Автореферат

магистерской работы на тему:

«Обоснование структуры и параметров системы контроля выбросов автомобильного транспорта»

Составила: Матвиенко Светлана Сергеевна

Научный руководитель: доцент, к.т.н. Хламов М.Г.

Содержание автореферата.

1. Актуальность темы.
2. Цель, задачи работы.
3. Научная новизна.
4. Обзор существующих работ по теме.
5. Обзор методов измерения концентрации оксида углерода.
6. Принципы построения системы.
7. Математическая модель газовой среды.
8. Перечень используемых источников.

1. Актуальность темы .

Загрязнение атмосферного воздуха – одна из наиболее острых экологических проблем Донецкой области. По информации управления статистики, в атмосферный воздух области за 2005 год от автотранспорта было выброшено 213,952 тыс.т. загрязняющих веществ. При этом оксид углерода занимает одно из самых значимых мест среди выбросов в Донецкой области, что составляет 27,95%.

Образуется СО при неполном сгорании содержащего углерод топлива. В отношении человека и животных СО можно считать вды­хаемым ядом, который лишает ткани тела необходимого им кислорода. Высокая концентрация газа в воздухе приводит к физиологическим изменениям, а концентрация более 750 мг/м 3 – к смерти.

Высокий уровень загрязненности атмосферы городов требует проведения эффективных мероприятий, направленных на снижение токсичности отработавших газов автомобильного транспорта. Для этих целей разрабатываются приборы, регистрирующие наличие данного газа.

Однако в настоящее время контроль СО в выхлопных газах автомобилей проводится довольно редко, тех. осмотры осуществляется с периодичность от 1 раза в квартал до 1 раза в два года. Требуется гораздо более частый контроль. Мы предлагаем непрерывный контроль в потоке автомобилей с высокой вероятностью обнаружения их неисправности.

2. Цель, задачи работы.

Цель магистерской работы состоит в выборе оптимальной структуры и параметров системы оперативного контроля выбросов автомобильного транспорта в движении без их остановки, а также регистрации неисправных автомобилей с дальнейшим устранением их недостатков.

Для достижения поставленной цели требуется решение следующих задач:

• проанализировать существующие методы измерения концентрации оксида углерода в выхлопных газах автомобилей, выбрать метод, обладающий высоким быстродействием;
• разработать математическую модель газовой среды автомобильного выхлопа с учетом возмущающих факторов;
• разработать математическую модель измерителя, учитывая его взаимодействие с окружающей средой;
• разработать математическую модель функционирования системы контроля выбросов автомобильного транспорта, а также алгоритм обработки полученных результатов;
• разработать структурную схему устройства регистрации неисправных автомобилей с последующей передачей данных в ВЦ Обл. ГАИ.

3. Научная новизна.

Существуют множество газоанализаторов оксида углерода (такие как ГАИ-1, 121ФА-01), однако их условия эксплуатации позволяют проводить не сплошной, а выборочный контроль выбросов автомобилей. Научная новизна работы предполагает разработку системы непрерывного контроля выбросов в потоке автомобилей, обеспечивающую высокое быстродействие и регистрацию неисправных автомобилей с последующей передачей данных в ВЦ Обл. ГАИ.

Также предполагается создание математической модели, учитывающей взаимодействие средств измерения с объектом контроля в условиях динамических процессов с учетом движения источника выбросов, газовой диффузии и турбулентного характера в области выбросов.

4. Обзор существующих работ по теме.

Среди магистров ДонНТУ можно выделить научную школу Хламова Михаила Георгиевича, в которой проводятся исследоваиея в области спектрометрии. Так, были защищены следующие магистерские работы, связанные с контролем отработанных газов:

• "Обоснование структуры канала измерения концентрации оксида углерода инфракрасного газоанализатора средствами имитационного моделирования". (Вовна А.В.);
• "Обоснование параметров измерителя содержания углерода в выхлопных газах автотранспорта методом имитационного моделирования". (Ильтнер А.Я.)
• "Обоснование алгоритмов и средств компенсации возмущающих факторов в канале измерения диоксида углерода, инфракрасного газоанализатора." (Рак А.И.)

Также исследования в данной области проводились Бурыкиным А.В., (Московский Государственный Университет). Защищена диссертация на тему: "Многоканальные переносные инфракрасные газоанализаторы для контроля транспортных выбросов".

5. Обзор методов измерения концентрации оксида углерода.

Существует достаточно большое число методов, позволяющих определять концентрацию оксида углерода. Это такие методы, как масс-спектрометрический, люминисцентный, рентгеновский, элекро-химический. Однако эти методы можно использовать только в лабораторних условиях.

Часто в газоанализаторах используется оптико-аккустический метод, заключающийся в преобразовании части поглощенной газом энергии зондирующего излучения в теплоту, что приводит к изменению давления в газе, а при определенных условиях к возникновению колебаний давления. Однако данный метод не подходит для решения поставленной задачи из-за недостаточного быстродействия.

Итак, при проектировании прибора выбран абсорбционный фотоспектрометрический метод, основаный на существовании зависимости между концентрацией поглощающих атомов или молекул газа и изменением интенсивности прошедшего через анализируемую газовую среду зондирующего излучения. Спектр поглощения представляет собой набор полос, образованных совокупностью спектральных линий.

В общем виде поглощение излучения в газе описывается законом Бугера-Ламберта:

(1)

где I п , I 0 – интенсивность поглощенного и зондирующего излучений;
k( n ) – спектральный коэффициент поглощения;
L - толщина поглощающего слоя газа.

Развитие этого метода привело к созданию различных схем формирования и обработки сигнала, позволяющих улучшить его аналитические возможности:

• во-первых, путем усовершенствования способов формирования аналитического сигнала за счет модуляции как длины волны зондирующего излучения или частоты поглощения газовых компонентов, так и интенсивности потока излучения на приемник излучения с помощью различных, так называемых, коррелирующих элементов;
• во-вторых, путем применения специальной обработки регистрируемого сигнала-дифференцирования его и извлечения аналитической информации по производной от спектров поглощения.

6. Принципы построения системы.

Предлагаемая система контроля выбросов в потоке автомобилей стационарно размещена вдоль автомобильной трассы. Для этого искусственным способом (например, с помощью постов ГАИ) ограничивается скорость движения автомобиля и ширина полосы в пределах до 3,5 метров в таких местах, как мосты, туннели, железнодорожные переезды. При этом также ограничивается скорость движения автомобиля до 60 км/ч. На одной стороне трассы установлен источник излучения (рис.1). Поток ИК-энергии узким лучом пересекает полосу, отражается от зеркала, расположенного на другой стороне трассы и, возвращаясь обратно, поступает на вход фотоприемника. При превышении предельно допустимой концентрации выброса оксида углерода поступает сигнал на устройство регистрации, расположенного в электронном блоке. Далее делается снимок автомобиля с помощью фоторегистрирующего устройства. Вблизи электронного блока устанавливается блок сопряжения (модем), с помощью которого осуществляется передача данных на вычислительный центр областной ГАИ, где реализуются функции управления.

Рисунок 1 – Размещение измерительной системы

В окружающую среду движущимся транспортным средством выбрасываются отработанные газы в виде струи. За счет газовой диффузии отработанные газы перемешиваются и перераспределяются в пространстве. В условиях турбулентного движения скорость изменения концентрации СО возрастает пропорционально мгновенной скорости возбужденной газовой диффузии, которая соотносится со скоростью движения автомобиля.
Концентрация за счет процесса диффузии на линии луча сравнительно быстро убывает. Решение следует принимать по максимально измеренному значению.

7. Математическая модель газовой среды.

Процесс измерения начинается, как только появляется сигнал о выбросе выхлопного газа. Поток излучения пересекает зону контроля. После максимально зарегистрированной концентрации по трем убывающим отсчетам прекращается измерение.

При решении данной задачи следует рассматривать интенсивность поглощенного потока, как функцию от концентрации газа, пространственных координат, времени, скорости и направления движения воздуха, температуры воздуха и атмосферного давления. То есть  

(2)

При этом некоторые пространственные координаты возможно зафиксировать.

Изменение мощности оптического сигнала происходит за счет влияния следующих факторов:
1. Неоднородность оптической среды

Рисунок 2 – Неоднородность оптической среды

(3)

где Ф пад – падающий луч,
Ф прош – прошедший луч,
Ф отр – отраженный луч,
R – коэффициент отражения
Причем

(4)

где Т – коэффициент пропускания

(5)

2. Поглощение оксидом углерода.

3. Рассеяние. Этот фактор влияет на изменение мощности оптического сигнала за счет наличия:

• тумана, капелек влаги;
• пыли;
• сажи.

С учетом того, что длина оптического канала навелика, влиянием наличия тумана можно пренебречь. Влияние пыли и сажи вносит погрешность результата измерения порядка 2 – 3%.

В настоящий момент данная работа не окончена. Ее завершение предусмотрено в декабре 2007 года. По всем вопросам обращаться к разработчику.

8. Перечень ссылок.

1. Немец В.М. и др.Спектральный анализ неорганических газов / В.М. Немец, А.А. Петров, А.А. Соловьев. – Химия, 1988 – 240 с.: ил.
2. Бреслер П.И. Оптические абсорбционные газоанализаторы и их применение. - Л.: Энергия, 1980. -164 с.
3. Горелик Д.О., Конопелько Л.А. Мониторинг загрязнения атмосферы и источников выбросов: Аэроаналитические измерения / Д.О. Горелик, Л.А. Конопелько - М.: Изд-во стандартов, 1992. - 432с.
4. Кузнецов Ю.Я., и др. Методы спектрального анализа : Учебное пособие. - М.: Издательство МГУ, 1991. - 536с.
5. Системный анализ контроля и управления качеством воздуха и воды / Под ред. А. В., Кафаров В. В., Качиашвили К. И. - Киев: Наукова думка, 1991.- 360
6. Уорк К.,Уорнер С.Загрязнение воздуха. Источники и контроль. Перевод с англ. Под ред. Е.Н. Теверовского. - М.: Мир, 1980. -540 с.
7. Оптико-акустический метод в лазерной спектроскопии. / Антонов А.Б., Капитанов В.А., Пономарев Ю.Н., Сапожников В.А. – Новосибирск: Наука, 1984. – 128 с.
8. Земля тривоги нашої: За матеріалами доповіді про стан навколишнього природного середовища в Донецькій області у 2005 році/ Донецьк, 2006 - 106с.

на главную • • на начало