УДК621.3.078 
     

  ПЕРВИННІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ КОНЦЕНТРАЦІЇ ТОКСИЧНИХ ГАЗІВ   

   У ПОВІТРІ ВЗДОВЖ   АВТОМАГІСТРАЛЕЙ   НАСЕЛЕНИХ ПУНКТІВ

 

Дев’ятко Г.О., Лацис С.А., Леміш Л.В., Орлов М.О.,Подольський В.Я.

АТ "Украналіт", м. Київ, Україна

 

Розглянуто результати створення і впровадження первинних перетворювачів (ПП) концентрації токсичних газів у повітрі вздовж автомагістралей населених пунктів.        

 Вступ

За останні роки значно збільшилась кількість автотранспортних засобів на магістралях міст і населених пунктів. За підрахунками фахівців по вулицях м. Києва щодня проїжджає майже 550 тисяч київських автомобілів і 150 тисяч транзитних [1]. Інтенсивність руху на різних вулицях міста багаторазово збільшилась і  у середньому складає від 5 до 25 тисяч автомобілів за добу.  По самих інтенсивних магістралях міста проходить від 25 до 50 тисяч транспортних засобів за добу [1]. Таким чином, забруднення повітря у великих населених пунктах України на 80% обумовлено викидами автотранспортних засобів.

Як відомо, відпрацьовані гази автомобільного транспорту містять шкідливі речовини, що негативно впливають на стан здоров'я людей і навколишнє середовище. Найбільш небезпечними речовинами відпрацьованих газів автомобілів є оксид вуглецю (СО),  діоксиди азоту (NO2) і сірки (SO2). 

Для здійснення постійного контролю забруднення повітря була створена система екологічного  моніторингу повітря уздовж автомагістралей населених пунктів. Система передбачає об'єднання в єдиний комплекс ПП хімічних забруднень, комплектів апаратури ПП хімічних забруднень, уніфікованих дорожніх контролерів, центрального керуючого пункту автоматизованої системи керування дорожнім рухом і центра екологічного моніторингу [2].

ПП встановлюються на контрольованих автомагістралях і здійснюють безперервний автоматичний контроль токсичних речовин у повітрі заданої зони  на  автомагістралі  та  зв'язані з комплектом апаратури ПП хімічних  забруднень, який   забезпечує  електроживлення ПП  і приймання поточних  миттєвих  значень концентрації контрольованих речовин шляхом безперервного  дискретного опитування ПП, а також здійснює первинну  обробку отриманої інформації  шляхом усереднення  миттєвих   значень   концентрації забруднюючих речовин.

 

         Первинні перетворювачі хімічних забруднень

         ПП являють собою автоматичні стаціонарні газоаналізатори безперервної дії і створені на основі електрохімічних сенсорів, що дозволило створити дешеві компактні прилади з високою швидкодією і досить  простим і зручним обслуговуванням під час  експлуатації.

         В основу роботи електрохімічних сенсорів покладений  принцип перетворення масової концентрації газів в електричний струм на основі електрохімічного  ефекту з використанням сенсорів, що працюють  по методу електролізу постійним струмом при збереженні певного потенціалу на поверхні чутливого (робочого) електрода. При цьому, у залежності від контрольованого газу, у системі відбувається реакція окислення або відновлення, а струм, що виникає в результаті електрохімічного ефекту при впливі газу на чутливий шар робочого електрода, прямо пропорційний концентрації цього газу. 

         Окислення СО та SO2 на чутливому електроді можна представити відповідними рівняннями:

                   СО + Н2О ® CO2  + 2Н+ +2е ;     SO2 + Н2О ® Н2SO4 +2Н+  + 2е.

         Рівняння відновлення для NО2 можна вивести в наступному вигляді: 

                     2 + 2Н+ + 2е ® NО + Н2О.

         Тоді, при окисленні СО чи SO2 на порівняльному електроді буде відбуватись реакція:   O2 + 4Н+ + 4е ®2О, 

а  при відновленні NО2  :    Н2О ® 2е + 2Н+ +1/2 О2 ­ .

Крім робочого та порівняльного (еталонного) електродів до складу сенсорів входять допоміжні електроди. Всі електроди сенсорів розташовані таким чином, що постійно знаходяться в контакті з електролітом, яким заповнена реакційна камера.

         За допомогою спеціального потенціостата на робочому електроді сенсора підтримується на заданому рівні певний потенціал щодо порівняльного електрода. Для кожного токсичного газу встановлюється відповідний потенціал, який не залежить від змін, які відбуваються на допоміжних електродах. Порівняльний електрод у реакції не бере участь і служить як опорний елемент при заданому потенціалі робочого електрода. За допомогою зміни потенціалів на допоміжних електродах сенсорів стабілізуються фонові струми, встановлюються  умови селективності і забезпечуються умови роботи сенсорів у заданому температурному режимі.

         Однією з найважливіших проблем, що виникають при створенні первинних перетворювачів, є забезпечення  селективності по кожному з вимірювальних каналів. Складність задачі полягає в тому, що кожний електрохімічний сенсор повинен бути селективним як щодо невимірюваних компонентів у контрольованому повітряному середовищі, так і щодо кожного з вимірюваних ПП газів. Електрохімічний сенсор має визначену  перехресну чутливість до газів, які він не вимірює. Перехресна чутливість сенсора залежить від фізико-хімічної природи і рівня концентрації цих газів, а також   складу  каталізатора  робочого  електрода  сенсора.

         Для підвищення селективності електрохімічних сенсорів  фахівцями         АТ "Украналіт" використано  кілька методів:

-         вибір оптимального складу каталізатора робочого електроду сенсора;

-         стабілізація встановлення оптимального значення потенціалу робочого електроду;

-         використання спеціальних фільтрів, які забезпечують поглинання невимірюваних газів та газів, що заважають, зі складу контрольованого повітряного середовища.

Застосовні методи дають можливість забезпечити досить хорошу селективність електрохімічних сенсорів  у розроблених ПП.

Конструктивно ПП виконано у вигляді трьох окремих модулів, розміщених в єдиному герметичному корпусі. Контрольоване повітря надходить одночасно в кожний сенсор ПП у безперервному дифузійному режимі через отвори в циліндричних захисних корпусах, в яких встановлені електрохімічні сенсори. До складу кожного модуля, що забезпечує вимірювання концентрації одного з токсичних газів – оксиду вуглецю, діоксида азоту та діоксида сірки, входить відповідний сенсор і вузол обробки інформації, що перетворює посилений токовий сигнал електрохімічного сенсора в уніфікований вихідний сигнал постійного струму 4-20 мА. На рис. 1 показано зовнішній вигляд ПП 603 ЕХ01.

 

У ПП застосовані чотирьохелектродні електрохімічні сенсори, розроблені і виготовлені в АТ "Украналіт". Застосування таких сенсорів дозволяє підвищити точність вимірювань у початковій частині діапазону шляхом стабілізації і компенсації фонового струму сенсора, зменшити перехресну чутливість кожного сенсора до інших, невимірюваних ним газів, а також поліпшити стабільність роботи датчиків у широкому діапазоні робочих температур від мінус 30 0С до плюс 40 0С.

Рисунок 1 – Зовнішній вигляд ПП 603 ЕХ01

         Основні технічні характеристики ПП :

Діапазони вимірювань: СО – (1,5 – 90) млн –1; NO2, SO2 – (0,3  -  7) млн –1;

Границі основної приведеної похибки, що допускається - ± 15 %.

           Живлення - 24 В постійного струму

          Важливим питанням є оптимальне розміщення ПП на автомагістралях населених пунктів. Основні місця встановлення ПП – це перехрестя вулиць і автомагістральні розв'язки, перед світлофорами, переходами й іншими місцями скупчування і руху автотранспорту, тому що під час короткочасних зупинок автомобілів їхні двигуни працюють у неекономних режимах і в цих місцях на автомагістралях спостерігаються найбільші рівні забруднення повітря.

         ПП встановлюються в безпосередній близькості від проїжджої частини автомагістралей (0,5-0,8 м від бровки)  на висоті 1,2-1,5 м від рівня землі. При розміщенні ПП необхідно враховувати особливості ландшафту, характерні  метеорологічні фактори у контрольованій зоні автомагістралі (напрямок і швидкість вітру, температуру і вологість повітря та інше). Це дає можливість визначити оптимальну кількість і місця установки газоаналітичних ПП для конкретної зони контролю на визначеній автомагістралі міста.

 

          Результати експлуатації первинних перетворювачів у м. Києві

         Система екологічного моніторингу повітря вздовж автомагістралей впроваджується в м. Києві поетапно. Перші дві зони контролю на автомагістралях міста (пл. Перемоги та перехрестя вул. Хрещатик і Прорізної) знаходяться під спостереженням з 2001 року. Наприкінці 2002 р. було введено в експлуатацію ще дві зони контролю повітря на центральній автомагістралі міста – вул. Хрещатик (Європейська пл. і Бесарабська пл.).

         На рис. 2 представлені у графічному вигляді результати вимірювань концентрацій СО, NO2 і SO2  у повітрі на площі Перемоги і на розі вулиць Хрещатик і Прорізна.

 

 

 

 

 

 

       а

 

 

 

 

 

    б

 

 

а – пр-т Перемоги; б – вул. Хрещатик.

Рисунок 2 – Результати вимірювань забруднення повітря вздовж
автомагістралей в м. Києві 30-31.03.03р.

Аналіз результатів показує, що рівень забруднення повітря токсичними складовими викидів транспортних засобів на цих автомагістралях досить високий протягом 12-17 годин на добу, особливо у години "пік" (графіки за 31.03.2003 р.). При  цьому  забруднення  оксидом вуглецю на вул. Хрещатик  у ці години перевищує значення середньодобової ГДК,  рівної 3 мг/м3, у 2-5,5 рази, а на пл. Перемоги – у 2-3,5 рази. Однак, тривалість присутності досить високих рівнів забруднення повітря оксидом вуглецю на пл. Перемоги більше, ніж на вул. Хрещатик.

         З поданих графіків випливає, що на вул. Хрещатик у вихідні дні, коли рух автотранспорту заборонений у денний час, рівні концентрацій контрольованих газів близькі до фонових значень, а на пл. Перемоги вони трохи нижчі, ніж у робочий день, і складають приблизно 2 ГДК (графіки за 30.03.2003 р.).

 

         Висновки

         Фахівцями АТ «Украналіт» створені і впроваджені первинні перетворювачі концентрацій газоподібних токсичних речовин CO, SO2, NO2, що входять до складу відпрацьованих газів автотранспорту. У складі ПП застосовано електрохімічні сенсори останнього покоління, що дозволило створити компактні прилади, які швидко визначають концентрації аналізованих газів і надійно працюють у безперервному режимі протягом тривалого часу в діапазоні робочих температур від мінус 30 0С до плюс 40 0С, і забезпечило стабільну роботу системи екологічного моніторингу повітря вздовж автомагістралей м. Києва.

         У м. Києві розпочато автоматичний контроль стану повітря вздовж автомагістралей міста, результати якого постійно фіксуються,  обробляються і аналізуються відповідними підрозділами адміністрації міста для прийняття рішень з  розробки і впровадження заходів щодо поліпшення екологічної ситуації в м. Києві.

 

     Література

1.      В.В.Глушаєв, Г.О.Дев’ятко, В.Ф.Рижков. Визначення міри забруднення повітря автомагістралей в м. Києві відпрацьованими газами транспортних засобів// Вплив автотранспорту на забруднення аттмосферного повітря у   м. Києві, Товариство “Зелена Україна” Національного екологічного центру України, Київ.- 2001.- С. 34-35.

2.      Г.А.Девятко, С.А.Лацис.В.Я.Подольский, В.В.Закрасняный. Система экологического мониторинга состояния воздуха вдоль автомагистралей населённых пунктов// Технология и конструирование в электронной аппаратуре.- 2004.- №2.- С.28-29.

        

Девятко Г.А., Лацис С. А., Лемеш Л.В., Орлов М.А., Подольский В.Я.  Первичные преобразователи концентрации токсичных газов в воздухе вдоль автомагистралей  населенных пунктов

Рассмотрены результаты создания и внедрения первичных преобразователей (ПП) концентрации токсичных газов в воздухе вдоль автомагистралей населенных пунктов

Devyatko G.A., Latsis S.A., Lemesh L.V., Orlov M.A., Podolsky V.Y. Primary concentration transfers of toxic gases  in mid air of populated locality along motorways

Are considered  creation and implementation  of the primary concentration transfers (sensing devices)  of toxic gases in mid air of populated locality along  motorways

Надійшла до редакції 2 листопада 2004 року