СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ В АТМОСФЕРЕ
CONCENTRATION MEASUREMENT SYSTEM OF GREENHOUSES GASES INTO ATMOSPHERE

Изобретение относится к области экологии, в частности к дистанционному мониторингу природных сред, и может найти применение в системах санитарно-эпидемиологического контроля промышленных регионов.
Промышленный прогресс неизбежно связан с увеличением выбросов, так называемых «парниковых» газов, являющихся одной из причин глобального изменения климата планеты. Контроль состояния загрязнения атмосферы является составной частью обязанностей государств, подписавших Киотский протокол по экологическому мониторингу природных сред.
Основные виды загрязнений природных сред, подлежащие глобальному мониторингу по ЮНЕП, являются окислы азота, углерода, серы, хлорорганические соединения, фториды.
Известен способ оценки состояния атмосферы путем забора проб воздуха в контрольных точках и их обработкой методами аналитической химии [см., например, «Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе веществ, содержащихся в выбросах предприятий», общесоюзный нормативный документ, ОНД - 86, СССР, Гидрометеоиздат, Ленинград, 1987 г., стр. 4-5] - аналог
,
i
3
где: m [мг/м] - средняя за год концентрация i-го вещества в атмосфере;
i
CH - предельно допустимая санитарная норма i-го вещества в атмосферном воздухе согласно ГОСТ 12.1.005-88 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны»;
J - показатель степени изоэффективности вредного вещества, равный 1; 1,3; 1,5 для веществ соответственно IV, III, II и I классов опасности.
Недостатками аналога являются:
- статистическая неустойчивость метода единичных измерений на местности в контрольных точках, как таковых, при неопределенности выбора самих контрольных точек;
- неоперативность методов аналитической химии, время обработки одной пробы составляет 6-8 час.
Известно устройство экспресс-анализа воздушной среды на основе газовых датчиков со временем осреднения одного измерения ≈20 ms [см., например, «Индивидуальный газовый дозиметр» Патент RU №2137116, G.01.N, 27/16, 1999 г.] - аналог.
Устройство аналога включает чувствительный элемент, помещенный в ограниченный объем контролируемой среды, систему обработки сигнала и индикации, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде многоканального датчика из параллельно подключенных полупроводниковых пленок на основе оксидов металлов, каждая с избирательной характеристикой под определенный тип газа, размещенных на одной стороне керамической подложки, включенных по дифференциальной измерительной схеме и питаемых от стабилизатора напряжения, резистивного подогревателя, расположенного на другой стороне керамической подложки и питаемого от стабилизатора тока, последовательно подключенных к выходу многоканального датчика ячейки обработки сигнала и ячейки индикации, при этом многоканальный датчик размещен в камере с принудительной прокачкой газовой среды, а все элементы дозиметра упакованы в защитный от внешних полей корпус.
Недостатком аналога является локальность измерений, не дающая объемной картины распределения эмиссии газовых компонент по всей площади мегаполиса.
Ближайшим аналогом к заявляемому техническому решению является «Способ определения загрязнения атмосферы мегаполиса» Патент RU №2422859, G.01.W, 1/00; G.01.N, 21/00, 2011 г.
Устройство ближайшего аналога содержит космическую платформу (типа МКС), на борту которой установлены гиперспектрометр типа «Астрогон» для измерения спектральной характеристики отраженного от поверхности светового потока с одновременным получением изображения многоспектральной камерой в красной полосе 570…670 нм, осуществляющих синхронную съемку запланированных участков по командам от бортового комплекса управления на основе программ, передаваемых из Центра управления полетом по радиолинии командного управления. Данные измерений сбрасываются по мобильному каналу связи на наземные пункты приема информации, откуда, по наземным линиям связи, передаются в центр тематической обработки на базе ПЭВМ в комплекте периферийных элементов: процессора, винчестера, оперативного ЗУ, дисплея, принтера, клавиатуры, а загрязнение атмосферы рассчитывают по регрессионной зависимости:
,
∑
где: q[ПДК] - среднее значение индекса состояния атмосферы;
эт
λ - средневзвешенное значение длины волны эталонного (по Планку) солнечного спектра, равное ~500 нм;
λ - средневзвешенное значение длины волны спектра, отраженного от зондируемой поверхности;
эт
W - энергия эталонного (по Планку) солнечного спектра, нормированного относительно максимума, равная ~15,6;
i
i
∑
i
ср
ср
W - энергия солнечного потока, отраженного от зондируемой поверхности, а значения ПДК в каждой точке площади мегаполиса вычисляют по обратнопропорциональной зависимости на основе гистограммы распределения яркости пикселей n многоспектрального изображения: ПДК=q[ПДК]⋅n/n, где n - средняя яркость пикселей многоспектрального изображения.
Недостатками ближайшего аналога являются:
- невозможность разделения в результирующем сигнале отраженного светового потока эффектов атмосферной дымки и подстилающей поверхности, фиг. 3;
- невозможность количественного (процентного) определения концентрации эмиссии загрязняющих газов в суммарном индексе состояния атмосферы.
Задача, решаемая заявленной системой, состоит в повышении достоверности и точности определения концентрации парниковых газов в атмосфере путем калибровки дистанционного тракта зондирования по измерениям кассеты газовых датчиков, размещенного в контрольной точке тестового участка.
Поставленная задача решается тем, что система измерений концентрации парниковых газов в атмосфере выполнена из тракта регистрации сигнала отраженного от поверхности светового потока, дважды прошедшего атмосферу, в составе спектрометра и многоспектральной камеры, размещенных на орбитальном носителе, осуществляющих зондирование запланированных участков по программам, передаваемым из Центра управления полетом, со сбросом результатов зондирования и их тематической обработкой на базе ПЭВМ, и тракта экспресс-анализа газовых компонент в приземном слое атмосферы, размещенного на тестовом участке, работающего в режиме калибровки тракта дистанционного зондирования, в составе кассеты газовых датчиков на каждый тип газа, канального коммутатора, аналогово-цифрового преобразователя, буферного запоминающего устройства, синхронизируемых программируемой схемой выборки измерений, на основе программы, формируемой на ПЭВМ тематической обработки и пересылаемой в программируемую схему выборки измерений.
Изобретение поясняется чертежами, где:
фиг. 1 - функциональная схема системы измерений;
фиг. 2 - селективные характеристики газовых датчиков;
фиг. 3 - спектральные характеристики отраженного светового потока: а) эталонного по Планку, б) дважды прошедшего атмосферу;
фиг. 4 - коэффициенты спектральной яркости объектов подстилающей поверхности: в) лес хвойный темно-зеленый, г) лес лиственный светло-зеленый д) почва, серозем, е) степь, песок с участками травы.
фиг. 5 - гистограмма яркости пикселей изображения и соответствующих им значений ПДК.
Система измерений концентрации парниковых газов в атмосфере (фиг. 1) содержит тракт регистрации сигнала отраженного от поверхности светового потока, в составе спектрометра 1, установленного соосно со многоспектральной камерой 2 так, чтобы щель спектрометра располагалась в центре камеры, размещенных на орбитальном носителе 3, осуществляющих зондирование запланированных участков по программам, передаваемым в бортовой комплекс управления 4 орбитального носителя из Центра управления полетом 5 по радиолинии командного управления 6. Результаты зондирования записывают в бортовое запоминающее устройство 7 и, в зонах радиовидимости носителя, сбрасывают по радиолинии передачи данных 8 на наземные пункты приема информации 9, где после обработки кадров по служебным признакам на средствах 10 передают в Центр тематической обработки 11. Обработку сигнала отраженного светового потока осуществляют на ПЭВМ 12 в стандартном наборе элементов: процессор 13, винчестер 14, оперативное запоминающее устройство 15, дисплей 16, принтер 17, клавиатура 18, устройство ввода 19. Для калибровки тракта дистанционных измерений (в составе элементов 1-19) используют сигнал тракта экспресс-анализа газовых компонент в приземном слое атмосферы, размещенного на тестовом участке в составе кассеты газовых датчиков 20 на каждый тип парникового газа, канального коммутатора 21, аналогово-цифрового преобразователя 22, буферного запоминающего устройства 23, синхронизируемых программируемой схемой выборки измерений 24. Программу выборки измерений формируют на ПЭВМ 12 и пересылают в схему 24. Сигнал тракта экспресс-анализа записывают в буферное ЗУ 23 и, через устройство ввода 19, пересылают в оперативное ЗУ 14 ПЭВМ 12.
Динамика функционирования элементов системы состоит в следующем.
Согласно ближайшему аналогу селектируемыми признаками загрязнения атмосферы при дистанционном зондировании являются сдвиг средней длины волны отраженного светового потока в красную область и затухание светового сигнала из-за поглощения света молекулами смогов и его рассеяния на аэрозолях. Однакосущественный вклад в селектируемые параметры помимо состояния атмосферы, вносит подстилающая поверхность. На фиг.4 иллюстрируется зависимость коэффициента спектральной яркости (КСЯ) от типа подстилающей поверхности. Диапазон изменения КСЯ составляет от 3% до 18%, или изменяется в 6 раз. Недостатком всех методов дистанционного зондирования является принципиальная невозможность достоверного разделения в результирующем сигнале эффектов атмосферной «дымки» и подстилающей поверхности и, как следствие, невозможность выделения концентрации отдельных газовых компонент. Частично обозначенная проблема решается методом калибровки тракта дистанционных измерений синхронными измерениями тестовых (эталонных) площадок с известными значениями ПДК.
3
В заявленном техническом решении задача измерений концентрации газовых компонент в приземном слое воздуха решается путем установки на тестовом участке средств экспресс-анализа на основе электронных газовых датчиков. В соответствии с уравнением Менделеева-Клапейрона, все газы имеют универсальную постоянную теплоемкости равную ≈2 ккал/Кмоль⋅град. Однако, молярный вес газов различен, и различна удельная теплоемкость. На этой физической зависимости реализованы электронные газовые датчики. При нагревании подложки такого датчика последние проявляют различную адсорбционную чувствительность. Существуют резонансные температуры адсорбции у каждого газа. Изменения избирательности газовых датчиков иллюстрируются графиком, фиг. 2. Выходная характеристика газового датчика имеет размерность мг/м. Время осреднения газового датчика ~20μs, а быстродействие тракта ~50 измерений/сек. Такое быстродействие позволяет, с точностью до 1 сек, синхронизировать измерительные тракты системы, что исключает ошибки, связанные с турбулентностью атмосферных процессов.
Результаты измерений приземной концентрации газов, на момент дистанционного зондирования, пересылают в Центр тематической обработки. По формуле аналога
в центре тематической обработки определяют суммарное значение ПДК в точке размещения кассеты газовых датчиков. В соответствии с ГОСТ 12.1.005-88 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны» параметры измеряемых газов представляются таблицей 1.
Дистанционный метод зондирования позволяет получить картину загазованности во всем объеме атмосферы. По измерениям спектрометра в соответствии с зависимостью ближайшего аналога
i
0
определяют среднее значение ПДК при дистанционном зондировании. По полученному изображению многоспектральной камеры строят гистограмму распределения яркости пикселей кадра изображения, фиг. 5. Отождествляют яркость пикселя в точке расположения кассеты газовых датчиков с измеренным значением суммарных ПДК, согласно Таблице 1 равное 6,2. Осуществляют пересчет значений яркости пикселей n в значения ПДК по обратно пропорциональной зависимости, согласно ближайшему аналогу, относительно яркости n точки установки кассеты датчиков: , фиг. 5. Вычисляют среднее значение  по всему массиву пикселей яркости изображения кадра, равное 8 согласно реализации, фиг. 5.
При дистанционном методе зондирования световой поток дважды проходит загазованную атмосферу и существенный вклад в результирующий сигнал вносит подстилающая поверхность, поэтому оценки ПДК оказываются завышенными. Рассчитывают поправочный коэффициент калибровки тракта дистанционного зондирования из соотношения:
.
Изобретение выполнено на существующей технической базе. Эффективность заявленного устройства характеризуется документальностью, достоверностью, точностью и оперативностью.