ПРИБОР-КОНТЕЙНЕР ДЛЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ АТМОСФЕРЫ

Полезная модель относится к метеорологии, в частности к приборам для спектральных исследований уровня загрязнения тропосферы и стратосферы диоксидом азота и другими газовыми примесями методами спектрометрии.
Известны приборы для исследований параметров атмосферы и степени ее загрязнения[1÷14], включающие спектрометр, средства математической обработкой результатов спектральных измерений и средства регистрации газового состава атмосферного воздуха и степени его загрязнения на постах наблюдения по результатам спектральных измерений. При этом приборы для спектральных исследований могут быть размещены на наземных [5, 14], воздушных и/или космических [1] постах наблюдения.
Однако применение этих приборов для спектральных исследований атмосферы на этих пунктах наблюдения ограничено недостаточной всепогодностью их спектрометров. Поэтому неслучайно правила эксплуатации [3] наземных приборов для спектральных исследований атмосферы предписывают размещение их в отапливаемом помещении. Нормальная работа спектрометра гарантируется изготовителем, как правило, в узком диапазоне температур окружающего воздуха, которые должны быть обеспечены на посту наблюдения. Для ввода в спектрометр измеряемого излучения, вообще говоря, необходимо оборудование в помещении автоматического поста [14], где устанавливается спектрометр, специального чердачного окна со стеклом с определенным спектральным светопропусканием и специальными техническими средствами непрерывного удаления атмосферных осадков. Все вышеперечисленное существенно ограничивает возможности спектральных исследований для получения информации о загрязнении атмосферы в как можно большем числе пространственно разнесенных мест с различными климатическими условиями.
Частично задачу всепогодности спектральных исследований атмосферы решают указанные выше космические аппараты [1], мобильные лаборатории [5] и стационарные посты [14] наблюдения за атмосферой, утепленные корпуса которых обеспечивают соблюдение температурных режимов работоспособности установленных в них множества приборов, включая спектрометр.
Однако указанный путь термостабилизации и обеспечения работоспособности спектрометров, обладающих наиболее высокой чувствительностью и информативностью по сравнению с другими приборами измерений параметров атмосферы, экономически невыгоден из-за высокой стоимости изделий [1, 5, 14], а также из-за высоких энергетических затрат на поддержание в объемных корпусах [5, 14] стабильной температуры в различных климатических и погодных условиях их применения.
Согласно [13] задачу обеспечения всепогодности спектральных измерений целесообразно решать путем установки термозависимых (точность измерений которых существенно зависит от температуры) измерительных приборов в отдельных утепленных автономных корпусах с автономной системой отопления и вентиляции.
Однако реализуемых конструкций приборов-контейнеров для спектральных исследований атмосферы в утепленных корпусах с автономной системой отопления и вентиляции из указанного источника и уровня техники не выявлено.
Задачей полезной модели является создание максимально простого в эксплуатации прибора-контейнера, с помощью которого максимально упрощается создание в произвольном месте поста наблюдения загрязнения атмосферы методами спектрометрии.
Техническим результатом, обеспечивающим решение этой задачи, является повышение стойкости прибора-контейнера для спектральных исследований атмосферы к внешним метеоусловиям его применения.
Достижение заявленного технического результата и, как следствие, решение поставленной задачи достигается тем, что прибор-контейнер для спектральных исследований атмосферы, согласно полезной модели содержит пыле-влагонепроницаемый корпус, внутренние стенки которого покрыты слоем теплоизоляции, внутри корпуса установлены соединенные между собой спектрометр и ЭВМ, снабженная средствами радиосвязи и автоматической системой регулирования температуры, причем оптика спектрометра выполнена обогреваемой и установлена на верхней стороне корпуса контейнера.
При этом автоматическая система регулирования температуры содержит не менее одного датчика температуры, установленного внутри контейнера и не менее одного датчика температуры оптики спектрометра, соединенных через ЭВМ с системой кондиционирования, включающей не менее чем один электронагреватель и не менее чем один вентилятор с воздуховодами для вентиляции внутреннего объема контейнера. Входы и выходы воздуховодов смонтированы на корпусе контейнера направленно вниз. Оптика спектрометра выполнена в виде оптической линзы из материала со спектральным светопропусканием, соответствующим диапазону спектров исследуемых газов, и закреплена на верхней стороне контейнера в термостатируемой оправе, теплоизолированной от корпуса контейнера. Средства радиосвязи содержат приемник сигналов ГЛОНАСС, приемопередатчик GPS и/или GPRS, антенна которых размещена в радиопрозрачном корпусе, закрепленном на верхней стороне контейнера.
Выполнение корпуса прибора-контейнера для спектральных исследований атмосферы пыле - влагонепроницаемым, покрытие его внутренних стенок слоем теплоизоляции, а также установка внутри корпуса соединенных между собой спектрометра и ЭВМ, снабженной средствами радиосвязи и автоматической системой регулирования температуры, причем оптика спектрометра выполнена обогреваемой и установлена на верхней стороне корпуса контейнера, позволяет обеспечить стабилизацию температуры спектрометра и его оптики независимо от погодных условий. В результате повышается точность измерений спектральных характеристик атмосферы и возможность их измерения и дистанционной передачи потребителям результатов измерений с постов наблюдений, расположенных на территории с холодным и резко континентальным климатом, как в теплое, так в холодное время года. Этим обеспечивается повышение стойкости прибора-контейнера для спектральных исследований атмосферы к внешним метеоусловиям его применения.
Выполнение оптики спектрометра обогреваемой в виде оптической линзы из материала со спектральным светопропусканием, соответствующим диапазону спектров исследуемых газов, и закрепление ее на крышке контейнера в термостатируемой оправе, теплоизолированной от корпуса контейнера, позволяет уменьшить влияние дождя и снега на запотевание или обледенение оптики, обеспечить постоянную ее видимость и, как следствие, дополнительно повысить стойкость прибора-контейнера для спектральных исследований атмосферы к внешним метеоусловиям его применения.
Снабжение автоматической системы регулирования температуры не менее чем одним датчиком температуры, установленном внутри контейнера и не менее чем одним датчиком температуры оптики спектрометра, соединенных через ЭВМ с системой кондиционирования, включающей не менее чем один электронагреватель и не менее чем один вентилятор с воздуховодами для вентиляции внутреннего объема контейнера позволяет поддерживать температурный режим спектрометра и его оптики в допустимых пределах. Следствием этого является дополнительное повышение точности спектральных измерений независимо от метеоусловий его применения. Выполнение входов и выходов воздуховодов, смонтированными на корпусе контейнера направленно вниз, позволяет уменьшить тягу естественной вентиляции внутреннего пространства корпуса прибора-контейнера. В результате уменьшается мешающее воздействие естественной вентиляции на принудительную систему регулирования температуры прибора-контейнера. Следствием этого является дополнительное повышение точности поддержания температуры спектрометра и точность спектральных измерений независимо от метеоусловий применения прибора-контейнера. Снабжение средств радиосвязи приемником сигналов ГЛОНАСС, приемопередатчиком GPS и/или GPRS, антенна которых размещена в радиопрозрачном корпусе, закрепленном на верхней стороне контейнера, дополнительно позволяет обеспечить топографическую привязку спектральных измерений к электронной карте местности и дистанционную передачу результатов измерений конечному потребителю. В связи с этим исчезает необходимость посещения оператором прибора - контейнера для снятия с магнитной памяти ЭВМ результатов измерений и параметров его местоположения, например при расположении пункта наблюдения на дрейфующей льдине. Этим дополнительно повышается надежность и оперативность спектральных исследований атмосферы в сложных климатических условиях применения прибора-контейнера.
На фиг.1 представлен рисунок, поясняющий конструкцию прибора-контейнера для спектральных исследований атмосферы, на фиг.2 - фотография опытного образца прибора-контейнера, на фиг.3 - фотография прибора-контейнера и его незамерзающей оптикой на пункте наблюдения после сильного снегопада.
Прибор-контейнер для спектральных исследований атмосферы содержит пыле-влагонепроницаемый корпус 1, внутренние стенки которого покрыты слоем теплоизоляции 2. Корпус 1 выполнен класса IP54 пыле- и влагозащиты объемом порядка одного кубического метра. Внутри корпуса 1 установлена автоматическая система управления (АСУ) температурой, включающая ЭВМ 3 и соединенные с ней не менее одного датчика температуры, не менее одного электронагревателя и не менее одного вентилятора с системой воздуховодов, входы 4 и выход 5 которых смонтированы на корпусе 1 контейнера направленно вниз. Внутри корпуса 1 установлен также спектрометр 6, соединенный по измерительному тракту с ЭВМ 3. Спектрометр 6 снабжен оптикой 7, выполненной из прозрачного материала со спектральным светопропусканием, соответствующим диапазону спектров исследуемых газов. Оптика 7 спектрометра 6 установлена в термостатируемой оправе 8 на верхней стороне корпуса 1 прибора-контейнера. Оправа 8 теплоизолирована от корпуса 1 теплоизоляционной прокладкой 9 и выполнена подогреваемой и термостатируемой при температуре порядка 45°C для быстрого удаления выпавших атмосферных осадков (снег, дождь). Для этого она снабжена соответствующими датчиком температуры (сигнальным элементом) и электронагревателем (исполнительным элементом), соединенными по сигнальным и управляющим сигналам с ЭВМ 3. ЭВМ 3 выполнена на базе персонального компьютера, снабжена средствами радиосвязи и модулем управления температурой, соединенным через порты USB 2.0 с сигнальными и исполнительными элементами термостатирования указанной выше АСУ, обеспечивающей поддержание спектрометра 6 и оптики 7 прибора-контейнера в работоспособном состоянии. По результатам измерений температуры внутри корпуса 1, а также по результатам измерений спектральных характеристик атмосферы ЭВМ 3 соединена с внешними потребителями через средства радиосвязи. Средства радиосвязи прибора-контейнера содержат приемник сигналов ГЛОНАСС, приемопередатчик GPS и/или GPRS (на фигурах не показаны), антенны которых размещены в радиопрозрачном корпусе 10, закрепленном на верхней стороне прибора-контенера. Прибор-контейнер снабжен электрическим кабелем 11 для подключения к питающей электросети и/или автономному источнику электропитания. Корпус 1 прибора-контейнера снабжен также средствами заземления и аварийного обесточивания спектрометра (на фигурах не показано).
Прибор-контейнер для спектральных исследований атмосферы работает следующим образом.
Прибор-контейнер доставляется на место проведения наблюдений, устанавливается на любой горизонтальной поверхности на открытом воздухе и подключается к питающей сети. После подачи питания ЭВМ 3 прибора-контейнера автоматически включается и по заданной программе осуществляет стабилизацию температуры внутри контейнера, управляя встроенными нагревателем и вентиляторами, а также управляет находящимся внутри контейнера 1 спектрометром 6, осуществляя измерение загрязнения тропосферы и стратосферы диоксидом азота и другими газовыми примесями. При этом ЭВМ 3 с заданным темпом обновления опрашивает датчики температуры, установленные внутри контейнера 1 и в оправе 8 оптики 7. Далее она сравнивает показания датчиков температуры с контрольными значениями (например 45°C - для оптики 7 и 24°C - для спектрометра 6), заложенными в память ЭВМ 3 и при отклонении измеренных значений температуры от контрольных значений выдает соответствующий сигнал на обогрев указанных элементов или на их охлаждение. Для нагрева указанных элементов используют соответствующие нагреватели, установленные внутри контейнера 1 и в оправе 8 оптики 7. Для охлаждения этих элементов используется вентилятор, установленный внутри корпуса 1 и соответствующие охлаждающие воздуховоды. При вращении вентилятора наружный воздух закачивается внутрь корпуса 1 через входы 4 направленно вверх, проходит через систему воздуховодов, охлаждающих проточным воздухом спектрометр 6 и оптику 7, и через выход 5 выводит нагретый воздух из корпуса 1 прибора-контейнера направленно вниз. Этим поддерживается постоянная температура для оптимальной работы спектрометра 6 и его оптики 7 в соответствии с рекомендациями фирмы-изготовителя спектрометра. Температурная стабилизация оптики 7 позволяет уменьшить влияние дождя и снега на ее запотевание или обледенение. В результате такой стабилизации обеспечивается постоянная видимость оптики 7. При этом солнечное излучение, рассеянное соответствующими газами и инородными включениями (загрязнениями) тропосферы и стратосферы, через оптику 7 поступает в спектрометр 6. Спектрометр 6 измеряет амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) принятого излучения, преобразует их в цифровую форму и передает в ЭВМ 3. ЭВМ 3 сравнивает текущие параметры АЧХ с возможными их значениями, заложенными в память ЭВМ 3, для чистой и загрязненной атмосферы. По совпадающим по частоте спектральным линиям и коэффициенту поглощения широкополосного солнечного излучения ЭВМ 3 определяет вид вредных включений в атмосферу в пункте наблюдения, такие как диоксид азота и другие промышленные загрязнения атмосферы и фиксирует их в своей памяти с заданным темпом обновления. Данные дистанционных измерений загрязнения атмосферы периодически или по запросу с диспетчерского пункта управления через радиолинию связи GPS и/или GPRS передаются конечным потребителям метеорологической информации. При передаче этих данных ЭВМ 3 с помощью аппаратуры ГЛОНАСС, размещенной в корпусе 1 прибора-контейнера, производит картографическую привязку передаваемых данных к электронной карте местности текущих измерений. За счет этой привязки у потребителя информации на соответствующем индикаторном планшете отображается пространственная картина загрязнения окружающей среды и степень опасности этих загрязнений для флоры и фауны исследуемой территории.
Полезная модель разработана на уровне опытного образца и опытных ее испытаний в районах крайнего Севера.
Источники информации:
1. Устройство для определения параметров атмосферы (ИСЗ). RU 2422859, МПК: G01W 1/00; G01N 21/00, 2011.
2. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ МЕГАПОЛИСОВ. RU 2422859, G01W 1/00; G01N 21/00, 2011
3. «Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий». Общесоюзный нормативный документ, ОНД-86, СССР, Гидрометеоиздат, Ленинград, 1987.
4. «Малый космический аппарат «Вулкан-Астрогон» с гиперспектрометром высокого разрешения». Инженерная записка, РАКА, НИИЭМ, М., 2002 г., с.8-12.
5. ЛАБОРАТОРИЯ ПЕРЕДВИЖНАЯ ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ, RU 57021, МПК: G01W 1/02; B60P 3/00, 2006.
6. УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ОПАСНЫХ ГАЗОВ. RU 2411511, МПК: G01N 27/12; G01W 1/00, 2011.
7. СИСТЕМА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА ПРОМЫШЛЕННОГО РЕГИОНА, RU 2380729, МПК: G01W 1/00; G08C 19/00, 2010.
8. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКИСЬЮ УГЛЕРОДА ПРИЗЕМНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ АВТОТРАНСПОРТНЫМИ СРЕДСТВАМИ. RU 2255361, МПК: G01W 1/00, 2005.
9. Спектрометр атмосферных ионов. RU 147822, МПК: G01W 1/00, 1962.
10. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ. RU 1516999, МПК: G01W 1/00. 1987
11. Способ определения газового состава атмосферного воздуха. RU 1764014, МПК: G01W 1/00, 1992.
12. Назаров И.М., Николаев А.Н., Фридман Ш.Д. Основы дистанционных методов мониторинга загрязнения природной среды, Ленинград, Гидрометеоиздат, 1983, с.279.
13. Габриэлян А.Г., Дианов-Клоков В.И. Спектроскопические измерения распределения антропогенной окиси углерода над г.Ереваном. ФАО АН СССР, 1982, т.18, №12, с.1312-1317.
14. АВТОМАТИЧЕСКИЙ ПОСТ ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ВОЗДУХА. RU 67733, МПК: G01W 1/02, 2007.