Довідка про автора:

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

 Дан анализ работы и технические характеристики экоинформационной системы —пост экологического контроля автомобилей (ПЭКА).

 ЭКОИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ДИАГНОСТИЧЕСКОГО И ЭКОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ ПЭКА

 Постоянное  загрязнение окружающей среды отработавшими  газами ав­томобилей является одной из наиболее актуальных  экологических проблем требующих совместных, согласованных, международных усилий.  В Германии на 80 миллионов жителей зарегистрировано  свыше 40 млн. автомобилей. На  Украине эта цифра достигает 6-7 млн. и ежегодно увеличивается на 200-250 тысяч шт.  Всего же по дорогам мира колесит около 600 млн. автомобилей. Постоянное увеличение количества автомобилей приводит к прогрессирующим техногенным нагрузкам на окружающую среду.   

В  таблице 1 приведены данные  о количестве  токсичных компонентов, образующихся  при сгорании 1 кг топлива для усредненного легкового автомобиля  класса   “ Жигули”,  “Опель”, “Фиат” в зависимости  от типа двигателя — бензинового или дизельного.

Таблица 1

Количество токсичных компонентов, выделяемых при сгорании 1 кг 
топлива, г

Компонент

Вид топлива

 

Бензин

Дизельное топливо

Окись углерода     (СО)

465, 00 (378)

20,00

Окислы азота         (NO)

15,8 0 (21,2)

18,10

Углеводороды       (C H )

23,20 (14,5)

4,10

Альдегиды

0,93

0,78

Ангидрид серной кислоты

1,86

7,80

Сажа, г/ м 3

1,00

5

Свинец

0,5

                            В с е г о :

   508,99

     51,56

 По оценке исследователей различных стран именно выхлопные газы автомобилей дают до 70-80 % отдельных загрязнителей, есть данные  [     ], что 95 % концентрации СО в воздухе Нью-Йорка связано с выделением автотранспортных средств. Выбросы отработавших газов весьма неблагоприятно воздействуют на организм человека. О степени влияния вредных веществ на организм человека можно судить по данным, исследования, приведенным в таблице 2.

Таблица 2

Влияние концентрации вредных веществ на организм человека

Последствия и продолжительность воздействия

Содержание в воздухе, мг/м3

 

СО

SO2

NO2

Без заметного действия, несколько часов

115

65

15

Признаки легкого отравления или раздражение слизистых оболочек, через 2…4 ч

 

115-5

 

130

 

20

Возможно серьезное отравление, через 30 минут

230-3500

210-400

100

Опасно для жизни, при кратковременном воздействии

 

5700

 

1600

 

150

 Эффективно оценить экологическое состояние автомобиля можно только при условии объективного контроля состава отработавших газов инструментальными способами: газоанализаторами (ГА) и газоаналитическими комплексами, дымомерами (опасиметрами) и др.

Международное сообщество, учитывая серьезность проблемы токсичности автомобилей, разработало ряд международных стандартов — Правил Европейской Экономической Комиссии  (ЕЭК) ООН по транспорту, регламентирующих нормы выбросов различных типов автомобилей (легковых, дизельных, работающих на бензине, дизельном топливе и т.д.) методы  газового анализа,  процедуру измерений, требования к техническим параметрам газоанализаторов, метрологии. 

С учетом требований Правил 49 и 83 ЕЭК ООН, а также выработанных на их основе нормативов Евро-ІІ, III, IV в АО “Украналит” впервые в СНГ разработал газоаналитический комплекс — ПОСТ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ АВТОМОБИЛЕЙ (ПЭКА),  рис.1, соответствующий международным стандартам.  Пост предназначен для одновременного параллельного измерения концентрации СО, СnНm, NОх, (NО, NО2, NОх), есть возможность доукомплектации поста измерительными каналами СО2, О2  и  определения расчетной  величины  l  (соотношение воздух/топливо).

  

Рис. 1

ПЭКА построен  на основе трех уровней иерархического функционирования [ 2 ].

Первый уровень. Выполнение  измерений с помощью каждого из газоанализаторов: 344ХЛ14 (NОх ), 334КПИ1 (СnНm), 121ФА14 (СО) автономно и независимо один от другого. Все  газоанализаторы  имеют свою систему питания, фильтрации газовой про­бы,  цифровую индикацию результатов измерений.  Каждый газоанализатор  используется  для измерения  только “своего” газа.

Второй уровень.  Все газоанализаторы компонуются в передвижную стойку и работают через общий блок подготовки пробы. Результаты измерений фиксируются на индикаторе каждого ГА, а также передаются  и распечатываются на  принтере.

Третий уровень —  более полный функциональный вариант второго уровня за счет применения ПЭВМ. При этом  печатается не только протокол результатов измерений  нескольких видов, но и управления ПЭКА (выбор диапазонов и режимов работы, калибровка, самодиагностика и т.д.)  проводится архивация накопленной информации, определение погрешности измерений, формирование графического и табличного представления информации; определение максимальных и минимальных значений по каждому каналу измерений и т.п.

На рис. 2 представлена общая  функциональная схема  ПЭКА третьего уровня. В соответствии с требованиями Евро-ІІ, III, IV и Правилами 49.83 ЕЭК ООН газоанализаторы комплекса реализуют для измерений концентраций компонентов: инфракрасный абсорбционный метод — СО, пламенно-ионизационный — СnНm, хемилюминесцентный — NOx.

Рис. 2

Основные технические характеристики ПЭКА приведены в таблице 3.

Таблица 3

Тип ГА,

Измеряемый газ

Метод газового анализа

Инструмен-тальная погрешность измерения

Диапазон измерений

Вес,

Кг

Габариты,

Мм

121ФА14

оксид углерода (СО)

Инфракрасный абсорбционный

NDIR

± 3

0-0,5 %

0-1 %

0-5 %

0-1- %

12

450 х 400 х 200

344ХЛ14

оксид азота (NOx)

Хемилюминес-центный

GLD

± 3

0-100 ррm

0-500 ррm

0-2000 ррm

0-5000 ррm

NO2=0-200 ррm

12

450 х 400 х 200

334КПИ14

углеводороды (СnНm)

Пламенно-ионизационный

FID

± 3

0-200 ррm

0-500 ррm

0-1000 ррm

0-5000 ррm

12

450 х 400 х 200

 

Интерфейс

 

RS 232

 

 

 Инфракрасный метод  (NDI R - метод) основан на измерении величины послабления интенсивности потока  инфракрасного (ИК) излучения или поглощения его газовым компонентом при прохождении этого потока через анализируемую газовую смесь. Метод  инфракрасной спектроскопии является наиболее распространенным и селективным для определения концентрации окиси углерода (СО), углеводородов (СН), двуокиси углерода (СО2) в со­ставе сложных многокомпонентных газовых смесей и описывается законом Ламберта-Бугера-Бера:

 


где:   Фо — интенсивность светового потока;  Ф  — интенсивность светового потока после прохождения через слой газа;  l  — коэффициент поглощения;  с  — концентрация газа; 

е  — толщина слоя поглощения;  Д — оптическая плотность газа. Основным диапазоном анализа является инфракрасная область спектра с длиной волны до 15 мкм. Для выделения узких участков спектра, которые характерны СО, СО, СН применяют интерференционные оптические фильтры с минимальным коэффициентом поглощения, а также надежные источники инфракрасного излучения и приемники излучения с высокой чувствительностью. Структурная схема разработанного газоанализатора приведена на рис. 3 [ 3 ].

Рис. 3

Основой газоанализатора 124ФА01 является высокочувствительная схема первичного оптического преобразователя. Конструкция кюветы, имеющей два канала (рабочий и сравнительный) при использовании общей межканальной перегородки, обеспечивает наиболее высокую корреляционную связь между сравнительным и опорным сигналами. Используется один общий на две камеры источник инфракрасного излучения. Все эти конструктивные и технологические решения существенно снижают влияние внешних дестабилизирующих факторов — старение источника излучения, окружающую температуру, давление, влажность. Особо следует отметить применение специализированного концентратора потока излучений, повышающего селективность и чувствительность измерений. Наличие полос поглощения различной интенсивности позволяет выбрать оптимальные условия измерения и создать прибор с высокими селективными возможностями.

Пламенно-ионизационный метод (FID-метод) используется для измерения концентрации суммы углеводородов СН. Суть метода заключается в том, что газ, подлежащий анализу, направляется в водородное пламя. При температуре 2000 0С происходит диссоциация молекул углеводородов на СН-группы. Их окисление с освобождением электронов и положительных ионов СНО*. Если в зону водородного горения приложить электрическое поле, возникает ионизационный ток, пропорциональный количеству СН-групп в молекуле углеводородов. Пламенно-ионизационный преобразователь, принятый как стандартный для измерений суммарного количества углеводородов. К недостаткам метода FID, который используется в ПЭКА, можно отнести относительную сложность конструкции сенсора и необходимость создания трех газовых потоков (анализируемого газа, водорода и воздуха для горения), а также изменение выходного сигнала сенсора при колебаниях содержания кислорода в газе, который анализируется  [ 3, 4 ].

Хемилюминесцентный метод ( GLD –метод)  газового анализа используется для измерения концентраций NO. Принцип хемилюминесценции заключается в том, что вследствие реакции оксида азота (NO) с озоном (О3) образуется диоксид азота (NO2)  с определенной частью молекул (NO2*) в возбужденном состоянии, которые довольно быстро излучают инфракрасный квант, возвращаясь в нормальное положение:

 NO2 + О3 ® NO2*  + О2                  NO2* ® NO2 + hn

Данные исследований показали, что в процессе создания диоксида азота с помощью озона только около 10 % молекул диоксида азота находятся в возбужденном состоянии NO2*. При возвращении возбужденных молекул NO2* в нормальное состояние NO2 излучаются кванты hn с длиной волны 590-2500 н м в близкой инфракрасной области с максимальной интенсивностью около 1200 н.м. Интенсивность излучения, пропорциональная концентрации NO, воспринимается инфракрасным сенсором [ 5, 6 ].

Инструментальная погрешность измерений ± 3 % по каждому из газоанализаторов.

Отличительной особенностью ПЭКА является наличие микропроцессорной системы контроля и самодиагностики. Система обеспечивает ежедневный контроль герметичности прибора, введения автоматической поправки на атмосферное давление, информацию о времени, оставшемся до очередной метрологической аттестации, диагностики работоспособности основных электронных узлов прибора.

 Выводы

Разработанный  ПЭКА прошел Государственные испытания и успешно эксплуатируется в головном научном центре Минтранса Украины —ГосавтотрансНИИпроекте  при проведении сертификационных исследований отечественных и зарубежных автомобилей на соответствие экологическим требованиям Евро-ІІ, III, IV, а также при проведении научно-исследовательских и конструкторских работ  на других предприятиях Украины в сфере авто-  и моторостроения (“Укравтобуспром”, г. Львов; АвтоЗАЗ-Мотор, г. Мелитополь;  Завод им. Малышева, г. Харьков; “Мотор-Сич”, г. Запорожье).  С помощью ПЕКА возможно осуществление экологического контроля автомобилей украинских автоперевозчиков при поездках в Западную Европу.

 Литература

1. В.В.Абрацумян, В.Б.Носов, В.Г. Тагасов. Экологическая безопасность автомобильного     транспорта. М.; «Научтехлитиздат», 1999, с. 45.

2. Румбешта В.А., Примиский В.Ф. Технические схемы и метрологическое обеспечение измерения эмиссий. — Тезисы доклада Республиканского семинара: Стан та перспективи розвитку метрологічного забезпечення вимірювань складу та властивостей речовин. — Київ, 1999 р.

3. Богданов В.В., Морозов В.П., Примиский В.Ф, А.с. СССР № 1549315 “Оптический абсорбционный газоанализатор”, 1988.

4. Примиский В.Ф. Пламенно-ионизационный газоанализатор. Патент России № 2140648. Опубликовано 27.02.2000. Бюллетень № 6.

5. Приміський В.П. Хемілюмінесцентний газоаналізатор оксидів азоту. Патент України

    № 9825. Опубліковано 30.09.96. Бюллетень № 3.

6. Примиский В.Ф., Михальчевский В.Г., Цуканова Л.А. Хемилюминесцентныйгазоанализатор окислов азота. А.с. СССР № 1784883. Опубликовано 30.12.92. Бюллетень №48.