ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

В даний час забруднення довкілля стало основною проблемою людства. Найважливішою частиною довкілля, є атмосфера, а зокрема повітря, яким ми дихаємо.

Анімація складається з 4 кадрів із затримкою в 100мс між кадрами; затримка до повторного відображення складає 100мс т.к. анімація безкінечного циклічного типу.

Рисунок 1 – Анімація складається з 4 кадрів із затримкою в 100мс між кадрами; затримка до повторного відображення складає 100мс т.к. анімація безкінечного циклічного типу.

Як відомо, більшою мірою, джерелами забруднення повітря є ті, в яких використовуються процеси горіння органічного палива, а найпоширенішими з таких є двигуни внутрішнього згоряння (ДВЗ). Так, суттєвий внесок у забруднення навколишнього середовища робить автомобільний транспорт.

Юридично концентрація викидів автомобільного транспорту контролюється за допомогою нормативних документів, державних та міжнародних стандартів, а саме ЄВРО – 4, ЄВРО – 5 та ЄВРО – 6. Але при досить розвиненій нормативній базі, на Україні надто мало приділяється уваги технічним засобам контролю викидів автомобільного транспорту.

Бензапірен – це канцерогенний газ, що міститься у викидах автомобільного транспорту у досить малих концентраціях, але при багаточасовому впливі на організм людини викликає серйозні захворювання, такі як рак легень, хвороби кишково-шлункового тракту, порушення мозкової активності та ін.

На цей час, бензапірен можливо вимірювати лише у лабораторних умовах з використанням засобів газопідготовки, які подовжують час вимірювання та ускладнюють його алгоритм. Але все більше зростає потреба виконувати контроль газів з високою швидкістю, точністю і легкістю.

Так постає задача, розробити прилад контролю викидів автомобільного транспорту, який не буде вимагати використання засобів попередньої газопідготовки, матиме високі показники точності, чутливості, та швидкості вимірювання. Розроблюваний прилад має бути розрахованим на використання людьми, які можуть не мати відповідних знань з хімії, фізики, та інших залузей знань, тому має бути простим у використанні.

Для розробки ж технічних засобів виміру концентрації забруднюючих речовин у викидах автомобільного транспорту необхідно ознайомитися з самим об'єктом дослідження і вивчити його властивості.

1. Аналіз об'єкту контролю та аналітичний огляд методів і засобів вимірювання параметрів, що контролюються

1.1 Вибір об’єкту для дослідження

Об'єктом для дослідження було обрано вихлопні гази автомобіля. Даний об'єкт був вибраний з наступних причин:

  1. об'єкт має пряме відношення до спеціальності "наукові аналітичні та екологічні прилади і системи";
  2. більш ніж 60% забруднюючих речовин до атмосфери міста потрапляють з викидами автомобільного транспорту;
  3. малий вибір серед сучасних засобів вимірювання викидів автомобільного транспорту та одноманітність вимірювальних параметрів;
  4. вивчення даного об'єкту актуальне внаслідок появи нових сучасних автомобілів, палива, а так само стандартів, контроль яких практично не можливий без відповідних приладів.

Вихлопні гази автомобіля перш за все вносять шкоду в довкілля, забруднюючи її різноманітними шкідливими газоподібними і твердими речо-винами, такими як сажа, двоокис вуглецю, альдегіди та ін.

Чадний газ (CO), наприклад, прозорий, не має запаху[1]. Цей отруйний газ, трохи легше за повітря, погано розчиняється у воді. Оксид вуглецю – продукт неповного згорання палива, на повітрі горить синім полум'ям з утворенням двоокису вуглецю (вуглекислого газу). У камері згорання двигуна CO утворюється при незадовільному розпилюванні палива, в результаті дії недостатніх температур при згорянні палива з недоліком кисню, а також унаслідок дисоціації двоокису вуглецю при високих температурах. При подальшому згорянні після займання (після верхньої мертвої точки, на такті розширення) можливе горіння оксиду вуглецю за наявності кисню з утворенням двоокису вуглецю. При цьому процес вигорання CO продовжується і у випускному трубопроводі.

Оксиди азоту (NO, NО2, N2О, N2О3, N2О5, надалі – NОx) є одними з найбільш токсичних компонентів відпрацьованих газів. За нормальних атмосферних умов азот є вельми інертним газом. При високому тиску і особливо температурах азот активно вступає в реакцію з киснем. У вихлопних газах двигунів більше 90% всієї кількості NОx складає оксид азоту NO, який ще в системи випуску, а потім і в атмосфері легко окислюється до двоокису (NО2).

Оксиди азоту роздратовують слизисті оболонки очей, носа, руйнують легені людини, оскільки при русі дихальним трактом вони взаємодіють з вологою верхніх дихальних шляхів, утворюючи азотну та азотисту кислоти. Як правило, отруєння організму людини NОx виявляється не відразу, а поступово, причому яких-небудь нейтралізуючих засобів немає.

Вуглеводні (CnНm – етан, метан, етилен, бензол, пропан, ацетилен та ін.) – органічні сполуки, молекули яких побудовані лише з атомів вуглецю і водню, є токсичними речовинами. У вихлопних газах міститься більше 200 різних сполучень CH, які діляться на аліфатичні (з відкритим або закритим ланцюгом) і таких, що містять бензолове або ароматичне кільце. Ароматичні вуглеводні містять в молекулі один або декілька циклів з 6 атомів вуглецю, сполучених між собою простими або подвійними зв'язками (бензол, нафталін, антрацен та ін.). Мають приємний запах.

Наявність CH у відпрацьованих газах двигунів пояснюється тим, що суміш в камері згорання є неоднорідною, тому біля стінок, в перезбагачених зонах, відбувається гасіння полум'я і обрив ланцюгових реакцій.

Не повністю згорілі CH, що викидаються з вихлопними газами і є сумішшю декількох сотень хімічних сполук, мають неприємний запах.

CH є причиною багатьох хронічних захворювань. Токсичні також і пари бензину, які є вуглеводнем. Допустима середньодобова концентрація пари бензину складає 1,5 мг/м3. Вміст CH у вихлопних газах зростає при дроселюванні, при роботі двигуна на режимах примусового холостого ходу.

1.2 Аналіз об’єкта контролю та обґрунтування необхідних контрольованих параметрів і дестабілізуючих чинників

Вихлопні гази (або відпрацьовані гази) – основне джерело токсичних речовин двигуна внутрішнього згорання – це неоднорідна суміш різних газоподібних речовин зі всілякими хімічними і фізичними властивостями, що складається з продуктів повного і неповного згоряння палива, надлишкового повітря, аерозолів і різних мікроскопічних домішок (як газоподібних, так і у вигляді рідких і твердих часток), що поступають з циліндрів двигунів в його випускну систему. У своєму складі вони містять близько 300 речовин, більшість з яких токсичні.

Основними нормованими токсичними компонентами вихлопних газів двигунів є оксиди вуглецю, азоту і вуглеводні. Крім того, з вихлопними газами в атмосферу поступають граничні і неграничні вуглеводні, альдегіди, канцерогенні речовини, сажа і інші компоненти. Приблизний склад вихлопних газів представлений в таблиці 1 [2].

Таблиця 1 - Склад вихлопних газів автомобільного транспорту

Компоненти вихлопних газів Склад за об’ємом, г/м 3 Примітки
Двигуни
Бензинові Дизельні
Нітроген, г/м3 від 85.07 до 88.52 від 87.37 до 89.67 нетоксичний
Кисень, г/м3 від 0.39 до 10.51 від 2.62 до 23.64 нетоксичний
Водяна пара, г/м3 від 3.44 до 6.32 від 0.57 до 4.59 нетоксичний
Двоокис вуглецю, г/м3 від 9.23 до 21.94 від 1.88 до 18.88 нетоксичний
Оксид вуглецю, г/м3 від 0.123 до 12.31 від 0.012 до 6.15 нетоксичний
Вуглеводні не канцерогенні, г/м3 від 0.107 до 1.601 від 4.8×10−3 до 0.26 нетоксичний
Альдегіди, г/м3 від 0 до 0.328 від 1.64×10−3 до 0.015 нетоксичний
Оксид сірки, г/м3 від 0 до 5.25×10−3 від 0 до 0.079 нетоксичний
Сажа, г/м3 від 0 до 0,04 від 0,01 до 1,1 нетоксичний
Бенз(а)пірен –3,4, г/м3 (від 10 до 20)×10−6 до 10×10−6 токсичний

При роботі двигуна на етильованому бензині у складі вихлопних газів присутній свинець, а в двигунах, що працюють на дизельному паливі - сажа.

1.3 Аналітичний огляд методів виміру параметрів, що контролюються в умовах об’єкту контролю

Для контролю кількості (концентрації) забруднюючих речовин, що містяться у вихлопних газах ДВС, в даний час використовуються різні методи, які відрізняються за способом використання і чутливістю [3]. Порівняльні характеристики методів зведені до таблиці 2.

Таблиця 2 –Порівняльні характеристики абсорбційних методів

Параметри Методи
Методи прямого виміру поглинання Оптико–акустичний метод Молекулярно–абсорбційний аналіз Атомно–абсорбційний анализ
Чутливість, % об. до 10–8 від 10–8 до 10 від 10–4 до 30 до 5×10–4
Похибка, % об. від 1 до 3 від 2 до 10 від 1 до 6 від 1 до 4

2 Побудова математичної моделі вимірювального каналу концентрації бенз(а)пірену у викидах автомобільного транспорту

2.1 Побудова структурної схеми пристрою

Електронний прилад, що розробляється, конструктивно планується виконати у вигляді п’яти блоків:

  1. блок вимірювання (виносний блок), що містить в своєму складі ОАД, вимірювальний міст та генератор питомої напруги ВМ;
  2. блок підготовки сигналу, що складається з RC-підсилювача, демодулятора 10 кГц, АФНЧ з полосою пропускання 5 Гц, демодулятора 5Гц та АФНЧ з полосою пропускання 0,5 Гц;
  3. мультиплексорний блок;
  4. блок обробки сигналу, який містить пристрій вибірки та зберігання, аналого-цифровий перетворювач та мікропроцесорний пристрій;
  5. блок відображення інформації.

Виносний блок з'єднується з приладом кабелем, по якому у виносний блок поступає напруга живлення датчика, а в базовий з виносного – вихідний сигнал датчика. Для того, щоб довжина сполучного кабелю не впливала на якість передачі сигналів вимірювальної інформації планується використовувати передачу інформації по кабелю у вигляді уніфікованого сигналу постійної напруги (від 0,250 до 0,300) мВ.

Структурна схема приладу вимірювання концентрації вихлопних газів автомобільного транспорту на основі оптико-акустичного методу представлена на рисунку 2[4].

Структурна схема приладу виміру онцентрації викидів автомобільного транспоту

Рисунок 2 – Структурна схема приладу виміру онцентрації викидів автомобільного транспоту

На структурній схемі на рисунку 2 позначені: ОАД – ОА детектор; ВМ – вимірювальний міст; Г – генератор; RCпідс – RC-підсилювач; ДМод (10кГц) – демодулятори сигналу 10 кГц; ДМод(5Гц) – демодулятор сигналу 5 Гц; АФНЧ (5Гц) – активний фільтр низьких частот зі смугою пропускання 5Гц; АФНЧ (0,5Гц) – активний фільтр низьких частот зі смугою пропускання 0,5 Гц; МАС – мультиплексом аналогових сигналів; ПВЗ – пристрій вибірки та зберігання; АЦП – аналогово-цифровий перетворювач; МПУ – мікропроцесорний пристрій; ЗВІ – засіб відображення інформації.

2.2 Побудова математичної моделі вимірювального каналу концентрації бенз(а)пірену

Проаналізувавши характеристики бенз (а) пірену і дані про зміст його в робочій зоні, а це 0.15 мкг/м3 [5], було зроблено висновок, що його концентрацію теоретично вимірювати за допомогою методів володіють високою чутливістю, таких як методи абсорбційного аналізу. Одним з них є метод безпосереднього поглинання речовини. Подальшим завданням стає побудова математичної моделі вимірювального середовища і побудова спектральних характеристик.

Другий закон, сформульований Бером, виражає зв'язок між інтенсивністю минулого випромінювання і концентрацією поглинаючої речовини в розчині: потік паралельних променів монохроматичного випромінювання при проходженні через розчин поглинаючої речовини концентрації С послаблюється за законом:

де I0 інтенсивність падаючого монохроматичного випромінювання; I – інтенсивність минулого монохроматичного випромінювання; k1 і k – коефіцієнти поглинання, що характеризують речовину; D – оптична щільність випромінювання; C – концентрація речовини; l – товщина поглинаючого шару.

Якщо концентрація виражена в молях на літр і товщина шару в сантиметрах, то коефіцієнт поглинання називається молярним коефіцієнтом поглинання (або молярної екстинкції) і позначається ε [6].

Таким чином оцифрований і промоделювати спектр поглинання бенз (а) пірену побудований за законом:

Для синтезу спектру були використані 17 S(λi) складових, які накладалися на основну S(λ). Спектр поглинання бенз (а) пірену зображений на рисунок 3:

Рисунок 3 – Спектр поглинання бенз (а) пірену–1, 2

де knorm = 1.28·105 – коефіцієнт нормування.

Для кращої наочності на малюнку 3 доданий спектр поглинання, який був представлений в літературі, але при цьому він трохи піднятий над моделлю, так як їх адекватність тягне злитися в один.

Для побудови математичної моделі газового середовища необхідно задатися характеристиками джерела поглинання. З отриманого спектра видно, що необхідно вибрати СІД з довгою випромінювання від 220 до 400 нм [7].

Тут постає задача моделювання параметрів СВД.

Модуляція струму СІД повинна бути синусоїдальної, що забезпечить вузькосмуговим модульованого потоку, а відповідно вихідного сигналу фотоприймача.

Вихідний потік СІД визначається як:

де I0 = 5 мА – середнє значення струму СІД; Imod = 4 мА – амплітуда струму модуляції. Амплітуда потоку модуляції визначається як Fmod = k·Imod дорівнює 4 мкВт.

Оскільки піроелектричний фотоприймач не забезпечує передачу низькочастотних сигналів та статичних сигналів, то при моделюванні враховується тільки змінна складова потоку СІД.

Спектральна щільність амплітуди потоку на довжині хвилі 280 нм синтезується з оцифрованого спектру і має вигляд:

Звідси спектральна щільність амплітуди потоку визначається як:

де S0 mod = Фmod/12.878 = 0.031 мкВт/нм – спектральна щільність відповідна амплітуді модульованого сигналу; Su – спектральна щільність випромінювача

Спектральна щільність амплітуди потоку представлена на рисунку 4.

Рисунок 4 – Спектральна щільність потоку випромінювання СІД на довжині хвилі 280 нм.

Виходячи з цих даних можна визначити оптичну щільність випромінювання для деяких випадків концентрації речовини. Оптичну щільність випромінювання визначимо як:

де l – довжина траси вимірювальної кювети; m – молярна концентрація, моль/л. Концентрація a, при цьому може змінюватися від 1 до 50 мкг/м3. Молярна маса бенз(а)пірену М = 252.32 г.

Коефіцієнт пропускання розрахуємо як:

Вихідний потік оптичного каналу при даних параметрах може змінюватися від 0.399 до 0.382 мкВт залежно від концентрації бенз(а)пірену.

Вхідний і вихідний потік оптичного каналу при максимальній концентрації бенз(а)пірену показані на рисунку 5.

Рисунок 5 – Вихідний і вхідний потоки при максимальній концентрації бенз (а) пірену.

Вихідний струм фотоприймача визначається як:

ФвихОК(50) = 0.382 – щільність вихідного потоку оптичного каналу залежить від вихідного потоку і концентрації бенз(а)пірену; k(λ) = 0.048 – коефіцієнт спектрального згоди; Sінт – інтегральна чутливість (співвідношенні між величиною потоку і величиною струму вихідного потоку).

де Sвич – спектральна фоточутливість фотоприймача.

Виходячи з отриманих даних функція вихідного струму фотоприймача представлена на малюнку 6.

Рисунок 6 – Вихідний струм фотоприймача.

Висновки

Математична модель використовується при розробці структурної схеми приладу вимірювання концентрації без (а) пірену у вихлопних газах автомобіля.

У подальшому розвитку моделі передбачено введення в неї дестабілізуючих факторів, що впливають на точність вимірювань концентрації бенз (а) пірену.

На базі отриманої математичної моделі має бути розроблена оптична схема приладу, яка повинна бути внесена в його структурну схему.

Перелік посилань

  1. Проблемы экологии – Статьи [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://problemsrf.3dn.ru/publ/vykhlopnye_gazy_avtomobilej/1-1-0-5
  2. Таблица 1.1 – Покомпонентный состав выхлопных газов ДВС [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.masters.donntu.ru/2002/feht/leonchuk/disserta.htm
  3. Немец В.М., Петров А.А., Соловьев А.А. Спектральный анализ неорганических газов./В.М. Немец, А.А. Петров, А.А. Соловьев., М.: Химия, 1988 – 240 с.: ил.
  4. Вовна А.В. Обоснование структуры спектрометрического абсорбционного инфракрасного газоанализатора средствами имитационного моделирования. ДонНТУ 2003 г. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.masters.donntu.ru/2003/kita/vovna/library/istc.htm
  5. ГОСТ 12.1.005-88. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны., М.: Изд-во стандартов. 1988.
  6. Казицина Л.А., Куплетская Н.Б. Применение УФ –, ИК –, ЯМР – спекроскопии в органической химии./ Л.А.Казицина, Н.Б.Куплетская., М.: Высш. шк., 1971.
  7. Шуберт Ф. Светодиоды. / Пер. с англ. под ред. А.Э. Юновича. – 2-е изд., М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. – 496 с.
  8. Бреслер П.И. Оптические абсорбционные газоанализаторы и их применение. / П.И.Бреслер., Л.: Энергия, 1980. – 164с.
  9. Г.И.Изъюрова, Г.В.Королев, В.А.Терехов. Расчет электронных схем. Примеры и задачи: Учеб. пособие для вузов по спец. электрон. техники. Высшая школа./ Изъюрова Г.И., Королев Г.В., Терехов В.А., Москва, 1986. – 235c.
  10. Щербаков В.И., ГрездовГ.И. Электронные схемы на операционных усилителях: Справочник./ В.И. Щербаков, Г.И. Грездов, К.: Техника, 1983.– 213 с.
  11. Терещук Р.М., Домбругов Р.М., Босый Н.Д. Справочник радиолюбителя./ Р.М.Терещук , Р.М.Домбругов, Н.Д.Босый, Государственное издательство технической литературы УССР, 1957. – 213 с.
  12. Зуев В.Е. Распространение видимых и инфракрасных волн в атмосфере./ В.Е.Зуев, М.: Советское радио, 1970. – 496с.