Лабораторія екологічного моніторингу

Лабораторія  призначена для проведення навчального процесу і наукових досліджень по створенню сучасних комп’ютиризованих газоаналізаторів, комплексів для інструментального моніторингу  забруднення атмосферного повітря.

Інструментальні методи аналізу забруднення атмосфери

В Україні НВО  (“Украналіт”)  і кафедрою НАЕПС НУТУ КПІ освоєні найсучасніші методи газового аналізу. На їхній основі створено серію автоматичних газоаналізаторів, які дозволяють здійснювати безперервний інструментальний контроль вмісту різних забрудників в аналізованих газових сумішах Інструментальні вимірювання все частіше витісняють традиційні хімічні методи аналізу.

Інфрачервоний абсорбційний метод (NDIR-метод) заснований на вимірюванні величини послаблення інтенсивності потоку інфрачервоного (ІЧ) випромінювання чи поглинання його  газовим компонентом при проходженні цього потоку крізь газову суміш, яка аналізується. Метод ІЧ-спектроскопії найбільш поширений для аналізу концентрацій  CO, CO2, SO2, NO, NO2, CH у складі багатокомпонентних газових сумішей .lab1

Турбодиметричний метод аналізу основани на вимірюванні розсіяного світла твердими частинками. Застосовується при вимірюванні димності відпрацьованих газів дизельних двигунів.

 lab2

Електрохімічний метод заснований на зміні електропровідності напівпровідникових сенсорів під дією газів. Даний метод використовується при еколого-технологічних вимірюваннях об’ємних концентрації О2, СО, NО, NO2 і SO2 у викидах димових газів і повітрі.

 lab3

Гравіметричний метод – ґрунтується на накопиченої фільтруючим матеріалом  при відборі проб за умови ізокінетичності, методом зовнішньої чи внутрішньої фільтрації.

Метод використовується для вимірювання масової концентрації пилу.

 lab4

Лабораторія оснащається саме приладами –газоаналізаторами , які реалізують вищезгадані методи газового аналізу, і дозволяють проводити комплексні дослідження складу і динаміки забруднення атмосфери.


Практичне застосування газоаналітичних приладів і системи екологічного моніторингу

В НДІ “Украналіт” разом з кафедрою НАЕПС  розроблена стаціонарна автоматична станція контролю забруднення атмосфери (АСКЗА яка призначена для здійснення безперервного довготривалого спостереження за станом атмосфери в населених пунктах та санітарно-захисних зонах промислових підприємств

Станція АСКЗА являє собою складний інженерно-технічний комплекс і складається із системи життєзабезпечення, комплекса метеодатчиків, газоаналітичного обладнання і пристрою збору і обробки інформації (ПЗОІ)
Рис.1. АСКЗА

Система життєзабезпечення включає в себе: павільйон із зовнішніми установками;  систему електропостачання і штучного освітлення; систему опалювання,  кондиціонування і вентиляції; систему забору і виведення повітря, що аналізується;  систему охоронної і пожежної сигналізації. Комплекс метеодатчиків включає в себе вимірювачі напрямку і швидкості вітру, температури, тиску,  атмосферного повітря.

Таблиця 1

 

Вимірюваний компонент Діапазон вимірювань Похибка вимірювання
напрямок вітру, град 0…360 ± 10,0
швидкість вітру, м/с 1,5…60 ± 0,5
відносна вологість повітря, % 12…98 ± 3,0
температура повітря, oС -40. ..  +50 ± 0,5
тиск, кПа 86,6…106,7 ± 0,75
діоксид сірки,  % 0…1,0 ± 15,0
оксид і діоксид азоту, % 0…10,0 ± 15,0
вуглеводні  (за винятком  метану), % 0…20…200…2000 ± 15,0
оксид вуглецю, % 0…20 ± 15,0
озон, % 0…1,0 ± 15,0
аміак, % 0…5,0 ± 15,0
сірководень, % 0…0,5 ± 15,0
пил, % 0…3,0…10,0…30,0 ± 20,0
Потужність, яка споживається  –   не більш  3 кВА
Габаритні розміри  -не більш    2200 х 2700 х 3000 мм

ПЗОІ складається з центрального мікропроцесорного пристрою, пристроїв введення сигналів датчиків, апаратури передачі даних і виконує такі функції:

– безперервно (з усередненням за 1 хв.) опитує газоаналізатори і метеодатчики і формує початкове інформаційне слово для зберігання в базі даних;

– усереднює отриману інформацію за 20 хв. і зберігає її в енергонезалежній пам’яті;

– здійснює прийом керуючої інформації і передачу даних по стандартним телефонним лініям зв’язку;

– стежить за сигналами охоронної і пожежної сигналізації і передає повідомлення в диспетчерський пункт у разі перевищення температури в станції або у разі несанкціонованого відкриття вхідних дверей.

Основа станції –  газоаналітична система, яка складається з автоматичних газоаналізаторів з уніфікованими вихідними сигналами. Набір газоаналізаторів визначає конфігурацію аналітичної системи і залежить від переліку компонентів, які аналізуються.

Структурна схема АСКЗА, яка з¢єднана міською телефонною лінією зв’язку з диспетчерським пунктом, показана на рис. 9

lab5

Рис.1.  Структурна схема АСКЗА

 

Газоаналізатори, що входять в систему повинні забезпечувати чутливість на рівні частки гранично припустимих концентрацій (ГПК) компонента, що вимірюється,  забезпечувати вибіркове вимірювання на фоні компонентів, що не вимірюються, забезпечувати стабільність при роботі без обслуговування в автоматичному режимі протягом тривалого часу.

Технічні характеристики базового комплекту газоаналізаторів, якими комплектується АСКЗА  наведені в табл.2.

ГА виконані на базі спеціалізованого МПП ядром якого є однокристальний мікроконтролер.    Крім цього, надійність і безвідмовність роботи електронного модуля в цілому досягається за рахунок  застосування елементів з низьким споживанням,  і відповідно малонавантажених елементів,  великого “запасу міцності” елементів силової електроніки,  мінімізації числа роз‘ємів.

Максимально, наскільки це можливо, використано цифрові методи обробки сигналу з огляду на  їхню явну перевагу над аналоговими.  Там, де без аналогових схем не обійтися, застосована найсучасніша елементна база провідних світових виробників. Схемотехніка  проста, але ретельно продумана. Особливо варто підкреслити застосування АЦП інтегруючого типу (дельта-сигма) для перетворення сигналів, які повільно змінюються (температур), щоб забезпечити високу точність навіть в умовах сильних завад.

Таблиця 2

Тип ГА,

Вимірюваний газ

Метод газового аналізу Похибка вимірювання, % Діапазон вимірювань,

мг/м3

Маса,

кг

Габарити,

мм

667 ФФ05,

диоксид сірки

(SO2)

Флуоресцентний ± 15,0 0-1

поріг

0,001

9 400x330x200

645 ХЛ10

оксиди азота (NO, NO2)

Хемілюмінес-центний

 

± 15,0 0-10

поріг

0,001

10 400x330x200
621 ЕХ07

оксид вуглецю

(СО)

Електрохімічний ± 15,0 0-20

поріг

0,1

3 240х240х160
623 КПИ05

вуглеводні

(SСnНm)

Полум’яно-іонізаційний

 

± 15,0 0-20

0-200

0-2000

поріг

0,1

4,6 240x200x120

 

З наведених даних видно, що забезпечення широкого комплексу технічних і метрологічних характеристик нерозривно пов’язане з експлуатаційними характеристиками. До них відносяться: габарити, вага, споживана потужність, надійність, простота і зручність в експлуатації, ергономічні і естетичні показники і т.і. Велике значення сьогодні має вартість станції. Тому при створенні нових станцій основною задачею є пошук таких рішень, які дозволять отримати якісно нові експлуатаційні характеристики, знизити її вартість.

Розробка і застосування сучасних комп’ютеризованих засобів інструментального контролю ( газоаналізаторів, газоаналітичних систем і комлексів, екологічних постів) довкілля дозволяє поетапно вирішити проблему створення загальнодержавної автоматизованої системи обробки даних моніторингу природного середовища. Все це потребує об’єднаних зусиль фахівців різноманітних спеціальностей і підтримки суспільства і держави.