внаслідок роботи автотранспорту.

Ефективно оцінити екологічний стан стаціонарних та пересувних джерел можливо тільки за умов об’єктивного контролю інструментальними засобами, а саме газоаналізаторами (ГА) і газоаналітичними комплексами.

Інструментальні методи аналізу забруднення атмосфери

В Українському НДІ аналітичного приладобудування (“Украналіт”) освоєні найсучасніші методи газового аналізу. На їхній основі створено серію автоматичних газоаналізаторів, які дозволяють здійснювати безперервний інструментальний контроль вмісту різних забрудників в аналізованих газових сумішах [2-9]. Інструментальні вимірювання все частіше витісняють традиційні хімічні методи аналізу.

Інфрачервоний абсорбційний метод  (NDIR-метод)   заснований на вимірюванні величини послаблення інтенсивності потоку інфрачервоного (ІЧ) випромінювання чи поглинання його  газовим компонентом при проходженні цього потоку крізь газову суміш, яка аналізується. Метод ІЧ-спектроскопії найбільш поширений для аналізу концентрацій  CO, CO2, SO2, NO, NO2, CH у складі багатокомпонентних газових сумішей [3].

Наявність вузьких смуг поглинання різної інтенсивності, які характерні для кожного аналізованого  компонента, дозволяє вибирати оптимальні умови вимірювання, а також розробляти прилади з високими селективними можливостями.

Хемілюмінесцентний метод (GLD-метод) газового аналізу  використовується   для контролю NO, NO2 в атмосферному повітрі, в відпрацьованих газах автомобілів.      Принцип хемілюмінесценції полягає в тому, що в наслідок реакції оксиду азоту NO з озоном О3 утворюється диоксид азоту NO2 з певною часткою молекул NO2* у збудженому стані.  Перехід молекул NO2* в основний стан супроводжується хемілюмінесцентним випромінюванням в  ІЧ - спектральному діапазоні:

NO + О3 ® NO2* + О2;   NO2* ® NO2 + hy

Інтенсивність хемілюмінесцентного випромінювання   є мірою концентрації NO в аналізованій газовій суміші.   Для цього методу харатерна дуже висока чутливість і селективність [5, 6].

Метод ультрафіолетової (УФ) молекулярної флуоресценції використовується для контролю SO2 в атмосферному повітрі.  Він заснований на збудженні молекул SO2 УФ випромінюванням з наступною реєстрацією інтенсивності флуоресцентного випромінювання, що виникає при переході молекул зі збудженого стану (SO2 *) в основний:

SO2 + hn = SO2 *;         SO2 * ® SO2 + hn.

 Інтенсивність флуоресцентного випромінювання є мірою концентрації SO2  в атмосферному повітрі. Для цього методу характерна дуже висока чутливість і селективність [2, 4].

Полум’яно-іонізаційний метод   (FID-метод) застосовується для виміру концентрації   суми вуглеводнів  (S CnHm) в газових сумішах.  Суть методу полягає в тому, що газ, який аналізується, направляється в водневе полум’я. При температурі 2000оС відбувається дисоціація молекул вуглеводнів на СН-групи, їх окислення з утворенням вільних електронів та позитивних іонів СНО*. Якщо до зони водневого горіння прикласти електричне поле, виникає іонізаційний струм, пропорційний кількості СН-груп в молекулі вуглеводню. Полум’яно-іонізаційний перетворювач прийнятий як стандартний для виміру сумарної кількості вуглеводнів. До недоліків методу FID можна віднести відносну складність конструкції сенсору та необхідність створення трьох газових потоків ( газу, який аналізується, водню і повітря для горіння), а також зміни вихідного сигналу сенсора при змінах вмісту кисню в газі, що аналізується [7].

Практичне застосування газоаналітичних приладів і системи екологічного моніторингу

            З урахуванням вимог Євро-II, III, IV, Правил 49.83 ЄЕК ООН в  “Украналіт”  вперше в СНД розроблено газоаналітичний комплекс -  пост екологічного контролю автомобілів (ПЕКА) ( рис.1), який відповідає міжнародним стандартам [10].

          Пост призначений для одночасного паралельного виміру концентрацій СО, CnHm, NO, NO2. Є можливість доукомплектування поста вимірювальними каналами CO2, O2 і визначення розрахункової величини l (співвідношення повітря/паливо”).

            ПЕКА побудований на основі трьох рівнів ієрархічного функціонування.

           Перший рівень. Здійснення вимірів за допомогою  кожного з газоаналізаторів: 344ХЛ14 (NOx), 334КПИ14  (CnHm), 121ФА14  (СО), автономно і незалежно один від одного.

Кожен з газоаналізаторів має свою систему

Рис.1 ПЕКА

 живлення, підготовки і очистки газової проби, цифрову індикацію результатів вимірів.

            Другий рівень.   Всі газоаналізатори компонуються в пересувну стійку, працюють через єдиний блок підготовки проби і окрім результату виміру на своєму індикаторі видають результат виміру на друкуючий міні-принтер.

            Третій рівень — більш повний функціональний варіант  другого рівня за рахунок підключенням ПЕОМ. При цьому друкується не тільки протокол результатів вимірів декількох видів, але й визначається алгоритм керування ПЕКА (вибір діапазонів і режимів роботи, калібрування, самодіагностування та інше).    За розробленим програмним забезпеченням  проводиться архівація накопичуваної інформації, визначення похибки вимірювань, формування графічного і табличного представлення інформації, визначення максимальних і мінімальних значень по кожному каналу вимірювань і т.і.

            На рис. 2 представлено загальну функціональну схему ПЕКА  третього рівня.

Рис. 2. Загальна функціональна схема ПЕКА   третього рівня.

             В відповідності з вимогами Євро і Правил ЄЕК ООН газоаналізатори комплексу реалізують для виміру концентрацій СО, SCnHm, NOx відповідно інфрачервоний абсорбційний метод (СО), полум’яно-іонізаційний (S CnHm), хемілюмінесцентний (NOx).

            Основні технічні данні ПЕКА наведені в табл. 2.

Таблиця 2

Тип ГА,

Вимірюваний компонент

Метод газового аналізу

Похибка вимірювання, %

Діапазон вимірювань

Маса,

кг

Габарити,

мм

121ФА14

оксид вуглецю

(СО)

Инфрачервоний абсорбційний

NDIR

± 3,0

0-0,5 %

0-1 %

0-5 %

0-1- %

12

450х400х200

344ХЛ14

оксиди азота (NOx)

Хемілюмінес-центний

GLD

± 3,0

0-100 ррm

0-500 ррm

0-2000 ррm

0-5000 ррm

12

450х400х200

334КПИ14

вуглеводні

(SСnНm)

Полум’яно-іонізаційний

FID

± 3,0

0-200 ррm

0-500 ррm

0-1000 ррm

0-5000 ррm

12

450х400х200

 

Інтерфейс

 

RS 232

 

 

                    ПЕКА пройшов державні випробування і з успіхом експлуатується в головному науковому центрі Мінтранса України – Державтотранс-НДІ проекті при проведенні сертифікаційних випробувань вітчизняних та закордонних автомобілів на   відповідність екологічним вимогам, а також на багатьох авто-мотопідприємствах  України (мм. Львів, Мелітополь, Харків, Запоріжжя).

  НДІ  “Украналіт” розробив і впровадив в промислову експлуатацію на  заводі  “Енергія” з утилізації твердих побутових відходів, дворівневу систему екологічного моніторингу  і оптимізації процесів горіння з використанням новітніх досягнень в області високих технологій сенсорики і комп’ютерної обробки інформації (див. рис.3). Завод працює в  Києві більше 20 років. Він щодня спалює продукти життєдіяльності міста. Спалювання сміття відбувається в 4 котлах, які працюють цілодобово і споживають великі обсяги енергоносіїв (газу). Внаслідок цього в довкілля викидається значна кількість шкідливих газів: СО, SO2, NO, NO2, CnHm,  пил [11].

Рис.3 Функціональна схема системи екологічного моніторингу  і оптимізації процесів горіння, впровадженої на заводі “Енергія” (на схемі   зображено один з чотирьох котлів).

 Перший рівень системи являє собою чотири комплекти газоаналітичних  технологічних комплексів ТК-1 на кожному з 4-х котлоагрегатів. Кожен комплекс складається з високочутливого газоаналізатора 151 ЭХ02 (рис. 4), що  вимірює концентрацію кисню, (О2) у зоні виходу продуктів горіння кожного котла. Окрім того, до складу комплексу входить багатоканальний газоаналізатор 325 ФА01 (рис. 5),  що вимірює оксид вуглецю (СО), диоксид вуглецю (СО2) і метан (СН4).

Особливістю газоаналізатора 325 ФА01 є оригінальна оптична схема [3] із застосуванням нульового (опорного) каналу, ефективна схема пробовідбору  і очистки високотемпературної  забрудненої газової проби [12], надійність, автоматична самодіагностика, резервування основних функцій роботи. Прилади розміщені в спеціально обладнаній герметичній шафі з автоматизованою системою терморегуляції.  Шафа кріпиться до зовнішньої стінки котлоагрегата ( рис.6).

Високотемпературний зонд газоаналізатора 151 ЭХ02 через фланець у стінці вводиться безпосередньо в камеру згоряння сміття. На торці зонда знаходиться цирконієвий сенсор-датчик (ZiО2), здатний працювати і проводити виміри О2 в зоні високих температур ~ 600 °С. Конструктивні вирішення приладу дозволяють виключити складні пристрої пробовідбору і пробопідготоки та забезпечують довгостроковий режим експлуатації в екстремальних умовах.

Рис.4 Газоаналізатор 151 ЭХ02

Рис. 5 Газоаналізатор 325 ФА01

Контроль кисню в енергетичних установках, що спалюють різні види палива, визначається необхідністю забезпечення оптимального співвідношення паливо/повітря в процесі горіння. Якщо згоряння повне, то його продукти складаються тільки з інертних компонентів,  тобто не здатних до подальшого окислювання газів. Це, як правило — водяний пар, диоксид вуглецю (СО2)  і надлишок кисню повітря. Присутність СО в відхідних газах, викликає дуже великі втрати енергоносіїв з хімічним недопалюванням.

Рис.6 ТК-1, встановлений біля котлоагрегату

з всіх елементів, що мають здатність вступати в хімічні реакції з киснем, найбільш важливим є вуглець, що входить  як основна складова в усі види палива.         

          При цьому кожен кілограм вуглецю виділяє при спалюванні 34000 кДж.

При недостатності кисню окислювання вуглецю є неповним і кінцевим продуктом буде оксид вуглецю СО. Таким чином, наявність оксиду вуглецю в димових газах говорить про неефективність використання енергоресурсів

(Н ~ 600 кДж).  Якщо процес спалювання не відповідає оптимальним технологічним умовам, то в продуктах згоряння з'являються горючі компоненти — оксид вуглецю СО, водень Н2,  метан СН4. Усі ці гази присутні в димових газах і викидаються в атмосферу.

Газоаналізатор 325 ФА01 автоматично вимірює концентрацію СО, СО2, СН4 на вихідному газоході кожного з котлоагрегатів.

Інформаційні сигнали поступають на електронний блок з цифровим табло, який встановлено всередині шафи, і одночасно передаються на комп'ютер у диспетчерську.

Таким чином комплекс ТК-1 дозволяє в реальному часі вимірювати склад газів і корегувати співвідношення повітря/паливо для оптимізації процесів горіння і зменшення токсичних викидів в атмосферу.

Основні технічні характеристики комплексу ТК-1 наведені в таблиці 3.

Таблиця 3

Тип ГА,

вимірюваний компонент

Метод газового аналізу

Похибка вимірювання, %

Діапазон вимірювань

325 ФА01:

 

Инфрачервоний абсорбційний

 

 

 

оксид вуглецю (СО)

± 3,0

0…0,4 %

диоксид вуглецю (СО2)

± 3,0

0...15,0 %

метан (СН4)

± 3,0

0...2,0 г/м3

151 ЭХ02, кисень (О2)

Електрохімічний метод

± 3,0

0...21,0 %

Другий рівень системи являє собою екологічний комплекс ЕК-1, який  встановлено на вихідних газоходах, після пилових електрофільтрів (рис 7).

Основу комплексу складає газоаналізатор “СПЕКТР-4”, в якому впроваджена багатоходова оптична кювета для виміру концентрації оксиду вуглецю (СО), диоксиду сірки (SO2), оксидів азоту ( NOх) у широкому діапазоні вимірюваних концентрацій. Така оптична схема дозволяє досягти високої чутливості і незначної похибки вимірювань, реалізувати принцип багатоканальності вимірів концентрацій газів в одному приладі.

Рис.7. ЕК-1, встановлений біля димової труби

 

 Прилади також розміщені в спеціально обладнаних  термостатованих  шафах, які знаходяться на відкритій площадці, на виході газоходів  кожного з котлоагрегатів, за межами виробничого корпуса. Вимірювальна інформація передається в диспетчерську на екран монітора комп’ютера по кабелю на відстань до  1000 м.

Основні технічні характеристики  комплексу ЕК-1 наведені в таблиці 4.

Таблиця 4

Тип ГА,

вимірюваний газ

Метод газового аналізу

Похибка вимірювання, %

Діапазон вимірювань,

г/м3

СПЕКТР 4

 

Инфрачервоний абсорбційний

 

 

 

оксид вуглецю (СО)

± 10,0

0…0,4

оксид азоту (NO)

± 10,0

0...5,0

Диоксид азоту (NO2)

± 10,0

0…0,6

Диоксид сірки (SO2)

± 10,0

0…0,5

         Комплекси ТК-1 і ЕК-1 розроблені із застосуванням сучасних комп’ютерних і програмних засобів передачі, збору, обробки і представлення вимірювальної інформації безпосередньо в операторську управління технологічними процесами котлоагрегатів.

            Розроблене прикладне програмне забезпечення комплексів ТК-1 і ЕК-1 забезпечує реалізацію ефективних алгоритмів обробки вимірювальної інформації, а оптимальний інтерфейс користувача дає оператору просту і гнучку процедуру вибору режимів представлення, архівації і реєстрації поточної інформації.

У комплексі ТК-1 реалізована  система з двома ступенями системного інтерфейсу управління потоками цілодобового збору та передачі вимірювальної інформації.

            На рівні  збору інформації автономний контролер прийому інформації від газоаналізаторів  325 ФА01 і 151 ЭХ02 здійснюється через стандартний інтерфейс RS-232.  Програмне забезпечення контролера розроблено з використанням сучасних алгоритмів підвищення вірогідності вимірювальної інформації, яка приймається за рахунок:

багаторазового опитування газоаналізаторів;

перевірки контрольних сум;

коректного (без втрати інформації) виходу контролера у нормальний режим роботи при збійних ситуаціях, які хоча і з малою вірогідністю, але можливі при підвищених рівнях індустріальних завад.

На рівні обміну інформацією між контролером та системним комп’ютером диспетчерського центру підприємства, який може бути віддалений від газоаналітичних систем на відстань від 300 до 1000 м,  застосовано інтерфейс RS-485, який працює на гальванічно розв’язану комунікаційну двохпровідну лінію зв’язку. Це забезпечує підвищений захист від перешкод каналу зв’язку за рахунок заглушення синфазних перешкод на рівні не менше, ніж 140 діб, а також спрощує об’єднання окремих газоаналітичних систем, які підключаються безпосередньо до двохпровідної лінії через інтерфейс RS-485.

Для зниження випадкових складових  похибок вимірювання  газових компонентів, у комплексі ТК-1 реалізовані дві  програми алгоритмів обробки вимірювальної інформації.

В першому програмному алгоритмі безпосередньо в самих газоаналізаторах 325 ФА01 і 151 ЭХ02, за допомогою вбудованих мікропроцесорів, здійснюється статистична обробка вимірювальних вихідних сигналів , з урахуванням реальних функцій  розподілу випадкових складових результатів вимірів та їх кореляційних залежностей. Для компенсації впливу неінформативних параметрів (температури, тиску та ін.) концентрація кожного газу, який аналізується, обчислюється як значення функції багатьох змінних, тобто:

Ci = fi (Ui, T, P,...)

де:  Сі  — концентрація і-го газу;

      Uі — вимірювальний сигнал на виході і-го вимірювального каналу;

       Т — температура навколишнього середовища;

       Р — атмосферний тиск.

В другому програмному алгоритмі, на рівні системного комп’ютера, на який передається вимірювальна інформація з усіх чотирьох ТК-1 ( 16 каналів вимірювання), виконується додаткова статистична обробка вимірювальної інформації.

В основу алгоритму статистичної обробки інформації покладено принцип цифрової фільтрації достатньої виборки вимірювань з адаптивною зміною параметрів фільтрації в залежності від динаміки процесу горіння та необхідного часового інтервалу оновлення інформації на моніторі комп’ютера.

Відображення вимірювальної інформації на моніторі комп’ютера у вигляді таблиці, графіка, цифр супроводжується представленням мінімізованого обсягу параметрів контролю вимірювального процесу, що спрощує процедуру сервісних і профілактичних операцій обслуговування системи в процесі експлуатації (калібрування, очищення фільтрів пробовідбірних пристроїв і т.п.).

Крім ТК-1 і ЕК-1 до складу системи входить переносний оптичний вимірювач концентрації пилу ІКВЧ, який дозволяє вимірювати запилювання (миттєві значення масової концентрації зважених часток  у газах, що відходять, у діапазоні від 0  до 1,0  г/м3).

Таким чином, вперше реалізовано цілодобовий безперервний моніторинг  як за газовим середовищем у технологічних процесах,  так і за екологічними викидами токсичних газів в атмосферу при спалюванні сміття. Впровадження системи дозволило оптимізувати процес горіння, знизити витрати палива, зменшити викиди токсичних газів на 10-15 %, збільшити кількість сміття, що спалюється на питому одиницю палива. Комп’ютерна обробка вимірювальної інформації дозволила архівірувати результати вимірів і тим самим відслідковувати відхилення від технологічного процесу за результатами газоаналітичного контролю.

Усі прилади, що входять у багаторівневу систему екологічного моніторингу ТК-1 і  ЕК-1 пройшли метрологічну атестацію і сертифіковані Держстандартом України.

            При незначних доробках система, що складається з комплексів ТК-1 і ЕК-1, може бути впроваджена на об'єктах енергетики – ТЕЦ, котельних, бойлерних, у технологічних процесах, зв'язаних з горінням різного палива.

При застосуванні ТК-1 і ЕК-1 підвищується к.к.д. котлоагрегата різної потужності, знижується вартість комплексних еколого-технологічних і ремонтно-налагоджувальних робіт, гарантується максимальне енерго- і ресурсозбереження,  зменшуються шкідливі викиди в атмосферу.

В НДІ “Украналіт”  розроблена стаціонарна автоматична станція контролю забруднення атмосфери (АСКЗА) (див. рис.8, табл.5), яка призначена для здійснення безперервного довготривалого спостереження за станом атмосфери в населених пунктах та санітарно-захисних зонах промислових підприємств  [ 13 ].

Станція АСКЗА являє собою складний інженерно-технічний комплекс і складається із системи життєзабезпечення, комплекса метеодатчиків, газоаналітичного обладнання і пристрою збору і обробки інформації (ПЗОІ)  

Рис.8. АСКЗА

 Система життєзабезпечення включає в себе: павільйон із зовнішніми установками;  систему електропостачання і штучного освітлення; систему опалювання,  кондиціонування і вентиляції; систему забору і виведення повітря, що аналізується;  систему охоронної і пожежної сигналізації.

Комплекс метеодатчиків включає в себе вимірювачі напрямку і швидкості вітру, температури, тиску, вологості атмосферного повітря.

 Таблиця 5 

Вимірюваний компонент

Діапазон вимірювань

Похибка вимірювання

напрямок вітру, град

0...360

± 10,0

швидкість вітру, м

1,5...60

± 0,5

відносна вологість повітря, %

12...98

± 3,0

температура повітря, oС

-40. ..  +50

± 0,5

тиск, кПа

86,6...106,7

± 0,75

діоксид сірки,  %

0...1,0

± 15,0

оксид і діоксид азоту, %

0...10,0

± 15,0

вуглеводні  (за винятком  метану), %

0...20...200...2000

± 15,0

оксид вуглецю, %

0...20

± 15,0

озон, %

0...1,0

± 15,0

аміак, %

0...5,0

± 15,0

сірководень, %

0...0,5

± 15,0

пил, %

0...3,0...10,0...30,0

± 20,0

Потужність, яка споживається  -   не більш  3 кВА                                                                              

Габаритні розміри  -не більш    2200 х 2700 х 3000 мм

ПЗОІ складається з центрального мікропроцесорного пристрою, пристроїв введення сигналів датчиків, апаратури передачі даних і виконує такі функції:

- безперервно (з усередненням за 1 хв.) опитує газоаналізатори і метеодатчики і формує початкове інформаційне слово для зберігання в базі даних;

- усереднює отриману інформацію за 20 хв. і зберігає її в енергонезалежній пам'яті;

- здійснює прийом керуючої інформації і передачу даних по стандартним телефонним лініям зв'язку;

- стежить за сигналами охоронної і пожежної сигналізації і передає повідомлення в диспетчерський пункт у разі перевищення температури в станції або у разі несанкціонованого відкриття вхідних дверей.

Основа станції -  газоаналітична система, яка складається з автоматичних газоаналізаторів з уніфікованими вихідними сигналами. Набір газоаналізаторів визначає конфігурацію аналітичної системи і залежить від переліку компонентів, які аналізуються.

Структурна схема АСКЗА, яка з¢єднана міською телефонною лінією зв'язку з диспетчерським пунктом, показана на рис. 9

 Рис.9.  Структурна схема АСКЗА

 Газоаналізатори, що входять в систему повинні забезпечувати чутливість на рівні частки гранично припустимих концентрацій (ГПК) компонента, що вимірюється,  забезпечувати вибіркове вимірювання на фоні компонентів, що не вимірюються, забезпечувати стабільність при роботі без обслуговування в автоматичному режимі протягом тривалого часу.

Технічні характеристики базового комплекту газоаналізаторів, якими комплектується АСКЗА  наведені в табл.6.

 ГА виконані на базі спеціалізованого МПП ядром якого є однокристальний мікроконтролер. Програма роботи ГА повністю записана у внутрішньому ППЗП, а стек і змінний стан системи – у внутрішньому ОЗП  мікроконтролера. При цьому МПП найменше зазнає впливу  електромагнітних полів. В ГА застосовано апаратний сторожовий таймер (watch dog), що забезпечує автоматичний перезапуск системи після збою [9].

         Особливий підхід до розробки програмного забезпечення, так зване “програмування кероване подіями”,  зробив програму нечутливою до перезапуску процесора в будь-який момент часу.

         Крім цього, надійність і безвідмовність роботи електронного модуля в цілому досягається за рахунок  застосування елементів з низьким споживанням,  і відповідно малонавантажених елементів,  великого “запасу міцності” елементів силової електроніки,  мінімізації числа роз‘ємів.

 Максимально, наскільки це можливо, використано цифрові методи обробки сигналу з огляду на  їхню явну перевагу над аналоговими.  Там, де без аналогових схем не обійтися, застосована найсучасніша елементна база провідних світових виробників. Схемотехніка  проста, але ретельно продумана. Особливо варто підкреслити застосування АЦП інтегруючого типу (дельта-сигма) для перетворення сигналів, які повільно змінюються (температур), щоб забезпечити високу точність навіть в умовах сильних завад.

Таблиця 6

Тип ГА,

Вимірюваний газ

Метод газового аналізу

Похибка вимірювання, %

Діапазон вимірювань,

мг3

Маса,

кг

Габарити,

мм

667 ФФ05,

диоксид сірки

(SO2)

Флуоресцентний

± 15,0

0-1

поріг

0,001

9

400x330x200

645 ХЛ10

оксиди азота (NO, NO2)

Хемілюмінес-центний

 

± 15,0

0-10

поріг

0,001

10

400x330x200

621 ЕХ07

оксид вуглецю

(СО)

Електрохімічний

± 15,0

0-20

поріг

0,1

3

240х240х160

623 КПИ05

вуглеводні

(SСnНm)

Полум’яно-іонізаційний

 

± 15,0

0-20

0-200

0-2000

поріг

0,1

4,6

240x200x120

 

З наведених даних видно, що забезпечення широкого комплексу технічних і метрологічних характеристик нерозривно пов'язане з експлуатаційними характеристиками. До них відносяться: габарити, вага, споживана потужність, надійність, простота і зручність в експлуатації, ергономічні і естетичні показники і т.і. Велике значення сьогодні має вартість станції. Тому при створенні нових станцій основною задачею є пошук таких рішень, які дозволять отримати якісно нові експлуатаційні характеристики, знизити її вартість.

Висновки

Розробка і застосування сучасних компютеризованих засобів інструментального контролю ( газоаналізаторів, газоаналітичних систем і комлексів, екологічних постів) довкілля дозволяє поетапно вирішити проблему створення загальнодержавної автоматизованої системи обробки даних моніторингу природного середовища. Система створюється за структурованим принципом: підприємство – місто – регіон – держава.

Описані вище системи діють поки, що на першому рівні – підприємство. Але в місті Києві вже створюються елементи системи другого регіонального рівня. Основою всіх цих багаторівневих систем є прилади екологічного контролю, комп’ютерні технології обробки результатів вимірів, телекомунікаційні мережі передачі даних. Все це потребує об’єднаних зусиль фахівців різноманітних спеціальностей і підтримки суспільства і держави. 

        Література

           1. Національна доповідь про стан навколишнього середовища в Україні у 2000 р. / Міністерствово екології та природних ресурсів України; Відп. за вип. О. Величко; Уклад. В. Романчук. — К., 2001. — 184 с.

 2. Михеева И.Л., Стефаняк В.В., Миляев В.Б. Основы флуоресцентного метода анализа сернистого газа в атмосферном воздухе. // Труды ГГО, Ленинград, Гидрометеоиздат. - 1982, вып 464.  –с.74-82

 3. А.с. СССР № 1549315. Оптический абсорбционный газоанализатор/Богданов В.В., Морозов В.П., Примиский В.Ф. //Бюл. изобр. № 4  - 1989.

А.с.СССР  1700449. Флуоресцентный газоанализатор / Михеева И.Л., Сухотерин С.В., Гаврин М.В., Филиппов В.П.//   Бюл.изобр. №47  - 1991г.

           5. А.с. СССР № 1784883. Хемилюминесцентный газоанализатор окислов азота. / Примиский В.Ф., Михальчевский В.Г., Цуканова Л.А. // Бюл. изобр. №48 – 1992 г.

          6.  Патент України     № 9825.  Хемілюмінесцентний газоаналізатор оксидів азоту. /Приміський В.П.//   Бюл. винах. № 3 – 1996 р.Патент России № 2140648.  Пламенно-ионизационный газоанализатор./ Примиский В.Ф.// Бюл. изобр. № 6 – 2000 г.

  8. Міхеєва І.Л. Флуоресцентний газоаналізатор діоксиду сірки (SO2) у атмосферному повітрі. // Методи та прилади контролю якості. - Івано-Франківськ, 2002 р. - № 9. - с. 68-71.

  9. Михеева И.Л., Куринный В.К., Таякин В.Ю., Мазыра Л.Д. Автоматические газоанализаторы загрязнения атмосферного воздуха.  Технология и конструирование в электронной аппаратуре. –  2003 г.- № 1- С.28-31.

 10. Приміський В.П. Багатопараметровий газоаналітичний комплекс емісії автомобілів. // Автошляховик України. –К. – 2000. - №2. –С.28 – 29.

 11. Приміський В.П. Багатопараметровий газоаналітичний комплекс для оптимізації процесу горіння і екологічного моніторингу сміттєспалювального виробництва. Вісник НТУУ “КПІ”. ПРИЛАДОБУДУВАННЯ. – 2002. –Вип. 24 –С. 93- 98.

              12. Патент України 27683. Багатоточкова система відбору газових проб./ Михальчевський В.Г., Приміський В.П., Ровенський А.Я., Цуканова Л.А.// Бюл. винах. № 4 — 2000 р.

              13. Дашковский А.А., Рыжков В.Ф. Автоматические станции контроля загрязнения атмосферы в экологическом мониторинге Украины // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. –  2003.- № 1- С.10-12.