| Зміст
|
Вступ
1. Актуальність теми
2. Ціль та задачі дослідження
2.1. Передбачувана наукова новизна та заплановані практичні результати
3. Огляд досліджень та розробок
3.1. На глобальному рівні
3.2. На національному рівні
3.3. На локальному рівні
4. Рішення задачі та результати досліджень
Висновки
Список літератури
|
| Вступ
|
| У навколишньому середовищі знаходиться величезна кількість шкідливих речовин, діючих на людей, тварин, рослини і навіть предмети. Збиток, нанесений дією цих речовин, залежить від самої речовини і від того, яке його кількість попадає в навколишнє середовище. Одним з таких шкідливих речовин є формальдегід.
|
| 1. Актуальність теми
|
Високий рівень забруднення навколишнього середовища у великих промислових містах України призводять до низки екологічних проблем. В даний час особливу увагу заслуговує автомобільний транспорт, кількість якого в Україну зростає щорічно. При збереженні тенденції масового переходу автомобілів зі звичайного палива на метан виявлено, що утворення формальдегіду при спалюванні метану значно перевищує аналогічні показники у бензинових двигунів (0,177 мг/м³ у двигунів на газі; 0,057 – при спалюванні бензину А-80, 0,074 – А-95 ) [1]. Формальдегід володіє токсичністю, негативно впливає на генетичний матеріал, репродуктивні органи, дихальні шляхи (астма), очі, шкірний покрив (екзема), викликає алергічні дерматити. Гранично допустима концентрація (ГДК) формальдегіду в повітрі: у повітряному середовищі приміщень 0,01 мг/м³; максимально разова – 0,035 мг/м³; середньодобова – 0,003 мг/м³. Тому контроль концентрації формальдегіду в атмосферному повітрі є однією з важливих задач для систем екологічного моніторингу.
Для проведення кількісного аналізу атмосферного повітря на наявність у ньому формальдегіду використовується методика іонохромотографічного аналізу. Дана методика дозволяє встановити концентрацію формальдегіду в діапазоні від 0,0015 до 0,75 мг/м³ з відносною похибкою змін ± 25 % при довірчій ймовірності 0,95.
|
| 2. Ціль та задачі дослідження
|
Метою роботи є підвищення точності вимірювача концентрації формальдегіду в атмосферному повітрі. При аналізі існуючих методів і засобів контролю концентрації формальдегіду з точки зору підвищення точності та оперативності контролю виявлено, що найбільш придатним для здійснення даного аналізу є спектрофотометричний метод контролю.
Для досягнення поставленої мети в роботі сформульовані і вирішені наступні задачі:
– розробка математичної моделі вимірювального каналу приладу на основі спектрофотометричного методу контролю;
– аналіз результатів моделювання та постановка технічних вимог до вимірювальних каналах приладу;
– обґрунтування та розробка структури вимірювального приладу контролю
концентрації формальдегіду для системи екологічного моніторингу.
|
|
2.1. Передбачувана наукова новизна та заплановані практичні результати
|
1. Отримав подальший розвиток оптико-абсорбційний метод контролю концентрації формальдегіду, на основі використання кульового фотометра, що дозволилопідвищити чутливість і точність вимірювального приладу концентраціїформальдегіду в реальному масштабі часу для систем екологічного моніторингу.
2. Отримала подальший розвиток математична модель вимірника на основі оптико-абсорбційного методу контролю концентрації формальдегіду, що дозволило оцінити його метрологічні характеристики, обґрунтувати і вибрати конструктивні параметри вимірювального приладу.
|
3. Огляд досліджень та розробок
3.1. На глобальному рівні
|
Японська компанія Riken – один з найбільших виробників газоаналітичної апаратури для різних галузей промисловості. В арсеналі компанії є майже повний спектр газосигналізаторів: від портативних сигналізаторів для комплексних систем безперервного контролю концентрації газів.
Компанія Riken була заснована в 1939р. в Японії і з того моменту заслужила статус однієї з лідируючих компаній-виробників високоякісних систем газосігналізаціі.
Діяльність Riken в області створення газоаналітичної техніки отримала високу оцінку, підтверджену сертифікатом ISO 9001 (виданий міжнародною організацією SGS Yarsley International Certification Services) та сертифікатом ISO 14001 (виданий авторитетної японської організацією JACO) [2].
|
| 3.2. На національному рівні
|
Російське приладобудівне підприємство "ОПТЕК" спеціалізується в області аналітичного приладобудування для завдань моніторингу повітря житлової і робочої зони, контролю промислових і автотранспортних викидів в атмосферу. Спочатку, в 1989 році приладобудівне підприємство "ОПТЕК" (Оптика в екології) існувало як структурний підрозділ Лабораторії екологічного контролю (Лабораторії ЛЕК).
З 1993 року ЗАТ "ОПТЕК" стало самостійним Російським підприємством, що спеціалізуються в області екологічного та наукового приладобудування. На сьогоднішній день підприємство "ОПТЕК" – лідер в Росії по виробництву приладів фонового моніторингу атмосфери, хемілюмінесцентним і оптичним сенсорам для наукових і виробничих завдань. По ряду аналізованих компонентів – озону, оксиду азоту і сірки, сірководню, аміаку та оксиду вуглецю – розробки ЗАТ "ОПТЕК" перевершують відомі вироби аналогічного призначення. Система побудови госпрозрахункових відносин на підприємстві дозволила створити оптимальні умови для балансу фундаментальних і прикладних досліджень з одного боку і досвідченого, дрібносерійного виробництва приладів з іншого [3].
|
| 3.3. На локальному рівні
|
Магістр ДонНТУ Агєєва Юлія В'ячеславівна
Тема выпускной работы:
«Оцінка впливу фотохімічного смогу на забруднення атмосферного повітря м.Донецька формальдегідом»
|
| 4. Рішення задачі та результати досліджень
|
Функціонально проектований вимірювальний канал приладу, заснований на спектрофотометричному методі, складається з оптоелектронного і аналогового блоку. Для вибору оптоелектронних компонент вимірювача проведено аналіз спектра поглинання формальдегіду по інтенсивності і частоті коливально-обертальної структури та визначено дестабілізуючі фактори, які впливають на процес вимірювання концентрації формальдегіду. Для аналогового блоку вимірювача вибрані і забезпечені режим роботи фотоприймача оптичного випромінювання і виконано нормування характеристик перетворення оптоелектронного блоку вимірювача до уніфікованого вигляду для подальшого перетворення і обробки в цифровій формі.
Вхідний потік оптичного випромінювання ФВХ ОК, який формується джерелом випромінювання, надходить в оптичний канал (ОК). Поглинання оптичного випромінювання в ОК описується законом Бугера-Ламберта-Бера [4], який пов'язує інтенсивність поглинання з довжиною шляху і концентрацією досліджуваного газового компонента і описується виразом:
 . (1)
де IВх ОК и IВых ОК – інтенсивності падаючого і минулого оптичного випромінювання, Вт/срад, величини яких пропорційні вхідного ФВх ОК, Вт і вихідному ФВых ОК, Вт потоку оптичного випромінювання; H2CO – концентрація формальдегіду в вимірювальному каналі, мг/м³ l, м – товщина аналізованого шару речовини рівна довжині вимірювального каналу; k(λ) – коефіцієнт перетину спектра поглинання оптичного випромінювання формальдегіду.
Для вибору оптимальних параметрів відкритого оптичного каналу рекомендується використовувати комплексний параметр – оптична щільність вимірювального каналу, який визначається як:
 . (2)
Як видно з виразу (2), коефіцієнт передачі оптичного каналу є нелінійною функцією трьох змінних, три з яких: H2CO – концентрація формальдегіду, λ – довжина хвилі спектральних ліній поглинання формальдегіду, l – довжина вимірювальної бази оптичного каналу (конструктивний параметр).
Ефективна робота оптоелектронного блоку визначається максимально можливим коефіцієнтом передачі оптичного каналу, для його визначення виконані наступні дослідження:
– оцінка характеристики спектра поглинання формальдегіду і вибір оптимальної довжини хвилі і ширини спектра поглинання;
– вибір оптимального конструктивного параметра l – довжини вимірювальної бази каналу.
Коефіцієнти перетину спектра поглинання формальдегіду розрахований за експериментальними даними, які отримані при високій роздільній здатності аналізатора спектрального складу газової атмосфери (див. рис. 1) [5]. Найбільш інтенсивна коливально-обертальна полоса перетину спектра формальдегіду знаходиться в області з центральною довжиною хвилі рівної λ0 мкм при стандартних умовах ( T0=293 K i P0=101,3 кПа ) [5] (див. рис. 2).
Рисунок 1 – Перетин спектра поглинання формальдегіду в ІЧ-області спектра
Рисунок 2 – Найбільш інтенсивна смуга перетину поглинання формальдегіду в ІК-області спектра
Відносне середньоквадратичне відхилення експериментальних значень від результатів математичного моделювання перетину спектра поглинання формальдегіду в ІК-області не перевищує 5%. Як джерело інфрачервоного випромінювання в роботі запропоновано використовувати світло випромінюючий діод (СВД) LED34 [6], який має максимум випромінювання на довжині хвилі 3,3 мкм і шириною спектру рівною 0,5 мкм. Як приймач ІЧ-випромінювання рекомендується використовувати фотодіод (ФД) P9696 [7], так як його спектральні характеристики найбільш близькі та узгоджені із спектральними характеристиками вибраного СВД LED34.
Оптичне випромінювання від джерела інфрачервоного випромінювання проходить оптичний канал ОК і потрапляє на фотоприймач ФП. ІЧ-потік проходить ділянки вимірювального каналу з різними оптичними властивостями. Втрати на всьому оптичному тракті складаються з втрат на кожній ділянці, що підлягає оцінці [8], [9]. Для ефективної роботи оптоелектронного блоку необхідно, щоб втрати ІК-потоку були найменшими. При проведенні досліджень, були отримані оцінки втрат оптичного випромінювання, що дозволить встановити конструктивні параметри та характеристики вимірювача з високим спектральним к.к.д. [10].
При проведенні моделювання отримана характеристика перетворення
оптоелектронного блоку вимірювального приладу. Для розрахунку та обґрунтування конструктивного параметра вимірювача – довжини бази оптичного каналу (l, м) виконаний розрахунок відносної зміни вихідного струму ФД. Дана зміна (δIфд(l))визначається як різниця між значеннями вихідного струму ФД при мінімальній (H2CO=0 мг/м³) та максимальній (H2CO=1 мг/м³) концентраціями формальдегіду в вимірювальному каналі, наведену до значення струму при мінімальній концентрації (H2CO=0 мг/м³) розраховано за співвідношенням:
 .
З результатів проведених досліджень випливає, що при довжині вимірювальної бази l=0,5 м відносна зміна струму ФД становить 0,3%, а при збільшенні довжини до 6 м величина δIфд зростає до 2,9%. Отже, для збільшення чутливості вимірювача концентрації формальдегіду необхідно збільшувати довжину вимірювальної бази. Авторами рекомендується для забезпечення необхідної довжини вимірювального каналу використовувати в проектованому приладі кульової фотометр, який забезпечує при діаметрі 0,15 м довжину вимірювального каналу більше 6 м [11]. При даній величині чутливість вимірника становить 8,6 мВ/(мг/м³), що забезпечує ставлення сигнал/шум на рівні 20/1 при H2CO=1 мг/м³.
Рисунок 3 – Анімація принципу роботи кульового фотометра (кількість кадрів – 6, об'єм – 143 КВ, кількість циклів повторення – 15, затримка між кадрами – 1 с)
Аналоговий блок вимірювального приладу виконує функцію перетворення сигналу струму ФД, що містить інформацію про концентрацію формальдегіду, до уніфікованого вигляду для його перетворення і цифрою обробки в мікропроцесорної системі (МПС). Аналоговий блок містить фото приймальний пристрій і нормуючий перетворювач, який узгодить сигнал струму оптоелектронної системи зі входом аналого-цифрового перетворювача (АЦП) МПС.
Фотодіод P9696 експлуатується в фотогальванічної режимі включення [7]. Напрямок фотоструму в замкнутій ланцюга збігається з напрямком зворотного струму через p-n-перехід. У режимі короткого замикання падіння напруги на фотодіоді прагне до нуля, струм фотодіода виявляється пропорційним світловому потоку. Режим короткого замикання реалізований на операційному підсилювачі, включеному за схемою перетворювач «струм-напруга», при якому вхідний опір перетворювача прагне до нуля. Вихідна напруга фотоприймача описується наступною функціональною залежністю:
 . (3)
де Rн – опір навантаження ФД.
Нормуючий перетворювач (НП) виконує перетворення сигналу з виходу фото приймального пристрої (ФПУ) UВых ФПУ – в формат вхідних сигналів UВых НП=UВых АЦП АЦП. Нормовані характеристики перетворення вимірювача в діапазоні вимірювання концентрації формальдегіду від 0 до 1 мг/м³, приведені до максимального вхідного сигналу, при довжині вимірювальної бази оптичного каналу l=6 м и Т0=20°С, Р0=101,3 кПа представлені на рис. 4.
 .
Рисунок 4 – Нормовані характеристики перетворення вимірника концентрації
формальдегіду від 0 до 1 мг/м³
В результаті проведених досліджень обґрунтовані вимоги до вимірювального приладу контролю концентрації формальдегіду та розроблено його структурна схема, яка наведена на рис. 5 [12].
 .
Рисунок 5 – Структурна схема вимірювального приладу контролю концентрації формальдегіду
Робота оптичного вимірника здійснюється під управлінням блоку 6 і полягає в наступному. Потік випромінювання від джерела випромінювання 1 надходять у вимірювальний канал кульового фотометра 2. Вихідний оптичний сигнал надходить на детектор оптичного випромінювання 3. Аналоговий електричний сигнал від детектора з підсилювачем 3 надходить на функціональний перетворювач 4. Даний блок виконує масштабування вихідного сигналу. Аналоговий електричний сигнал від функціонального перетворювача 4 передається на аналогово-цифровий 5. Аналого-цифровий перетворювач 5 під управлінням блоку 6 перетворює електричний сигнал в цифровий код. Аналого-цифровий перетворювач 5 з'єднаний з обчислювальним блоком 7, в якому виконується збереження дискретних значень вихідних напруг. Далі в наступний момент часу через інтервал дискретизації аналого-цифрового перетворювача 5 процедура вимірювання повторюється і після чого проводиться розрахунок концентрації аналізованого газу за розробленим алгоритмом, який повторюється циклічно у всьому інтервалі часу роботи вимірювального пристрою. Під управлінням блоку 6 дані про концентрацію формальдегіду виводяться на блок індикації та реєстрації 8 і по засобах цифрового каналу зв'язку 9 передаються в систему екологічного моніторингу 10.
|
| Висновки
|
1. Розроблені та обґрунтовані вимоги до проектування вимірювального приладу контролю концентрації формальдегіду і математична модель вимірювального каналу.
2. Проведений аналіз результатів моделювання показав, що для забезпечення необхідної чутливості вимірювального каналу необхідно забезпечити довжину вимірювального каналу більше 6 м. Цей показник технічно досяжний тільки при використанні кульового фотометра, який при діаметрі 0,15 м забезпечить довжину оптичного каналу більше 6 м.
3. Обґрунтована і розроблена структура вимірювального приладу контролю концентрації формальдегіду. Чутливість вимірювального каналу концентрації формальдегіду складає більше 8,6 мВ/(мг/м3), що забезпечує ставлення сигнал/шум на рівні 20/1 при максимальному значенні вимірюваної концентрації формальдегіду, величина якої дорівнює 1 мг/м³.
|
| Список літератури
|
1. Супруненко О. Метан – это не только ценное топливо, и источник канцерогенов / О. Супруненко // «Зеркало недели». – № 21 от 07.06.2008 г. Электронные данные. Дата доступа: март 2011. – Загл. с экрана.
2. Закрытое Акционерное Общество «ИРИМЭКС» [Электронный ресурс].
3. Приборы для научных исследований «ОПТЭК»[Электронный ресурс].
4. Бреслер П.И. Оптические абсорбционные газоанализаторы и их применение / П.И. Бреслер. – Л.: Энергия, 1980. – 164 с.
5. NASA / Virtual Planetary Laboratory. – Электронные данные. – Дата доступа: январь 2012. – Загл. с экрана.
6. Ioffe Physico-Technical Institute / Mid-IR Diode Optopair Group (MIRDOG). – Электронные данные. – Дата доступа: январь 2012. – Загл. с экрана.
7. Hamamatsu / Hamamatsu Photonics. – Электронные данные. – Дата доступа: март 2012. – Загл. с экрана.
8. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов: учебник для студентов вузов / Ю.Г. Якушенков. – [4-е изд, перераб и доп.]. – М.: Логос, 1999. – 480 с.
9. Климков Ю.М. Основы расчета оптико-электронных приборов с лазерами / Ю.М. Климков. – М.: Советское радио, 1978. –264 с.
10. Вовна А.В. Методы и средства аналитического измерения концентрации газовых компонент и пыли в рудничной атмосфере угольных шахт / А.В. Вовна, А.А. Зори, В.Д. Коренев, М.Г. Хламов. – Донецк: ГВУЗ «ДонНТУ», 2012. – 260 с.
11. Петрук В.Г. Спектрофотометрія світлорозсіювальних середовищ (теорія і практика оптичного вимірювального контролю) / В.Г. Петрук. – Вінниця: Універсум – Вінниця, 2000. – 207 с.
12. Пат. 68119 U. Україна, МПК G 01 N 21/35. Пристрій для вимірювання концентрації газів / О.В. Вовна, А.А. Зорі, В.Д. Коренєв, М.Г. Хламов; Державний вищий навчальний заклад «Донецькій національний технічний університет» (Україна). – № u201111695; заявл. 04.10.2011; опубл. Бюл. № 5 від 12.03.2012.
Примітка
При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Дата остаточного завершення роботи: 1 грудня 2012. Повний текст роботи та матеріали по темі роботи можуть бути отримані у автора або його наукового керівника після зазначеної дати.
|
|
|
