Змiст

• Вступ
• 1. Актуальність теми
• 2. Мета, завдання і поточні результати
• 3. Наукова новизна розроблюваної системи
• 4. Аналітичний огляд досліджень і розробок
• 4.1 Огляд міжнародних джерел
• 4.2 Огляд національних джерел
• 4.3 Огляд локальних джерел
• 5. Результати проведеного дослідження
• Висновки
• Список джерел

Вступ

У XIX-XXI століттях людство зробило величезний прорив в технічній сфері розвитку. З'явилося безліч підприємств, заводів і фабрик, широке поширення отримав автомобільний транспорт. У зв'язку з цим виникли деякі побічні ефекти, як наслідок гіперінтенсивного розвитку технологій. Одним з таких побічних ефектів є забруднення повітря шкідливими речовинами.

В сучасних умовах в атмосферу потрапляє понад 400 млн. т частинок золи, сажі, пилу, різного роду відходів і будівельних матеріалів. Крім наведених вище речовин в атмосферу викидаються й інші, більш токсичні речовини: пари мінеральних кислот (сірчаної, хромової і ін.), органічні розчинники та ін. В даний час налічується більше 500 шкідливих речовин, що забруднюють атмосферу [1].

Згідно зі звітом про стан навколишнього середовища міста Донецька за 2006-2007 рр., атмосфера міста забруднюється наступними шкідливими речовинами: 916 тонн легких органічних сполук, 19.2 тонни стійких органічних забруднювачів, 108 тонн ціанідів, 130 тонн металів і їх з'єднань, 15 тонн фреонів [2]. Згідно з даними Всесвітньої організації охорони здоров'я (ВООЗ) за 2014 рік, щорічно в світі приблизно 3,7 мільйонів людей вмирає через забруднення атмосферного повітря. Загальна кількість смертей, пов'язаних з впливом забрудненого повітря, як в приміщеннях, так і в атмосфері, досягає 7 мільйонів на рік. За даними Міжнародного агентства з вивчення раку ВООЗ, забруднення повітря є головною причиною виникнення онкологічних захворювань [3].

Автомобільний транспорт найбільш агресивний в порівнянні з іншими видами транспорту по відношенню до навколишнього середовища. Він є потужним джерелом її хімічного, шумового і механічного забруднення. Слід підкреслити, що зі збільшенням автомобільного парку рівень шкідливого впливу автотранспорту на навколишнє середовище інтенсивно зростає. Так, якщо на початку 70-х років вчені екологи визначили долю забруднень, що вносяться в атмосферу автомобільним транспортом, в середньому рівною 13%, то в даний час вона досягла вже 50% і продовжує зростати. А для міст і промислових центрів частка автотранспорту в загальному обсязі забруднення значно вище і доходить до 70% і більше, що створює серйозну екологічну проблему, яка супроводжує урбанізацію [4].

В автомобілях є кілька джерел токсичних речовин, основними з яких є три: відпрацьовані гази, картерні гази, паливні випаровування. Найбільша частка хімічного за бруднення навколишнього середовища автомобільним транспортом припадає на відпрацьовані гази двигуна внутрішнього згоряння.

Теоретично передбачається, що при повному згорянні палива в результаті взаємодії вуглецю і водню (входять до складу палива) з киснем повітря утворюється вуглекислий газ і водяну пару. Практично ж внаслідок фізико-механічних процесів в циліндрах двигуна дійсний склад відпрацьованих газів дуже складний і включає більше 200 компонентів, значна частина яких токсична [5].

Таблиця – Склад викидів автотранспорту [5]

Компонент	ПДК, об.%	ПДК, мг·м-3
Азот	74-77	-
Кисень	0.2-8	-
Пари йоду	3-13.5	0-0.003
Двоокис вуглецю	5-12	0-100
Вуглеводні	0.2-3	0-25
Окис вуглецю	0.1-10	0-60
Оксиди азоту	0-0.6	-
Альдегіди	0-0.2	-

Найбільш істотний вплив на живі організми надає оксид вуглецю (СО), який відноситься до класів небезпеки 2, 3, згідно з класифікацією ООН. Чадний газ активно зв'язується з гемоглобіном, утворюючи карбоксигемоглобін, і блокує передачу кисню тканинним клітинам, що призводить до суттєвої нестачі кисню в органах і тканинах. Чадний газ також включається в окислювальні реакції, порушуючи біохімічне рівновагу в тканинах. Отруєння чадним газом – гострий патологічний стан, що розвивається в результаті попадання чадного газу в організм людини, та є небезпечним для життя і здоров'я, і без кваліфікованої медичної допомоги може призвести до летального результату. Також супроводжується безліччю побічних ефектів, які згубно впливають на здоров'я людини [6].

Таким чином, очевидно, що виникає необхідність контролювати вміст окису вуглецю у відпрацьованих газах автомобільного транспорту.

1. Актуальність теми

На даний момент існує безліч систем і пристроїв виявлення окису вуглецю в досліджуваних пробах. Подібні системи ґрунтуються на різних методах, наприклад, таких як: електрохімічні, оптичні, хроматографічні, а також іонізаційні. Зокрема, подібні системи можна знайти на станціях технічного обслуговування автомобільного транспорту, в Державної автоінспекції, різних дослідницьких лабораторіях та інших місцях. Однак подібні системи є в основному лабораторними установками або приладами, які працюють безпосередньо з певною пробою, яка потрапляє у вимірювальний канал або автоматично, або примусово [7].

Магістерська робота присвячена розробці системи, яка зможе виконувати вимірювання концентрації оксиду вуглецю у викидах автомобільного транспорту автоматично, без участі оператора, безпосередньо в потоці рухомого автотранспорту. При цьому будуть враховуватися різні зовнішні впливи і чинники, такі як: наявність вітру, турбулентна дифузія та інше. Особливість системи, що розробляється полягає в тому, що вимірювання будуть відбуватися у відкритому вимірювальному каналі, що виключає необхідність в попередньому відборі проб. Відсутність необхідності в відборі проб істотно підвищує швидкодію вимірювальної системи. Також, слід зазначити, що високу швидкодію системи дає можливість зробити деякі припущення для спрощення математичної моделі вимірювального процесу.

2. Мета, завдання і поточні результати

Метою магістерської дисертації є розробка та обґрунтування системи безперервного контролю концентрації оксиду вуглецю у відпрацьованих газах автомобільного транспорту (СБКВ), яка буде знаходитися безпосередньо на проїжджій частині, і вимірювати концентрацію окису вуглецю в реальному часі, в потоці транспорту, що рухається, а також здійснювати реєстрацію номерних знаків автомобілів, вміст окису вуглецю у відпрацьованих газах у яких перевищує максимально допустиму концентрацію, регламентовану в державних стандартах.

Для досягнення поставленої мети були вирішені такі основні завдання:

1. проаналізовані методи вимірювання концентрації газових компонент в атмосферному повітрі, та був обраний метод, що забезпечує необхідні швидкодію і параметри;
2. розроблено структурну схему приладу, що реалізує прийнятий метод вимірювання;
3. розроблена математична модель газового середовища і вимірювальної системи з метою оцінки її метрологічних характеристик.

В результаті рішення вищевикладених завдань, була синтезована модель вимірювальної системи, здатної вимірювати оксид вуглецю від 0 до 1.7 об'ємних відсотків, при цьому похибка вимірювань не перевищує 5%.

3. Наукова новизна розроблюваної системи

На відміну від стаціонарних лабораторних приладів або приладів, у яких виникає необхідність у відборі проб, система що розробляється буде вимірювати концентрацію безпосередньо посеред проїжджої частини. Це обумовлено тим, що кювети, в якій зазвичай відбуваються вимірювання, в даному приладі не буде.

Роль кювети виконуватиме ділянка дороги, на якої буде розташовуватися на короткий проміжок часу хмара вихлопних газів, в якому буде вимірюватися, за допомогою даного методу, концентрація окису вуглецю. Було прийнято рішення синхронізувати використовування камери з вимірюванням концентрації, і виконувати фотознімки номерних знаків автомобілів, вміст окису вуглецю у відпрацьованих газах у яких перевищує максимально допустиму концентрацію, регламентовану в державних стандартах.

Таким чином, можна зробити висновок, що дана розробка була б особливо ефективна в країнах СНД, де подібні установки не отримали широкого поширення. Використання подібних систем в промислових центрах і великих мегаполісах істотно знизило б кількість автомобільного транспорту, що викидає надзвичайно великі обсяги шкідливих речовин.

4. Аналітичний огляд досліджень і розробок

У всьому світі вважається, що питання забруднення повітряного басейну вважається глобальною екологічною проблемою, тому очевидно, що подібні дослідження в даному напрямку вже проводилися, і на сьогоднішній день існує безліч перспективних розробок подібних систем переважно зарубіжного виробництва.

4.1 Огляд міжнародних джерел

Згідно з [8] і [9], так звані системи «дистанційних вимірювань викидів» (remote sensing emissions) для автомобільного транспорту розроблялися в Австрії, Англії та інших державах ЄС, а також США. Як вже раніше зазначалося, подібні системи грунтуються на оптичних методах газового аналізу. Передбачається, що система розташовується вздовж дороги і складається з наступних основних компонентів: джерело випромінювання, система рефлекторів, приймач випромінювання, електронний блок обробки даних вимірювань і блок індикації [8][9].

Перспективні дослідження в даній області були проведені доцентом Інституту Транспортних Досліджень (ITS) – Джеймсом Тейтом в Кембриджі в 2013 році [10], а також в Абердіні – 2016 рік [11]. У звітах йде короткий виклад принципу роботи вимірювальної системи VEMS (Vehicle Emission Measurement System) [12], а також описуються самі вимірювання в різних місцях міст, наводяться різні статистичні дані, отримані в результаті проведення експериментальних вимірювань концентрації різних компонентів у вихлопних газах автомобільного транспорту.

Крім численних досліджень, в даній області існує також досить велика кількість патентів,переважно США [13][14][15]. Фактично, в основі всіх цих розробок лежать оптичні методи. Широке різноманіття патентів засноване на різниці в реалізації цих методів і різному додатковому функціоналі.

Серед найбільш актуальних російських дослідницьких робіт слід відзначити [16], де виконана якісна і велика робота з дослідження поведінки поля концентрації шкідливих речовин(хмари вихлопних газів), а також дано вичерпний перелік методик оцінки забруднень навколишнього середовища автомобільним транспортом. Особливість даної роботи полягає у великій кількості статистичних даних, які є наочним матеріалом.

4.2 Огляд національних джерел

Як вже раніше було відзначено, дослідження і розробки в даному напрямку не отримали широке поширення на Україні і в країнах СНД в цілому.

Однак це не означає, що ніяких досліджень в даному напрямку на Україні не проводилося зовсім. Існують роботи в основному спрямовані на дослідження розподілу концентрації шкідливих речовин в хмарі вихлопних газів автомобільного транспорту [17][18]. В даних роботах описуються особливості розподілу хмари вихлопних газів з урахуванням різних факторів впливу (турбулентна дифузія, завихрення, впливу вітру та інше).

4.3 Огляд локальних джерел

У Донецькому національному технічному університеті було проведено кілька досліджень в даному напрямку. Ці дослідження, зокрема, були представлені в якості магістерських дисертацій. Серед них можна виділити роботи Трунова В.А. [19], Матвієнко С.С. [20], Ільтнер О.Я. [21], Сабельникова Д.А. [22], Найдюка Я.I. [23].

Очевидно, що всі перераховані роботи засновані на використанні оптичного методу вимірювань, що обумовлює його винятковість в питанні безперервного контролю концентрації шкідливих речовин у викидах автотранспорту.

Різноманіття проведених досліджень в даній області обумовлено різноманіттям питань, які необхідно вирішити, при розробці засобів вимірів. Деякі з представлених робіт присвячені моделюванню безпосередньо процесу вимірювань, деякі – моделювання конкретних особливостей самого процесу вимірювань. Таким чином, проведені в ДонНТУ дослідження в даному напрямку з кожним роком стають все більш «глибокими».

5. Результати проведеного дослідження

Провівши детальний аналіз різних оптичних методів газового аналізу, і, керуючись досвідом, накопиченим в зарубіжних дослідженнях, було прийнято рішення, що найбільш доцільно розробляти вимірювальну систему на основі оптико-абсорбційного методу, в основі якого лежить закон Бугера-Ламберта-Бера [24]. Принцип дії закону представлений на рисунку 1.

Суть методу полягає у визначенні ΔФ – зміни потужності оптичного випромінювання (відношення оптичної потужності на виході оптичної системи до потужності на вході). Потужність оптичного випромінювання, долаючи відстань L в середовищі з концентрацією досліджуваної речовини C, з ростом концентрації експоненціально убуває на виході системи. Аналітичний вираз, що описує даний метод вимірювань, відповідно до закону Бугера-Ламберта-Бера, має вигляд

Переваги методу вимірювань очевидні: швидкодія; відносна простота вимірювальної системи – все вимірювання проводяться за допомогою світлодіода і фотоприймача, а потім обробляються мікропроцесором; компактність і мобільність; вибірковість.

До недоліків слід віднести наступне: надзвичайно складний опис математичної моделі вимірювального процесу, а також опис особливостей розподілу концентрації хмари вихлопних газів, під дією різних зовнішніх впливів.

Важливо відзначити, що в якості джерела випромінювання був обраний саме світлодіод, а не лазер, що володіє набагато більшою потужністю і більш вузькою діаграмою спрямованості. Це обумовлено тим, що вимірюваний компонент, оксид вуглецю, поглинає інфрачервоне випромінювання в діапазоні 4.67 мкм. Відомо, що на сьогоднішній день не існує напівпровідникового лазера з довжиною хвилі випромінювання дорівнює 4.67 мкм, або досить близькою до цього значення [25], що суперечить основі принципу вимірювань згідно з висловом (1).

Відповідно до [17] слід зробити припущення, що вихлопні гази поширюються в просторі подібно розподілу Гаусса. Тому, відповідно до [26] було отримано диференціальне рівняння

де u, v – швидкості вітру по осях x і y відповідно, м/с; D_i – коефіцієнти дифузії по осях x, y, z; C – концентрація речовини, об. %.

Рішенням даного рівняння відповідно до [26] є наступний вираз

де M – масовий викид шкідливих речовин, г/с; S_z(x), a_y, a_z – деякі коефіцієнти розсіювання пов'язані з погодними умовами; u – швидкість руху автомобіля; x, y – просторові координати; h – висота сопла вихлопної труби, м; ξ(v,p,ρ,t) – деяка функція зовнішніх впливів.

Для зручності подання та наочності була представлена умоглядна модель розповсюдження хмари вихлопних газів відповідно до виразу (3) (див. рисунок 2).

Так як концентрація досліджуваних компонентів у хмарі вихлопних газів розподілена нерівномірно, а закон Бугера-Ламберта-Бера (1) передбачає зворотне [24], то виникає необхідність перейти до інтегральної формі вираження (1) для обліку нерівномірності розподілу концентрації:

де S(L,λ) – спектральна щільність потужності на виході системи [Вт·с]; S₀ – спектральна щільність потужності на вході системи [Вт·с].

Однак представлений на рисунку розподіл хмари в просторі не в повній мірі відповідає дійсності. Очевидно, що на розсіювання хмари вихлопних газів в просторі впливає безліч різних зовнішніх факторів (вітер, турбулентність в середовищі розсіювання, температура, тиск та інше). Зовнішні впливаючи фактори, як правило, являють собою деякий випадковий процес (див. рисунок 3).

Принцип, що лежить в основі вимірювального процесу розроблювального пристрою, полягає в проведенні декількох вимірювань вздовж осі проходження автомобільного транспорту.

Слід підкреслити, що необхідність проведення вимірювань в декількох перетинах обґрунтована тим, що завдяки цьому можна буде не тільки збільшити точність і вибірковість аналізу, але і зменшити кількість помилкових спрацьовувань системи.

Для отримання можливості проведення даних вимірювань в декількох перетинах з урахуванням математичної моделі, яка описує зовнішні впливи, були отримані нормовані криві(рис. 4), що підкоряються нормальному закону розподілу.

У міру віддалення від початкового перетину (далі С1), в якому проводяться вимірювання, концентрація убуває за законом представленому на рисунку 4, а розмах розподілу концентрації по координаті x зростає.

У зв'язку з цим були отримані кілька моделей випадкових процесів (рис. 5) , що враховують особливість вимірювань в декількох перетинах.

На рисунку 5: С1 – початковий перетин (вихлопна труба), амплітуда максимальна, розмах мінімальний. Решта перетину рівновіддалені один від одного на деяку відстань. Відповідно, С4 має мінімальну амплітуду коливань, при максимальному розмаху (домішка розсіялася, змішавшись з газоповітряним середовищем навколишнього простору).

Таким чином, були отримані реальні закони розподілу концентрації шкідливих речовин в хмарі вихлопних газів, з урахуванням зовнішніх впливів (див. рисунок 6).

На даному етапі була складена попередня структурна схема вимірювальної системи (див. рис. 7).

Принцип роботи системи: потік оптичного випромінювання джерела (ИИ), проходячи відкритий оптичний канал, який містить аналізовані компоненти, потрапляє на фотоприймач (ФП), на якому формується електричний сигнал, посилений попереднім підсилювачем (ПрУс). Стабілізація потоку оптичного випромінювання виконується за рахунок спеціальної схеми стабілізації (ССПИ). Посилений сигнал приводиться до діапазону аналого-цифрового перетворювача (АЦП) за допомогою нормуючого перетворювача (НП) і далі потрапляє на мультиплексор аналогових сигналів (МАС). Для коректної роботи АЦП в схемі задіяно пристрій вибірки-зберігання (УВХ), яке виконує роль короткочасного сховища даних. Центральний процесор (ЦП) мікропроцесорного пристрою (МПУ) виконує основні функції обробки вимірювань, посилаючи на відповідні блоки сигнали управління(С_уп1-4). БСИ – блок зв'язку та індикації.

В результаті моделювання вимірювального процесу був складений алгоритм формування градуювального сигналу і десяткового коду, відповідного рівнями даного сигналу. Кожен рівень сигналу відповідає деякому усередненому значенню концентрації, виміряному на ділянці проїжджої траси. Після апроксимації даної залежності, була отримана і побудована відповідна градуювальна характеристика вимірювальної системи (див. рис 8).

Таким чином, зміна концентрації у відкритому оптичному каналі призведе до зміни десяткового коду, оброблюваного мікропроцесорним засобом, що входять до складу системи. Користуючись цією градуювальною залежністю можна визначити концентрацію окису вуглецю в межах 0 ... 1.7 об.%. За попередніми оцінками метрологічних характеристик була отримана залежність розподілу похибки вимірювання по окремих дільницях градуювальної характеристики засобу вимірювань (див. рис. 9).

Очевидно, що зі збільшенням концентрації окису вуглецю в хмарі вихлопних газів похибка вимірювань буде зростати, через значну нелінійність градуювальної характеристики.

Висновки

Таким чином, на поточному етапі досліджень були отримані наступні результати:

1. проаналізовано та обґрунтовано обраний метод, що лежить в основі вимірювального процесу;
2. представлена умоглядна модель поширення вихлопних газів в просторі;
3. розроблено математичну модель розсіювання хмари вихлопних газів з урахуванням впливу зовнішніх впливів;
4. проведено моделювання вимірювального процесу з урахуванням існуючої розробленої моделі, в результаті якого були оцінені метрологічні характеристики засобу вимірювань;
5. представлена узагальнена попередня структурна схема вимірювальної системи.

На наступному етапі передбачається розробка математичної моделі вимірювань в декількох перетинах, а також розробка більш інформативною структурної схеми, принципової схеми і конструкції системи.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення - травень 2018 року.

Список джерел

1. Грандарс [Электронный ресурс]: Загрязнения окружающей среды – электронные данные, – режим доступа http://www.grandars.ru/shkola/bezopasnost-zhiznedeyatelnosti/zagryazneniya-okruzhayushchey-sredy.html – дата доступа: сентябрь 2017.
2. Электронный архив Донецкого национального технического университета (г. Донецк) [Электронный ресурс]. – режим доступа: http://ea.donntu.ru:8080/jspui/handle/123456789/17066 – дата доступа: сентябрь 2017.
3. Загрязнение атмосферы Земли – Википедия, свободная энциклопедия [Электронный ресурс] – режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Загрязнение_атмосферы_Земли – дата доступа: сентябрь 2017.
4. Транспорт и окружающая среда: Учебник/М.М. Болбас, Е.Л. Савич, Г.М. Кухаренок, Р.Я. Пармон и др. – Мн.: Технопринт, 2003. – 262 с.
5. Устройство автомобиля [Электронный ресурс]: Загрязнение автотранспортом окружающей среды – электронные данные, – режим доступа http://ustroistvo-avtomobilya.ru/sistemy-snizheniya-toksichnosti/zagryaznenie-avtotransportom-okruzhayushhej-sredy/ – дата доступа: сентябрь 2017.
6. Отравление угарным газом – Википедия, свободная энциклопедия [Электронный ресурс] – режим доступа – https://ru.wikipedia.org/wiki/Отравление_угарным_газом – дата доступа: сентябрь 2017.
7. Горелик Д.О. Мониторинг загрязнения атмосферы и источников выбросов. Аэроаналитические измерения. 1992. – 432 с.
8. Dr. Jens Borken-Kleefeld – Guidance note about on-road vehicle emissions remote sensing, July 2013.
9. David Carslaw, Glyn Rhys-Tyler – Remote sensing of NO2 exhaust emissions from road vehicles. A report to the City of London Corporation and London Borough of Ealing, May 2013.
10. Dr. James Tate – Project Report: Vehicle Emission Measurement and Analysis – Cambridge City Council, November 2013.
11. Dr. James Tate – Project Report: Vehicle Emission Measurement and Analysis – Aberdeen City Council, April 2016.
12. Institute for Transport Studies – Remote Sensing Vehicle Emissions [Электронный ресурс]. – режим доступа: http://www.its.leeds.ac.uk/research/facilities-old/vems/ – дата доступа: сентябрь 2017.
13. United States Patent – DEVICE FOR REMOTE SENSING OF VEHICLE EMISSION – J. Stewart Hager, Knoxville, Jun 2009.
14. United States Patent – Remote vehicle emissions sensing system and method for differentiating water from hydrocarbons – Robert Allen Gentala, Peter Miles Mcclintock, Donald Hugh Stedman, May 2013.
15. United States Patent – Apparatus for remote analysis of vehicle emissions – Donald H. Stedman, Gary Bishop, Scott McLaren, April 1995.
16. А.В. Аргучинцева, В.К. Аргучинцев, О.В. Лазарь – Оценка загрязнения воздушной среды городов автотранспортом, 2008.
17. Р. А. Васькін, В. О. Соляник , І. В. Васькіна – Моделювання розподілу концентрації викидів від автотранспорту у просторі, 2015.
18. Прищепов О.Ф., Левицька О.С. – ОСОБЛИВОСТІ РОЗСІЮВАННЯ ШКІДЛИВИХ РЕЧОВИН ВИКИДІВ АВТОТРАНСПОРТУ У ПОВІТРІ В УМОВАХ МІСТА, 2009.
19. Трунов В.А. – Обоснование и разработка структурной схемы системы контроля выбросов автомобильного транспорта, 2014.
20. Матвиенко С.С. – Обоснование структуры и параметров системы контроля выбросов автомобильного транспорта, 2007.
21. Ильтнер А.Я. – Обоснование параметров измерителя содержания углерода в выхлопных газах автотранспорта методом иммитационного моделирования, 2003.
22. Сабельников Д.А. – Разработка электронной системы контроля выбросов автомобильного транспорта, 2011.
23. Найдюк Я.И. – Методы повышения точности измерения концентрации угарного и газов группы углеводородов в выхлопах автомобилей, 2008.
24. Закон Бугера-Ламберта-Бера – Википедия, свободная энциклопедия [Электронный ресурс] – режим доступа https://ru.wikipedia.org/wiki/Закон_Бугера_-_Ламберта_-_Бера – дата доступа: сентябрь 2017.
25. Виды лазеров – Википедия, свободная энциклопедия [Электронный ресурс]: – режим доступа https://ru.wikipedia.org/wiki/Виды_лазеров – дата доступа: январь 2017.
26. Модели рассеивания примеси – Википедия, свободная энциклопедия [Электронный ресурс]: – режим доступа https://ru.wikipedia.org/wiki/Модели_рассеивания_примеси – дата доступа: январь 2017.