Delist.ru

Научные основы методов и средств контроля экологического состояния автотранспорта и его воздействия на окружающую среду (30.08.2007)

Автор: Хватов Владимир Филиппович

2. Возможность использования автономного питания от аккумулятора или бортовой сети.

3. Средства контроля должны быть переносными и транспортабельными.

4. Необходимость периодической калибровки и тарировки средств контроля в процессе проведения измерений.

5. Помехозащищенность средств контроля, вызванных сложными и нестабильными климатическими условиями окружающей среды (влажность, температура, солнечная радиация, давление и другое).

6. Наличие эталонных образцов для тарировки средств контроля.

Наибольшей эффективностью для оценки загрязнения атмосферы автомобильным транспортом обладают методы и средства интегрального дистанционного контроля. При этом, контроль может проводится как поперек, так и вдоль автомагистралей. При контроле в поперечном направлении величина дистанции, как правило, имеет небольшую величину и составляет не более 100 м.(10 - 100 м). Наибольшей эффективностью для дистанционного контроля обладают лазерные методы и средства, которые при проведении контроля в поперечном направлении могут иметь в качестве источника излучения маломощные лазеры. Это позволяет создавать малогабаритные и переносные приборы, которые можно использовать для проведения контроля в полевых условиях.

Проведение интегрального дистанционного контроля автомагистралей в продольном направлении требует использования более мощных лазеров, так как величина дистанции при контроле может составлять 1 - 5 км. Подобные системы контроля могут быть как стационарными, так и передвижными. Подобные системы интегрального дистанционного контроля могут монтироваться на верхних этажах зданий, расположенных на противоположных концах автомагистралей. Так например, подобную систему можно было бы смонтировать в Санкт-Петербурге, при этом мощное лазерное устройство можно установить на Адмиралтействе, а приемные устройства на верхних этажах зданий, расположенных в противоположных концах от Адмиралтейства на проспектах Невском, Московском, Вознесенском и улице Гороховой. Это позволило бы одновременно определять степень загрязнения атмосферного воздуха практически над всей центральной частью города, а концентрации вредных веществ (СО, СН, СО2, NО2 и другие) показывать в цифровом виде на табло при въезде на эти автомагистрали. Данная информация может использоваться, например, для регулирования интенсивностью автотранспорта, если концентрация вредных веществ на автомагистрали будет превышать ПДК.

Учитывая вышеизложенное, основное внимание в данной работе уделяется лазерным дистанционным методам и средствам контроля.

Современные лазерные средства дистанционного контроля атмосферы в зависимости от структуры функциональной схемы подразделяются на бистатические и моностатические системы.

В бистатической системе источник излучения - лазер и приемное устройство разделены контролируемой средой, т.е. размещены по трассе измерений.

Бистатическая система имеет более высокую чувствительность и пространственное разрешение, но в тоже время имеет ограниченное применение, так как необходимо жесткое закрепление излучающего и приемного устройства и может быть использована только для стационарных систем. В моностатической системе лазер и приемное устройство располагаются с одной стороны, а на другом конце трассы используется отражатель. При этом отражатель может быть специально изготовленным (уголковый отражатель, зеркало и др.), либо его роль выполняют объекты естественного происхождения (стена здания, поверхность рельефа, водная поверхность и др.). Кроме того, моностатическая система позволяет реализовать контроль без отражателя, принимая обратно рассеянное лазерное излучение от мишени - контролируемой среды.

Работа любого лидара основана на полном ослаблении за счет поглощения, рассеяния лазерного пучка на известном расстоянии.

Используя закон Бугера, интенсивность пучка на приемнике после прохождения расстояния R до отражателя и обратно, равна

I((o,R) = Io,( (o)T((o,R) exp [-((abs((o,R)dr],

где T(vo,R) - функция пропускания участка атмосферы длины R.

В общем случае коэффициент поглощения

(abs((o,r)=((iabs((o,i,r)

определяется суммарным поглощением всех газовых компонент воздуха. Для того, чтобы определить вклад в поглощение примеси i-го вида, необходимо частоту лазерного излучения (o настроить в резонанс с ее линией поглощения. Если отсутствует наложение линий поглощения со стороны других газов, то можно принять (abs((o,r) = (iabs((o,i,r). Отстраивая частоту от резонанса в пределах ширины линии поглощения (, проводят измерение на частоте (o = (o,i + (. Учитывая, что отстройка не влияет на величину коэффициента рассеяния, так что T((o,R) = Ti((o,iR) = T, результатом сравнения двух измерений может стать величина относительной разницы в ослаблении лазерного пучка (,

I ((o) - I ((o,i)

( = ------------------------ ,

I ((o,R)

где I((o), I((o,i) - ослабления излучения на частотах (o, (o,i:

(I((o) = Io((o) [1 - Texp{- (iabs((o,R) dR }]

( I((o) = Io((o) [ 1- Texp{- (iabs((o,iR) dR}]

Принимая Io((o) = Io((o,i) и учитывая сравнительно небольшое ослабление за счет поглощения, имеем

( = (( Qi = (( Ni R, где (( = (iabs((o) - (iabs((o,i)

Лазерное зондирование в большинстве случаев дает лишь суммарное содержание компоненты вдоль трассы, т.е. определяются интегральные усредненные характеристики. При таком контроле измеряется количество вещества i-го вида, на трассе длины

Qi = ( Ni?dR,

В этом случае получаются статистически достоверные данные о средней плотности на трассе

Ni = Qi/R

Cхема дистанционного контроля на заданной базе при помощи лидара показана на рис. 6. Для улучшения расходимости пучок лазера 1 расширяют с помощью телескопа 5. Уголковый отражатель 6 отражает пучок точно назад. Он попадает на делительную пластинку 7 и с нее полихроматор 2 на спектрометр (оптический многоканальный анализатор) 3. Результаты измерений выводятся на самописец 4. С помощью набора фотодиодов, установленных в плоскости изображения спектрометра, можно одновременно регистрировать весь спектр лазера, генерирующего на многих линиях.

Рис. 6. Функциональная схема устройства для регистрации загрязнений воздуха с использованием уголкового отражателя.

1 - лазер, 2 - полихроматор, 3 - оптический многоканальный анализатор, 4 - регистрирующее устройство (ЭВМ, самописец и др.), 5 - телескоп, 6 - уголковый отражатель, 7 - делительная пластина.

Можно организовать регистрацию таким образом, чтобы одна половина фотодиодов использовалась для регистрации спектра лазера, а другая половина - для регистрации спектра отраженного пучка. Это дает возможность измерять ослабление для всех линий, и следовательно, одновременно получать по методике базового метода оценки средних концентраций газовых компонент резонансно поглощающих лазерное излучение. Для таких многоцелевых измерений хорошо подходят НF-, CO2- и CO - лазеры. Генерирующие одновременно на многих частотах.

Активные спектрально-оптические методы дистанционного контроля газового состава атмосферы основаны на использовании процессов поглощения, рассеяния и флуоресценции, инициируемых лазерным лучом при прохождении через атмосферу. Во многих ситуациях для задач зондирования затруднительно использовать отражатель. В этом случае для примера можно использовать сигнал, возникший в результате взаимодействия лазерного луча с воздушной мишенью-аэрозолем или газовой компонентой.

4 R 11

2 5 6 7 10

Рис. 7. Функциональная схема лидара

1 - импульсное питание, 2 - импульсный лазер, 3 - оптическая система, 4 - телескоп, 5 - спектральный анализатор, 6 - фотодетекторная система, 7 - стробирующий усилитель, 8 - линия задержки, 9 - стробирующие импульсы, 10 - регистрирующее устройство (ЭВМ, самописец и др.), 11 - объект контроля (газовая мишень).

Рис. 7 иллюстрирует основной принцип действия лидара. Интенсивный импульс оптической энергии, испущенный лазером 2, проходит через соответствующую оптическую систему 3, расширяется телескопом 4 и направляется на исследуемую газовую мишень 11, находящуюся на расстоянии R от лидара.

загрузка...