Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы
• 2. Цель, задачи и текущие результаты
• 3. Научная новизна разрабатываемой системы
• 4. Аналитический обзор исследований и разработок
• 4.1 Обзор международных источников
• 4.2 Обзор национальных источников
• 4.3 Обзор локальных источников
• 5. Результаты проведенного исследования
• Выводы
• Список источников

Введение

В XIX – XXI веках человечество сделало огромный прорыв в технической сфере развития. Появилось множество предприятий, заводов и фабрик, широкое распространение получил автомобильный транспорт. В связи с этим возникли некие побочные эффекты, как следствие гиперинтенсивного развития технологий. Одним из таких побочных эффектов является загрязнение воздуха вредными веществами.

В современных условиях в атмосферу попадает более 400 млн. т частиц золы, сажи, пыли и разного рода отходов и строительных материалов. Кроме приведенных выше веществ в атмосферу выбрасываются и другие, более токсичные вещества: пары минеральных кислот (серной, хромовой и др.), органические растворители и т. п. В настоящее время насчитывается более 500 вредных веществ, загрязняющих атмосферу [1].

Согласно отчету о состоянии окружающей среды города Донецка за 2006-2007 гг., атмосфера города загрязняется следующими вредными веществами: 916 тонн легких органических соединений, 19.2 тонны стойких органических загрязнителей, 108 тонн цианидов, 130 тонн металлов и их соединений, 15 тонн фреонов [2]. Согласно данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) за 2014 год, ежегодно в мире примерно 3,7 миллионов человек умирает из-за загрязнения атмосферного воздуха. Общее количество смертей, связанных с воздействием загрязненного воздуха, как в помещениях, так и в атмосфере, достигает 7 миллионов в год. По данным Международного агентства по изучению рака ВОЗ, загрязнение воздуха является главной причиной возникновения онкологических заболеваний [3].

Автомобильный транспорт наиболее агрессивен в сравнении с другими видами транспорта по отношению к окружающей среде. Он является мощным источником ее химического, шумового и механического загрязнения. Следует подчеркнуть, что с увеличением автомобильного парка уровень вредного воздействия автотранспорта на окружающую среду интенсивно возрастает. Так, если в начале 70-х годов ученые-экологи определили долю загрязнений, вносимых в атмосферу автомобильным транспортом, в среднем равной 13%, то в настоящее время она достигла уже 50% и продолжает расти. А для городов и промышленных центров доля автотранспорта в общем объеме загрязнений значительно выше и доходит до 70% и более, что создает серьезную экологическую проблему, сопровождающую урбанизацию [4].

В автомобилях имеется несколько источников токсичных веществ, основными из которых являются три: отработавшие газы, картерные газы, топливные испарения. Наибольшая доля химического загрязнения окружающей среды автомобильным транспортом приходится на отработавшие газы двигателей внутреннего сгорания.

Теоретически предполагается, что при полном сгорании топлива в результате взаимодействия углерода и водорода (входят в состав топлива) с кислородом воздуха образуется углекислый газ и водяной пар. Практически же вследствие физико-механических процессов в цилиндрах двигателя действительный состав отработавших газов очень сложный и включает более 200 компонентов, значительная часть которых токсична [5].

Таблица – Состав выбросов автотранспорта [5]

Компонент	ПДК, об.%	ПДК, мг·м-3
Азот	74-77	-
Кислород	0.2-8	-
Пары йода	3-13.5	0-0.003
Двуокись углерода	5-12	0-100
Углеводороды	0.2-3	0-25
Окись углерода	0.1-10	0-60
Оксиды азота	0-0.6	-
Альдегиды	0-0.2	-

Наиболее существенное влияние на живые организмы оказывает оксид углерода (СО), который относится к классам опасности 2, 3, согласно классификации ООН. Угарный газ активно связывается с гемоглобином, образуя карбоксигемоглобин, и блокирует передачу кислорода тканевым клеткам, что приводит к существенной нехватке кислорода в органах и тканях. Угарный газ также включается в окислительные реакции, нарушая биохимическое равновесие в тканях. Отравление угарным газом — острое патологическое состояние, развивающееся в результате попадания угарного газа в организм человека, является опасным для жизни и здоровья, и без квалифицированной медицинской помощи может привести к летальному исходу. Также сопровождается множеством побочных эффектов, пагубно влияющих на здоровье человека [6].

Таким образом, очевидно, что возникает необходимость контролировать содержание окиси углерода в отработавших газах автомобильного транспорта.

1. Актуальность темы

На данный момент существует множество систем и устройств обнаружения окиси углерода в исследуемых пробах. Подобные системы основываются на различных методах, например, таких как: электрохимические, оптические, хроматографические, а также ионизационные. В частности, подобные системы можно найти на станциях технического обслуживания автомобильного транспорта, в государственных автоинспекциях, различных исследовательских лабораториях и прочих местах. Однако подобные системы являются в основном лабораторными установками или приборами, которые работают непосредственно с определенной пробой, которая поступает в измерительный канал либо автоматически, либо принудительно [7].

Магистерская работа посвящена разработке системы, которая сможет выполнять измерения концентрации окиси углерода в выбросах автомобильного транспорта автоматически, без участия оператора, непосредственно в потоке движущегося автотранспорта. При этом будут учитываться различные возмущающие воздействия и внешние факторы, такие как: наличие ветра, турбулентная диффузия и прочее. Особенность разрабатываемой системы заключается в том, что измерения будут происходить в открытом измерительном канале, что исключает необходимость в предварительном заборе проб. Отсутствие необходимости в заборе проб существенно повышает быстродействие измерительной системы. Также, следует отметить, что высокое быстродействие системы дает возможность сделать некоторые допущения для упрощения математической модели измерительного процесса.

2. Цель, задачи и текущие результаты

Целью магистерской диссертации является разработка и обоснование системы непрерывного контроля концентрации окиси углерода в отработавших газах автомобильного транспорта (далее – СНКВ), которая будет находиться непосредственно на проезжей части, и измерять концентрацию окиси углерода в реальном времени, в потоке движущегося транспорта, а также осуществлять регистрацию номерных знаков автомобилей, содержание окиси углерода в отработавших газах у которых превышает максимально допустимую концентрацию, регламентированную в государственных стандартах.

Для достижения поставленной цели были решены следующие основные задачи:

1. проанализированы методы измерения концентрации газовых компонент в атмосферном воздухе, выбран метод, обеспечивающий требуемые быстродействие и параметры;
2. разработана структурная схема прибора, реализующая принятый метод измерения;
3. разработана математическая модель газовой среды и измерительной системы с целью оценки ее метрологических характеристик.

В результате решения вышеизложенных задач, была синтезирована модель измерительной системы, способной измерять оксид углерода от 0 до 1.7 объемных процентов, при этом погрешность измерений не превышает 5%.

3. Научная новизна разрабатываемой системы

В отличие от стационарных лабораторных приборов или приборов, у которых возникает необходимость в отборе проб, разрабатываемая система будет измерять концентрацию непосредственно посреди проезжей части. Это обусловлено тем, что кювета, в которой обычно происходят измерения, в данном приборе будет отсутствовать

Роль кюветы будет выполнять участок дороги, на котором будет располагаться на короткий промежуток времени облако выхлопных газов, в котором будет измеряться, по средствам определенного метода, концентрация окиси углерода. Было принято решение синхронизировать использование фотокамеры с измерением концентрации, и выполнять фотоснимки номерных знаков автомобилей, содержание окиси углерода в отработавших газах у которых превышает максимально допустимую концентрацию, регламентированную в государственных стандартах.

Таким образом, можно сделать вывод, что данная разработка была бы особенно эффективна в странах СНГ, где подобные установки не получили широкое распространение. Использование подобных систем в промышленных центрах и крупных мегаполисах существенно снизило бы количество автомобильного транспорта, выбрасывающего чрезвычайно большие объемы вредных веществ.

4. Аналитический обзор исследований и разработок

Во всем мире считается, что вопрос загрязнения воздушного бассейна считается глобальной экологической проблемой, поэтому очевидно, что подобные исследования в данном направлении уже проводились, и на сегодняшний день существует множество перспективных разработок подобных систем преимущественно зарубежного производства.

4.1 Обзор международных источников

Согласно [8] и [9], так называемые системы «дистанционных измерений выбросов» (remote sensing emissions) для автомобильного транспорта разрабатывались в Австрии, Англии и прочих государствах ЕС, а также США. Как уже ранее отмечалось, подобные системы основываются на оптических методах газового анализа. Предполагается, что система располагается вдоль дороги и состоит из следующих основных компонентов: источник излучения, система отражателей, приемник излучения, электронный блок обработки данных измерений и блок индикации [8][9].

Перспективные исследования в данной области были проведены доцентом Института Транспортных Исследований (ITS) – Джеймсом Тейтом в Кембридже в 2013 году [10], а также в Абердине – 2016 год [11]. В отчетах идет краткое изложение принципа работы измерительной системы VEMS (Vehicle Emission Measurement System) [12], а также описываются сами измерения в различных местах городов, приводятся различные статистические данные, полученные в результате проведения экспериментальных измерений концентрации различных компонентов в выхлопных газах автомобильного транспорта.

Помимо многочисленных исследований, в данной области существует также достаточно большое количество патентов, преимущественно США [13][14][15]. Фактически, в основе всех этих разработок лежат оптические методы. Широкое многообразие патентов основано на разнице в реализации этих методов и различном дополнительном функционале.

Среди наиболее актуальных российских исследовательских работ следует отметить [16], где проделана качественная и обширная работа по исследованию поведения поля концентрации вредных веществ (облака выхлопных газов), а также дан исчерпывающий перечень методик оценки загрязнений окружающей среды автомобильным транспортом. Особенность данной работы заключается в большом количестве статистических данных, являющихся наглядным материалом.

4.2 Обзор национальных источников

Как уже ранее было отмечено, исследования и разработки в данном направлении не получили широкое распространение на Украине и в странах СНГ в целом.

Однако это не означает, что никаких исследований в данном направлении на Украине не проводилось вовсе. Существуют работы в основном направленные на исследования распределения концентрации вредных веществ в облаке выхлопных газов автомобильного транспорта [17][18]. В данных работах описываются особенности распределения облака выхлопных газов с учетом различных возмущающих факторов (турбулентная диффузия, завихрения, влияния ветра и прочее).

4.3 Обзор локальных источников

В Донецком Национальном Техническом Университете было проведено несколько исследований в данном направлении. Эти исследования, в частности, были представлены в качестве магистерских диссертаций. Среди них можно выделить работы Трунова В.А. [19], Матвиенко С.С. [20], Ильтнера А.Я. [21], Сабельникова Д.А. [22], Найдюка Я.И. [23].

Очевидно, что все перечисленные работы основаны на использовании оптического метода измерений, что обуславливает его исключительность в вопросе непрерывного контроля концентрации вредных веществ в выбросах автотранспорта.

Многообразие проводимых исследований в данной области обусловлено многообразием вопросов, которые необходимо решить, при разработке средства измерений. Некоторые из представленных работ посвящены моделированию непосредственно процесса измерений, некоторые – моделированию конкретных особенностей самого процесса измерений. Таким образом, проводимые в ДонНТУ исследования в данном направлении с каждым годом становятся всё более «глубокими».

5. Результаты проведенного исследования

Проведя детальный анализ различных оптических методов газового анализа, и, руководствуясь опытом, накопленным в зарубежных исследовательских работах, было принято решение, что наиболее целесообразно разрабатывать измерительную систему на основе оптико-абсорбционного метода, в основе которого лежит закон Бугера-Ламберта-Бера [24]. Принцип действия закона представлен на рисунке 1.

Суть метода заключается в определении ΔФ – изменения мощности оптического излучения (отношение оптической мощности на выходе оптической системы к мощности на входе). Мощность оптического излучения, преодолевая расстояние L в среде с концентрацией исследуемого вещества C, с ростом концентрации экспоненциально убывает на выходе системы. Аналитическое выражение, описывающее данный метод измерений, согласно закону Бугера-Ламберта-Бера, имеет вид

Достоинства метода измерений очевидны: быстродействие; относительная простота измерительной системы – все измерения проводятся при помощи светодиода и фотоприемника, а затем обрабатываются микропроцессором; компактность и мобильность; избирательность.

К недостаткам следует отнести следующее: чрезвычайно сложное описание математической модели измерительного процесса, а также описание особенностей распределения концентрации облака выхлопных газов, под действием различных внешних воздействий.

Важно отметить, что в качестве источника излучения был выбран именно светодиод, а не лазер, обладающий гораздо большей мощностью и более узкой диаграммой направленности. Это обусловлено тем, что измеряемый компонент, оксид углерода, поглощает инфракрасное излучение в диапазоне 4.67 мкм. Известно, что на сегодняшний день не существует полупроводникового лазера с длиной волны излучения равной 4.67 мкм, или достаточно близкой к этому значению [25], что противоречит основе принципа измерений согласно выражению (1).

В соответствии с [17] следует сделать предположение, что выхлопные газы распространяются в пространстве подобно Гауссовому распределению. Поэтому, в соответствии с [26] было получено дифференциальное уравнение

где u, v – скорости ветра по осям x и y соответственно, м/с; D_i – коэффициенты диффузии по осям x, y, z; C – концентрация вещества, об. %.

Решением данного уравнения в соответствии с [26] является следующее выражение

где M – массовый выброс вредных веществ, г/с; S_z(x), a_y, a_z – некоторые коэффициенты рассеивания связанные с погодными условиями; u – скорость движения автомобиля; x,y – пространственные координаты; h – высота сопла выхлопной трубы, м; ξ(v,p,ρ,t) – некоторая функция внешних воздействий.

Для удобства представления и наглядности была представлена умозрительная модель распространения облака выхлопных газов согласно выражению (3) (см. рисунок 2).

Так как концентрация исследуемых компонентов в облаке выхлопных газов распределена неравномерно, а закон Бугера-Ламберта-Бера (1) предполагает обратное [24], то возникает необходимость перейти к интегральной форме выражения (1) для учета неравномерности распределения концентрации:

где S(L,λ) – спектральная плотность мощности на выходе системы [Вт·с]; S₀ – спектральная плотность мощности на входе системы [Вт·с].

Однако представленное на рисунке распределение облака в пространстве не в полной мере соответствует действительности. Очевидно, что на рассеяние облака выхлопных газов в пространстве влияет множество различных внешних факторов (ветер, турбулентность в среде рассеяния, температура, давление и прочее). Внешние влияющие факторы, как правило, представляют из себя некоторый случайный процесс (см. рисунок 3).

Принцип, лежащий в основе измерительного процесса разрабатываемого устройства, заключается в проведении нескольких измерений вдоль оси следования автомобильного транспорта.

Следует подчеркнуть, что необходимость проведения измерений в нескольких сечениях обоснована тем, что благодаря этому можно будет не только увеличить точность и избирательность анализа, но и уменьшить количество неверных срабатываний системы.

Для получения возможности проведения данных измерений в нескольких сечениях с учетом математической модели, описывающей внешние воздействия, были получены нормированные кривые (рис. 4), подчиняющиеся нормальному закону распределения.

По мере отдаления от начального сечения (далее С1), в котором проводятся измерения, концентрация убывает по закону представленному на рисунке 4, а размах распределения концентрации по координате x возрастает.

В этой связи были получены несколько моделей случайных процессов (рис. 5), учитывающих особенность измерений в нескольких сечениях.

На рисунке 5: С1 – начальное сечение (выхлопная труба), амплитуда максимальна, размах минимален. Остальные сечения равноудалены друг от друга на некоторое расстояние. Соответственно, С4 имеет минимальную амплитуду колебаний, при максимальном размахе (примесь рассеялась, смешавшись с газо-воздушной средой окружающего пространства).

Таким образом, были получены реальные законы распределения концентрации вредных веществ в облаке выхлопных газов, с учетом внешних воздействий (см. рисунок 6).

На данном этапе была составлена предварительная структурная схема измерительной системы (см. рис. 7).

Принцип работы системы: поток оптического излучения источника (ИИ), проходя открытый оптический канал, содержащий анализируемые компоненты, попадает на фотоприемник (ФП), на котором формируется электрический сигнал, усиливаемый предварительным усилителем (ПрУс). Стабилизация потока оптического излучения выполняется за счет специальной схемы стабилизации (ССПИ). Усиленный сигнал приводится к диапазону аналого-цифрового преобразователя (АЦП) по средствам нормирующего преобразователя (НП) и далее попадает на мультиплексор аналоговых сигналов (МАС). Для корректной работы АЦП в схеме задействовано устройство выборки-хранения (УВХ), выполняющее роль кратковременного хранилища данных. Центральный процессор (ЦП) микропроцессорного устройства (МПУ) выполняет основные функции обработки измерений, посылая на соответствующие блоки сигналы управления (С_уп1-4). БСИ – блок связи и индикации.

В результате моделирования измерительного процесса был составлен алгоритм формирования градуировочного сигнала и десятичного кода, соответствующего уровням данного сигнала. Каждый уровень сигнала соответствует некоторому осредненному значению концентрации, измеряемой на участке проезжей трассы. Аппроксимировав данную зависимость, была получена и построена соответствующая градуировочная характеристика средства измерений (см. рис 8).

Таким образом, изменение концентрации в открытом оптическом канале приведет к изменению десятичного кода, обрабатываемого микропроцессорным средством, входящим в состав системы. Пользуясь данной градуировочной зависимостью можно определить концентрацию окиси углерода в пределах 0…1.7 об.%. По предварительным оценкам метрологических характеристик была получена зависимость распределения погрешности измерения по отдельным участкам градуировочной характеристики средства измерений (см. рис. 9).

Очевидно, что с увеличением концентрации окиси углерода в облаке выхлопных газов погрешность измерений будет возрастать, из-за значительной нелинейности градуировочной характеристики.

Выводы

Таким образом, на текущем этапе исследований были получены следующие результаты:

1. проанализирован и обоснован выбранный метод, лежащий в основе измерительного процесса;
2. представлена умозрительная модель распространения выхлопных газов в пространстве;
3. разработана математическая модель рассеивания облака выхлопных газов с учетом влияния внешних воздействий;
4. проведено моделирование измерительного процесса с учетом существующей разработанной модели, в результате которого были оценены метрологические характеристики средства измерений;
5. представлена обобщенная предварительная структурная схема измерительной системы.

На следующем этапе предполагается разработка математической модели измерений в нескольких сечениях, а также разработка более информативной структурной схемы, принципиальной схемы и конструкции системы.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение – май 2018 года.

Список источников

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.