ПОСТ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ВОЗДУХА

Полезная модель относится к экологическим постам, предназначенным для автоматического контроля и определения содержания загрязняющих веществ в приземном слое атмосферного воздуха, давления и влажности воздуха, а также скорости и направления ветра, проведения отбора воздушных проб на поглотительные приборы для последующего анализа в стационарной лаборатории на содержание загрязняющих веществ и пыли, и может быть использована для мониторинга состояния санитарно-защитной зоны предприятий, жилых районов города, области, в частности, в районах нефтегазовых месторождений, металлургических и химических производств.
Известна станция экологического контроля окружающей среды, содержащая павильон с размещенной в нем контрольно-измерительной системой, включающей газоаналитическую аппаратуру, установленную в приборной стойке, а также прибор-измеритель взвешенных частиц, и расположенные на крыше павильона пробозаборники и мачтовое устройство с комплектом метеодатчиков (см., например, "Проблемы экологии Москвы. Сеть наземных измерений" / Под ред. Е.И.Пупырева. - М.: Московское отделение гидрометеоиздата, 1992 г., с.144-149). Станции подобного типа снабжены пробоотборными системами, подключенными к газоаналитической аппаратуре, установленной в приборной стойке, микропроцессором, обеспечивающим обработку результатов измерений и возможность передачи по телефонным каналам в центр сбора и обработки информации, а также управление анализаторами, в том числе и передачу нулевого и калибровочного газа.
Недостатком известных станций являются низкая точность и достоверность измерений параметров окружающей среды из-за отсутствия автоматической проверки и калибровки газоаналитического оборудования в процессе его эксплуатации.
Известна также система экологического контроля окружающей среды, содержащая корпус с днищем, размещенные в корпусе блоки диагностики и управления, датчики температуры нагретого и холодного воздуха, измерительную аппаратуру для измерения загрязненности воздуха, измерительную аппаратуру для измерения загрязненности воздуха с пробозаборником воздуха, а также средство для кондиционирования воздуха, при этом система снабжена осушителями воздуха, установленными в корпусе, который выполнен герметичным из цилиндрической обечайки, полусферической крышки и закрепленной на днище опорной юбки, средство для кондиционирования воздуха включает в себя термоэлектрическую батарею с верхней поверхностью
теплообменника, являющейся одной из поверхностей внутреннего воздуховода, установленного на оси симметрии корпуса вместе с внутренним вентилятором, и с нижней поверхностью теплообменника, являющейся одной из поверхностей наружного воздуховода с наружным вентилятором, при этом внутренний воздуховод через распределитель воздушного потока сообщен с объемом измерительной аппаратуры, а наружный воздуховод с пробозаборником воздуха (см. патент РФ на изобретение №2078357, МПК G 01 W 01/02, опубл. 27.04.1997 г.).
Недостатками известной системы также являются снижение точности и достоверности измерений параметров окружающей среды из-за отсутствия автоматической проверки и калибровки газоаналитического оборудования в процессе его эксплуатации.
Известна экологическая система сбора информации о состоянии региона, содержащая контрольные пункты промышленных стоков предприятий, соединенные через одноименные проводные каналы связи с соответствующими локальными диспетчерскими пунктами промышленных стоков предприятий, выходы которых через одноименные радиоканалы связи соединены с соответствующими входами центрального диспетчерского пункта, группы датчиков экологического контроля состояния среды, средства радиосвязи, аппаратуру городской телефонной сети и модем, датчики экологического контроля состояния среды первой группы через одноименные провода линии связи подключены к соответствующим входам центрального диспетчерского пункта, датчики экологического контроля состояния среды второй группы через соответствующий модем подключены к каналам аппаратуры городской телефонной сети, другие каналы которой через одноименные средства радиосвязи подключены к датчикам экологического контроля состояния среды третьей группы, одноименные каналы аппаратуры городской телефонной сети через модем соединены с центральным диспетчерским пунктом, при этом в систему введены станция космической связи, предназначенная для приема сообщений от сети спутников космической экологической разведки, авиационный комплекс оперативного дальнего действия с датчиками экологического контроля состояния среды четвертой группы, предназначенными для доразведки авиационным комплексом района загрязнения, и автомобильный комплекс ближнего действия с датчиками экологического контроля состояния среды пятой группы, предназначенными для доразведки автомобильным комплексом участка загрязнения, станция космической связи через одноименные провода линии связи подключена к соответствующим входам центрального диспетчерского пункта, указанные авиационный и автомобильный комплексы с соответствующими датчиками экологического
контроля состояния среды через одноименные средства радиосвязи подключены к каналам аппаратуры городской телефонной сети (см. патент РФ на изобретение №2145120, МПК G 08 C 19/00, G 07 C 11/00, опубл. 27.01.2000 г.).
Однако отсутствие в известной системе автоматической проверки и калибровки газоаналитического оборудования в процессе его эксплуатации снижает точность и достоверность результатов измерений характеристик окружающей среды.
Известна также автоматизированная система аварийного и экологического мониторинга окружающей среды региона, включающая стационарные контрольные посты с детекторами для измерения параметров и характеристик окружающей среды, центральный контрольный пульт, блоки управления и приемопередатчики прямой и обратной связи контрольных постов с центральным контрольным пультом, при этом система содержит мобильные контрольные посты с детекторами, блоками управления и приемопередатчиками прямой и обратной связи их с центральным контрольным пультом, каждый из которых включает блок определения местоположения, а каждый из стационарных и мобильных контрольных постов дополнительно содержит блок предварительной обработки информации, в который передаются данные измерений параметров и характеристик окружающей среды с датчиков контрольных стационарных и мобильных постов, а с блока предварительной обработки информация поступает в блок управления соответствующего контрольного поста, затем на блок шифрования от несанкционированного доступа и далее в блок помехоустойчивого кодирования, информация с которого поступает на центральный контрольный пульт (см. патент РФ на изобретение №2210095, МПК G 01 W 01/00, опубл. 10.08.2003 г.).
Недостатком известной автоматизированной системы аварийного и экологического мониторинга окружающей среды региона также является снижение точности и достоверности измерений параметров окружающей среды из-за отсутствия автоматической проверки и калибровки газоаналитического оборудования в процессе его эксплуатации.
Наиболее близким аналогом к предложенной полезной модели является станция экологического контроля воздуха, содержащая павильон (салон) с размещенной в нем аппаратурой контрольно-измерительной системы, включающей газоаналитическую аппаратуру, установленную в приборной стойке, а также прибор-измеритель взвешенных частиц, и расположенные на крыше павильона пробозаборники (пробоотборные зонды) и мачтовое устройство с комплектом метеодатчиков, при этом вся аппаратура контрольно-измерительной системы размещена в приборных стойках, которые установлены в центральной части павильона и выполнены в виде стеллажей с передвижными
по вертикали полками для установки приборов, имеющих разные размеры высоты, причем приборные стойки снабжены выдвижными полками и съемными перфорированными стенками, а над одной из приборных стоек напротив ее верхней центральной зоны через потолок и крышу павильона проложен прямой канал, сообщающий пробозаборник, установленный на крыше, и прибор-измеритель взвешенных частиц, установленный на верхней полке данной приборной стойки (см. патент РФ на изобретение №2208820, МПК G 01 W 01/02, опубл. 20.07.2003 г.).
Однако недостатками известной станции также являются снижение точности и достоверности измерений параметров окружающей среды из-за отсутствия автоматической проверки и калибровки газоаналитического оборудования в процессе его эксплуатации.
Задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является повышение точности и достоверности измерений параметров воздушной среды за счет проведения автоматической поверки и калибровки газоаналитического оборудования.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в уменьшении погрешности результатов измерений параметров воздушной среды за счет предварительного сравнения физических величин, характеризующих газовую смесь воздуха окружающей среды, относительно точных показателей эталонной газовой среды.
Указанный технический результат достигается тем, что пост экологического контроля воздуха, содержащий салон, с размещенной в нем газоаналитической аппаратурой, установленной в приборной стойке, и расположенные на крыше поста, по крайней мере, один пробоотборный зонд и комплект метеодатчиков, при этом газоаналитическая аппаратура содержит газоанализаторы, согласно полезной модели, снабжен устройством коммутации газовых потоков, генератором-разбавителем газовых смесей и баллонами, содержащими поверочные газовые смеси, при этом пробоотборный зонд, устройство коммутации газовых потоков и газоанализаторы последовательно соединены друг с другом, а баллоны, содержащие поверочные газовые смеси соединены через генератор-разбавитель газовых смесей с устройством коммутации газовых потоков.
Устройство коммутации газовых потоков может быть выполнено в виде набора электромагнитных клапанов, работающих в режиме калибровки газоанализаторов и в режиме измерений параметров воздуха.
Пост экологический может быть установлен на транспортном средстве, а приборная стойка снабжена демпферным устройством.
Введение в состав поста устройства коммутации газовых потоков и генератора-разбавителя газовых смесей с баллонами, содержащими поверочные газовые смеси, а также возможность автоматически с помощью устройства коммутации газовых потоков в режиме калибровки газоанализаторов создавать последовательное соединение баллонов, содержащих поверочные газовые смеси, генератора-разбавителя газовых смесей, устройства коммутации газовых потоков с газоанализаторами, обеспечивает перед проведением измерений автоматическую проверку и калибровку газоанализаторов, что приводит к повышению точности и достоверности измерений. Это связано с тем, что в промежутке времени между двумя поверками настройка газоанализатора может сбиться, что приведет к значительной погрешности в измерениях. Возможность проведения предварительной поверки и калибровки газоанализатора перед любым измерением относительно заведомо известных показателей эталонной газовой среды приводит к уменьшению такой погрешности. При помощи генератора-разбавителя газовых смесей и баллонов с поверочными газовыми смесями можно смоделировать имитацию воздушной среды с заведомо известными показателями. При этом при помощи устройства коммутации газовых потоков, достаточно систему последовательно подключенных баллона и генератор-разбавитель, который нужен для разбавления чистого эталонного газа для придания ему свойств и состава, близких к естественной воздушной среде, подключить к газоанализаторам.
Размещение поста экологического с возможностью перемещения, например, на шасси транспортного средства обеспечивает его высокую мобильность и маневренность в процессе эксплуатации, что позволяет определять местоположение возникших аварийно и экологически опасных источников, осуществлять вблизи них мониторинг и проводить их оперативную оценку, что расширяет функциональные возможности поста.
Размещение газоаналитической аппаратуры, в мобильном варианте исполнения поста, на приборной стойке, снабженной демпферным устройством, при наличии системы жизнеобеспечения и автономного электропитания позволяет проводить работы при любой погоде и в любое время.
Полезная модель поясняется чертежом, на котором показана структурная схема поста экологического контроля воздушной окружающей среды. Позиции на чертеже обозначают следующее: 1 - датчики метеорологического комплекса; 2 - метеорологический комплекс; 3 - пробоотборный зонд «Атмосфера»; 4 - устройство коммутации газовых потоков; 5 - генератор-разбавитель газовых смесей; 6 - баллоны, содержащие
поверочные газовые смеси; 7 - блок питания; 8 - газоанализаторы; 9 - блок сбора информации (БСИ); 10 - блок обработки информации.
Пост экологического контроля окружающей воздушной среды содержит следующее оборудование: датчики 1 (влажности, температуры, давления, скорости и направления ветра), соединенные с метеорологическим комплексом 2; пробоотборный зонд «Атмосфера» 3, соединенный с устройством 4 коммутации газовых потоков, к которому через генератор-разбавитель 5 газовых смесей присоединены баллоны 6, содержащие поверочные газовые смеси; блок питания 7. На газоаналитической (приборной) стойке размещены газоанализаторы 8, метрологический комплекс 2, блок сбора информации (БСИ) 9, блок обработки информации (БОИ) 10.
Салон поста экологического контроля окружающей среды разделен на два отсека: лабораторный и вспомогательный. В лабораторном отсеке установлена газоаналитическая стойка на демпферных устройствах с размещенной на ней газоаналитической аппаратурой, кресла, откидной столик, а также расположенные на крыше поста пробоотборные зонды вертикального зондирования и мачтовое устройство с комплектом метеодатчиков. Во вспомогательном отсеке установлены автоматический метеорологический измерительный комплекс с подъемным устройством, а также две аккумуляторные батареи, катушка с удлинителем для подключения блока питания к сети 220 В.
В качестве газоанализаторов могут быть использованы, например, газоанализаторы Р-310, СВ-320, Н-320, К-100 (изготовитель ЗАО ОПТЭК, г.Санкт-Петербург).
В качестве пробоотборного зонда вертикального зондирования может быть использован, например, зонд «Атмосфера» (изготовитель ЗАО «Экотехсервис», г.Санкт-Петербург).
В качестве метеорологического комплекса может быть использован, например, автоматический метеорологический комплекс МК-15 (изготовитель ГУ НПО «Тайфун», г.Обнинск), снабженный акустическим высокочувствительным датчиком ветра, который обеспечивает измерения вертикальной и горизонтальной составляющих скорости ветра, направления горизонтальной составляющей скорости ветра, датчиком температуры и относительной влажности воздуха, атмосферного давления. Комплекс обеспечивает передачу информации по интерфейсу RS-232 в персональный компьютер и отображение ее на экране монитора в цифровой и графической формах. Диапазоны измерения: атмосферного давления от 950 до 1050 гПа, скорости ветра от 0 до 40 м/с, направления ветра от 0 до 360°, температуры от -40 до +50°С, относительной влажности от 10 до 100%.
Метеорологический комплекс содержит мачту, предназначенную для поднятия в рабочее положение датчиков влажности, температуры, скорости и направления ветра и их ориентации по сторонам света, и электронного блока. Мачта представляет собой телескопический пневматический подъемник и закрепленные на нем датчики. Электронный блок преобразовывает информацию, поступающую от датчиков для дальнейшей передачи ее в компьютер. В транспортном положении метеорологический комплекс убран. Для его перевода в рабочее положение может быть использовано, например, устройство, состоящее из стойки и держателей, при этом телескопический пневматический подъемник метеорологического комплекса может быть закреплен держателями и вращаться вокруг стойки, а тяги предназначены для фиксации подъемника в транспортном и рабочем положениях. Для ориентации датчиков по сторонам света может быть использовано, например, устройство, позволяющее поворачивать датчики метеорологического комплекса при помощи рычага вокруг оси.
БСИ представляет собой электронное устройство, выполненное отдельным блоком и предназначенное для считывания информации с газоанализаторов, имеющей различный формат данных, по последовательному интерфейсу RS-232 и передачи этих данных в БОИ в едином формате.
В качестве БОИ используют, например, переносную микро-ЭВМ, с заложенной в нее программой, обеспечивающей автоматический сбор, накопление и статистическую обработку данных о концентрации загрязняющих веществ и метеоусловиях проведения измерений характеристик и параметров окружающей воздушной среды.
В качестве генератора-разбавителя газовых смесей для окончательного приготовления поверочных газовых смесей необходимой концентрации может быть использован, например, генератор газовых смесей типа 623 ГР-03М (изготовитель ЗАО «Украналит», г.Киев), который предназначен для приготовления газовых смесей методом динамического разбавления аттестованных исходных смесей аттестованным газом-разбавителем (воздухом или азотом), и имеет следующие метрологические характеристики: предел допускаемой относительной погрешности не ±4%; пределы допускаемых значений относительной погрешности коэффициентов разбавления не более ±3%. Генератор газовых смесей может быть использован при градуировке и поверке газоанализаторов в процессе их производства, эксплуатации, ремонта, а также при проведении научно-исследовательских работ для приготовления бинарных газовых смесей с объемной долей нормируемых компонентов 10-2 - 10-6% при условии, что в исходных газовых смесях объемная доля нормируемого компонента менее 1%.
Устройство автоматической коммутации газовых линий может быть выполнено, например, в виде набора электромагнитных клапанов, работающих по заданной программе в режиме калибровки газоанализаторов и в режиме измерений параметров воздуха.
2
2
2
2
2
2
2
С генератором-разбавителем газовых смесей соединен набор баллонов, содержащих стандартные поверочные газовые смеси. В качестве стандартных поверочных газовых смесей в баллонах под давлением могут быть использованы, например, следующие нормируемые компоненты: СО-воздух, SO-N, NO-N, NO-N, HS-N. При необходимости калибровки газоанализаторов устройство автоматической коммутации газовых линий автоматически перекрывает канал подачи атмосферного воздуха и соединяет входы газоанализаторов с баллонами стандартных поверочных смесей через генератор-разбавитель газовых смесей.
Блок питания представляет собой отдельный электронный блок, выполняющий функции преобразователя постоянного напряжения (величиной 24 В) в переменное напряжение (величиной 220 В) и зарядное устройство.
Воздушные магистрали, соединяющие газоанализаторы и средства отбора анализируемого воздуха выполнены из фторопласта, что позволяет повысить качество измерения параметров окружающей среды.
Газоаналитическая стойка предназначена для установки аналитического и вспомогательного оборудования, представляет собой металлический каркас, закрепленный в лабораторном отсеке транспортного средства, например, автомобиля, между демпферными устройствами, и обеспечивает устойчивое гашение колебаний при движении поста экологического контроля окружающей среды. Гашение колебаний происходит за счет использования демпферных устройств. Конструкция демпферных устройств позволяет уменьшать частоту и амплитуду вибраций, возникающих в результате движения транспортного средства, например, автомобиля.
Демпферное устройство может быть изготовлено, например, из металлического троса диаметром 6-8 мм, который навивается на цилиндр диаметром 70-80 мм с определенным шагом, при этом трос снимается и фиксируется в этом положении гребенками. Устанавливаются демпферные устройства, таким образом, чтобы нагрузка на них приходилась перпендикулярно оси навивки пружины.
При движении поста экологического контроля воздуха газоаналитическая стойка обеспечивает гашение колебаний, отрицательно воздействующих на аппаратуру контрольно-измерительной системы.
Пост экологический может быть размещен на любом виде транспорта. Это обеспечивает его эффективное техническое обслуживание и возможность комплектации под задачи заказчика.
Работа газоанализаторов в автоматическом режиме измерений, оснащенность метеорологического комплекса пневматическим подъемным устройством и автоматизированная система сбора с последующей обработкой информации позволяют исключить влияние квалификации оператора на замеры и получать результаты с необходимой точностью и достоверностью. Наличие системы жизнеобеспечения позволяет вести контроль за содержанием основных загрязнителей в атмосферном воздухе при любых погодных условиях, получая достоверные результаты, и обеспечивает оптимальные условия эксплуатации газоанализаторов. Удобная конструкция метеорологического комплекса снабженного подъемным пневматическим устройством позволяет в считанные минуты подготовить его к работе. Наличие блока питания дает возможность автономной работы станции в течение 8 часов.
Пост экологического контроля воздуха при измерении параметров и характеристик окружающей среды работает следующим образом.
Аналоговый сигнал с датчиков поступает на вход метеорологического комплекса, где он преобразовывается в цифровой сигнал и поступает на вход БОИ, где регистрируется и запоминается.
При включении газоанализаторов, насосы, установленные в них, начинают всасывать воздух на пробу, который через пробоотборный зонд «Атмосфера» по отдельным газопроводам поступает в устройство коммутации газовых потоков, из которого воздух подается на газоанализаторы, где анализируется ими, при этом результаты анализа выводятся на цифровое табло газоанализаторов. Одновременно сигнал с выхода газоанализаторов в цифровой форме поступает на БСИ, с него на БОИ, где регистрируется и запоминается.
Метрологические параметры газоанализатора обеспечиваются встроенным калибратором. Калибровку выполняют перед каждым новым измерением в автоматическом режиме. Калибровка предназначена для настройки работы самого газоанализатора и производится с помощью источника микропотока. Калибровка осуществляется по двум точкам: ноль и верхняя точка (верхняя точка - точка соответствующая определенной концентрации загрязнителей). При этом характеристика датчика линейная.
Калибровка, производимая с помощью поверочных газовых смесей, проводится для проверки достоверности результатов, получаемых от газоанализаторов. Периодичность калибровки определяется оператором. При этом калибровка осуществляется
следующим образом. При калибровке газоанализаторов по сигналу оператора устройство коммутации газовых потоков переключает газоанализаторы с пробоотборного зонда «Атмосфера» на баллоны со стандартными поверочными газовыми смесями. При этом смесь из баллонов, например, СО, поступает на генератор-разбавитель газовых смесей, который разбавляет ее воздухом (чистый воздух поступает из баллона) до определенной концентрации. Далее смесь заданной концентрации поступает на газоанализаторы. Затем известная концентрация смеси от генератора-разбавителя газовых смесей сравнивается с показаниями газоанализатора.
Все газоанализаторы работают в автоматическом режиме измерений, при этом цикл измерений состоит из продувки 0-газом (установка нуля), калибровки и измерения содержания газа-загрязнителя в воздухе. Калибровка производится с помощью источника микропотока, имеющегося в газоанализаторе. Информация о концентрации измеряемых газов-загрязнителей отображается на цифровом табло газоанализаторов.
Комплект воздухозаборных устройств предназначен для отбора и подачи исследуемой пробы к газоанализаторам и пробоотборному устройству.
Система сбора и обработки информации с программным обеспечением (ЭВМ с ПО) с помощью специального программного обеспечения ПЭП - ЛИГА (разработанного на ЗАО «Лига», г.Саратов) позволяет по команде оператора, по заданному алгоритму, осуществлять прием данных от газоанализаторов и метеорологического комплекса для последующей передачи данных в систему экологического мониторинга.
При стандартной комплектации поста экологического контроля окружающей воздушной среды возможен контроль следующих газов-загрязнителей в диапазонах измерений, представленных в таблице.
Таблица
Наименование газа-загрязнителя
Диапазон измерения
Аммиак, мкг/м<sup>3</sup>
0-1000
Диоксид серы (сернистый газ), мкг/м<sup>3</sup>
0-2000
Оксид азота, мкг/м<sup>3</sup>
0-1000
Диоксид азота, мкг/м<sup>3</sup>
0-1000
Оксид углерода, мг/м
0-50
Диоксид углерода, ppm
0-3000
Озон, мкг/м<sup>3</sup>
0-500
Сероводород, мкг/м<sup>3</sup>
0-200
Хлор, мкг/м<sup>3</sup>
0-10000
Суммы углеводородов, ppm
0-50
Пыль, мкг/м<sup>3</sup>
0-10000
Пост экологического контроля воздуха может быть использован при мониторинге состояния санитарно-защитной зоны предприятий, аварийном и экологическом мониторинге окружающей воздушной среды. Использование поста экологического контроля воздуха позволит осуществлять автоматический контроль и определять содержание загрязняющих веществ в приземном слое атмосферного воздуха, проводить замеры температуры, давления и влажности воздуха, скорости и направления ветра, а также проводить отбор воздушных проб на поглотительные приборы для последующего анализа в стационарной лаборатории на содержание загрязняющих веществ и пыли.