| Содержание
|
Введение
1. Актуальность темы
2. Цель и задачи исследования
2.1. Предполагаемая научная новизна и планируемые практические результаты
3. Обзор исследований и разработок
3.1. На глобальном уровне
3.2. На национальном уровне
3.3. На локальном уровне
4. Решение задачи и результаты исследований
Выводы
Список литературы
|
| Введение
|
| В окружающей среде содержится огромное количество вредных веществ, действующих на людей, животных, растения и даже предметы. Ущерб, наносимый действием этих веществ, зависит от самого вещества и от того, какое его количество попадает в окружающую среду. Одним из таких вредных веществ является формальдегид.
|
| 1. Актуальность темы
|
Высокий уровень загрязнения окружающей среды в крупных промышленных городах Украины приводят к ряду экологических проблем. В настоящее время особое внимание заслуживает автомобильный транспорт, количество которого в Украине возрастает ежегодно. При сохранении тенденции массового перехода автомобилей с обычного топлива на метан выявлено, что образование формальдегида при сжигании метана значительно превышает аналогичные показатели у бензиновых двигателей (0,177 мг/м³ у двигателей на газе; 0,057 – при сжигании бензина А-80, 0,074 – А-95) [1]. Формальдегид обладает токсичностью, негативно воздействует на генетический материал, репродуктивные органы, дыхательные пути (астма), глаза, кожный покров (экзема), вызывает аллергические дерматиты. Предельно допустимая концентрация (ПДК) формальдегида в воздухе: в воздушной среде помещений 0,01 мг/м³; максимально разовая – 0,035 мг/м³; среднесуточная – 0,003 мг/м³. Поэтому контроль концентрации формальдегида в атмосферном воздухе является одной из важных задач для систем экологического мониторинга.
Для проведения количественного анализа атмосферного воздуха на содержание в нем формальдегида используется методика ионохромотографического анализа. Данная методика позволяет установить концентрацию формальдегида в диапазоне от 0,0015 до 0,75 мг/м³ с относительной погрешностью изменений ± 25 % при доверительной вероятности 0,95.
|
| 2. Цель и задачи исследования
|
Целью работы является повышение точности измерителя концентрации формальдегида в атмосферном воздухе. При анализе существующих методов и средств контроля концентрации формальдегида с точки зрения повышения точности и оперативности контроля выявлено, что наиболее пригодным для осуществления данного анализа является спектрофотометрический метод контроля.
Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:
– разработка математической модели измерительного канала прибора на основе спектрофотометрического метода контроля;
– анализ результатов моделирования и постановка технических требований к измерительным каналам прибора;
– обоснование и разработка структуры измерительного прибора контроля концентрации формальдегида для системы экологического мониторинга.
|
|
2.1. Предполагаемая научная новизна и планируемые практические результаты
|
1. Получил дальнейшее развитие оптико-абсорбционный метод контроля концентрации формальдегида, на основе использования шарового фотометра, что позволило повысить чувствительность и точность измерительного прибора концентрации формальдегида в реальном масштабе времени для систем экологического мониторинга.
2. Получила дальнейшее развитие математическая модель измерителя на основе оптико-абсорбционного метода контроля концентрации формальдегида, что позволило оценить его метрологические характеристики, обосновать и выбрать конструктивные параметры измерительного прибора.
|
3. Обзор исследований и разработок
3.1. На глобальном уровне
|
Японская компания Riken — один из крупнейших производителей газоаналитической аппаратуры для различных областей промышленности. В арсенале компании присутствует почти полный спектр газосигнализаторов: от портативных сигнализаторов для комплексных систем непрерывного контроля концентрации газов.
Компания Riken была основана в 1939г. в Японии и с того момента заслужила статус одной из лидирующих компаний-производителей высококачественных систем газосигнализации.
Деятельность Riken в области создания газоаналитической техники получила высокую оценку, подтвержденную сертификатом ISO 9001 (выдан международной организацией SGS Yarsley International Certification Services) и сертификатом ISO 14001 (выдан авторитетной японской организацией JACO) [2].
|
| 3.2. На национальном уровне
|
Российское приборостроительное предприятие «ОПТЭК» специализируется в области аналитического приборостроения для задач мониторинга воздуха жилой и рабочей зоны, контроля промышленных и автотранспортных выбросов в атмосферу. Изначально, в 1989 году приборостроительное предприятие «ОПТЭК» (Оптика в экологии) существовало как структурное подразделение Лаборатории экологического контроля (Лаборатории ЛЭК).
С 1993 года ЗАО «ОПТЭК» стало самостоятельным Российским предприятием, специализирующимся в области экологического и научного приборостроения. На сегодняшний день предприятие «ОПТЭК» — лидер в России по производству приборов фонового мониторинга атмосферы, хемилюминесцентным и оптическим сенсорам для научных и производственных задач. По ряду анализируемых компонентов — озону, окислам азота и серы, сероводороду, аммиаку и оксиду углерода — разработки ЗАО «ОПТЭК» превосходят известные изделия аналогичного назначения. Система построения хозрасчетных отношений на предприятии позволила создать оптимальные условия для баланса фундаментальных и прикладных исследований с одной стороны и опытного, мелкосерийного производства приборов с другой [3].
|
| 3.3. На локальном уровне
|
Магистр ДонНТУ Агеева Юлия Вячеславовна
Тема выпускной работы:
«Оценка влияния фотохимического смога на загрязнение атмосферного воздуха г.Донецка формальдегидом»
|
| 4. Решение задачи и результаты исследований
|
Функционально проектируемый измерительный канал прибора, основанный на спектрофотометрическом методе, состоит из оптоэлектронного и аналогового блока. Для выбора оптоэлектронных компонент измерителя проведен анализ спектра поглощения формальдегида по интенсивности и частоте колебательно-вращательной структуры и определены дестабилизирующие факторы, которые влияют на процесс измерения концентрации формальдегида. Для аналогового блока измерителя выбраны и обеспечены режим работы фотоприемника оптического излучения и выполнено нормирование характеристик преобразования оптоэлектронного блока измерителя к унифицированному виду для дальнейшего преобразования и обработки в цифровой форме.
Входной поток оптического излучения ФВХ ОК, который формируется источником излучения, поступает в оптический канал (ОК). Поглощение оптического излучения в ОК описывается законом Бугера-Ламберта-Бера [4], который связывает интенсивность поглощения с длиной пути и концентрацией исследуемого газового компонента и описывается выражением:
 . (1)
где IВх ОК и IВых ОК – интенсивности падающего и прошедшего оптического излучения, Вт/срад, величины которых пропорциональны входному ФВх ОК, Вт и выходному ФВых ОК, Вт потоку оптического излучения; H2CO– концентрация формальдегида в измерительном канале, мг/м³, м – толщина анализируемого слоя вещества равная длине измерительного канала;k(λ) – коэффициент сечения спектра поглощения оптического излучения формальдегида.
Для выбора оптимальных параметров открытого оптического канала рекомендуется использовать комплексный параметр – оптическая плотность измерительного канала, определяемый как:
 . (2)
Как видно из выражения (2), коэффициент передачи оптического канала является нелинейной функцией трех переменных, три из которых: H2CO– концентрация формальдегида, λ– длина волны спектральных линий поглощения формальдегида, l – длина измерительной базы оптического канала (конструктивный параметр).
Эффективная работа оптоэлектронного блока определяется максимально возможным коэффициентом передачи оптического канала, для его определения выполнены следующие исследования:
– оценка характеристики спектра поглощения формальдегида и выбор оптимальной длины волны и ширины спектра поглощения;
– выбор оптимального конструктивного параметра l – длины измерительной базы канала.
Коэффициенты сечения спектра поглощения формальдегида рассчитан по экспериментальным данным, которые получены при высокой разрешающей способности анализатора спектрального состава газовой атмосферы (см. рис. 1) [5]. Наиболее интенсивная колебательно-вращательная полоса сечения спектра формальдегида находится в области с центральной длиной волны равной λ0 мкм при стандартных условиях ( T0=293 K и P0=101,3 кПа ) [5] (см. рис. 2).
Рисунок 1 – Сечение спектра поглощения формальдегида в ИК-области спектра
Рисунок 2 – Наиболее интенсивная полоса сечения поглощения формальдегида в ИК-области спектра
Относительное среднеквадратичное отклонение экспериментальных значений от результатов математического моделирования сечения спектра поглощения формальдегида в ИК-области не превышает 5 %. В качестве источника ИК-излучения в работе предложено использовать светоизлучающий диод (СИД) LED34 [6], который имеет максимум излучения на длине волны 3,3 мкм и шириной спектра равной 0,5 мкм. В качестве приемника ИК-излучения рекомендуется использовать фотодиод (ФД) P9696 [7], так как его спектральные характеристики наиболее близкие и согласованные со спектральными характеристиками выбранного СИД LED34.
Оптическое излучение от источника ИК-излучения проходит оптический канал ОК и попадает на фотоприемник ФП. ИК-поток проходит участки измерительного канала с различными оптическими свойствами. Потери на всем оптическом тракте складываются из потерь на каждом участке, что подлежит оценке [8], [9]. Для эффективной работы оптоэлектронного блока необходимо, чтобы потери ИК-потока были наименьшими. При проведении исследований, были получены оценки потерь оптического излучения, что позволит установить конструктивные параметры и характеристики измерителя с высоким спектральным к.п.д. [10].
При проведении моделирования получена характеристика преобразования оптоэлектронного блока измерительного прибора. Для расчета и обоснования конструктивного параметра измерителя – длины базы оптического канала (l, м) выполнен расчет относительного изменения выходного тока ФД. Данное изменение (δIфд(l)) определяется как разность между значениями выходного тока ФД при минимальной (H2CO=0 мг/м³) и максимальной (H2CO=1 мг/м³) концентрациями формальдегида в измерительном канале, приведенную к значению тока при минимальной концентрации (H2CO=0 мг/м³) рассчитано по соотношению:
 .
Из результатов проведенных исследований следует, что при длине измерительной базы l=0,5 м относительное изменение тока ФД составляет 0,3 %, а при увеличении длины до 6 м величина δIфд возрастает до 2,9 %. Следовательно, для увеличения чувствительности измерителя концентрации формальдегида необходимо увеличивать длину измерительной базы. Авторами рекомендуется для обеспечения необходимой длины измерительного канала использовать в проектируемом приборе шаровой фотометр, который обеспечивает при диаметре 0,15 м длину измерительного канала более 6 м [11]. При данной величине чувствительность измерителя составляет 8,6 мВ/(мг/м³), что обеспечивает отношение сигнал/шум на уровне 20/1 при H2CO=1 мг/м³.
Рисунок 3 – Анимация принципа работы шарового фотометра (количество кадров – 6 , объем – 143 КВ, количество циклов повторения – 15 , задержка между кадрами – 1 с)
Аналоговый блок измерительного прибора выполняет функцию преобразования сигнала тока ФД, содержащего информацию о концентрации формальдегида, к унифицированному виду для его преобразования и цифрой обработки в микропроцессорной системе (МПС). Аналоговый блок содержит фотоприемное устройство и нормирующий преобразователь, который согласует сигнал тока оптоэлектронной системы со входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП) МПС.
Фотодиод P9696 эксплуатируется в фотогальваническом режиме включения [7]. Направление фототока в замкнутой цепи совпадает с направлением обратного тока через p-n-переход. В режиме короткого замыкания падение напряжения на фотодиоде стремится к нулю, ток фотодиода оказывается пропорциональным световому потоку. Режим короткого замыкания реализован на операционном усилителе, включенном по схеме преобразователь «ток-напряжение», при котором входное сопротивление преобразователя стремится к нулю. Выходное напряжение фотоприемника описывается следующей функциональной зависимостью:
 . (3)
где Rн – сопротивление нагрузки ФД.
Нормирующий преобразователь (НП) выполняет преобразование сигнала с выхода фотоприемного устройства (ФПУ) UВых ФПУ – в формат входных сигналов UВых НП=UВых АЦП АЦП. Нормированные характеристики преобразования измерителя в диапазоне измерения концентрации формальдегида от 0 до 1 мг/м³, приведены к максимальному входному сигналу, при длине измерительной базы оптического канала l=6 м и Т0=20°С, Р0=101,3 кПа представлены на рис. 4.
 .
Рисунок 4 – Нормированные характеристики преобразования измерителя концентрации формальдегида от 0 до 1 мг/м³
В результате проведенных исследований обоснованы требования к измерительному прибору контроля концентрации формальдегида и разработана его структурная схема, которая приведена на рис. 5 [12].
 .
Рисунок 5 – Структурная схема измерительного прибора контроля концентрации формальдегида
Работа оптического измерителя осуществляется под управлением блока 6 и состоит в следующем. Поток излучения от источника излучения 1 поступают в измерительный канал шарового фотометра 2. Выходной оптический сигнал поступает на детектор оптического излучения 3. Аналоговый электрический сигнал от детектора с усилителем 3 поступает на функциональный преобразователь 4. Данный блок выполняет масштабирование выходного сигнала. Аналоговый электрический сигнал от функционального преобразователя 4 передается на аналогово-цифровой 5. Аналого-цифровой преобразователь 5 под управлением блока 6 преобразует электрический сигнал в цифровой код. Аналого-цифровой преобразователь 5 соединен с вычислительным блоком 7, в котором выполняется сохранение дискретных значений выходных напряжений. Далее в следующий момент времени через интервал дискретизации аналого-цифрового преобразователя 5 процедура измерения повторяется и после чего производится расчет концентрации анализируемого газа по разработанному алгоритму, который повторяется циклически во всем интервале времени работы измерительного устройства. Под управлением блока 6 данные о концентрации формальдегида выводятся на блок индикации и регистрации 8 и по средствам цифрового канала связи 9 передаются в систему экологического мониторинга 10.
|
| Выводы
|
1. Разработаны и обоснованы требования к проектированию измерительного прибора контроля концентрации формальдегида и математическая модель измерительного канала.
2. Проведенный анализ результатов моделирования показал, что для обеспечения необходимой чувствительности измерительного канала необходимо обеспечить длину измерительного канала более 6 м. Данный показатель технически достижим только при использовании шарового фотометра, который при диаметре 0,15 м обеспечит длину оптического канала более 6 м.
3. Обоснована и разработана структура измерительного прибора контроля концентрации формальдегида. Чувствительность измерительного канала концентрации формальдегида составляет более 8,6 мВ/(мг/м³), что обеспечивает отношение сигнал/шум на уровне 20/1 при максимальном значении измеряемой концентрации формальдегида, величина которой равна 1 мг/м³.
|
| Список литературы
|
1. Супруненко О. Метан – это не только ценное топливо, и источник канцерогенов / О. Супруненко // «Зеркало недели». – № 21 от 07.06.2008 г. Электронные данные. Режим доступа: http://zn.ua/articles/53887. – Дата доступа: март 2011. – Загл. с экрана.
2. Закрытое Акционерное Общество «ИРИМЭКС» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.irimex.ru/services/catalog/analytic/rubric_709/
3. Приборы для научных исследований «ОПТЭК»[Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.optec.ru
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.
Примечание
При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Дата окончательного завершения работы: 1 декабря 2012 г. Полный текст работы и материалы по теме работы могут быть получены у автора или его научного руководителя после указанной даты.
|
|
|
