УДК 621.3.089

Hardware-software complex for control of atmospheric impurities content

А.С. Заяханов, А.А. Аюржанаев, Г.С. Жамсуева, В.В. Цыдыпов

A.S. Zayakhanov, A.A. Ayurzhanaev, G.S. Zhamsueva, V.V. Tsydypov

Отдел физических проблем Бурятского научного центра СО РАН

Lrf@pres.bscnet.ru, Lmza@mail.ru

Введение

Исследования характеристик атмосферных примесей являются одной из актуальных задач современной физики и химии атмосферы. Значительное антропогенное воздействие малых газовых составляющих атмосферы на состояние окружающей природной среды, как в региональном, так и в глобальном масштабах обусловливают необходимость систематических наблюдений за их содержанием в атмосфере, особенно в ее нижнем приземном слое. Контроль содержания вредных веществ в воздухе населенных пунктов предполагает регулярные и эпизодические обследования на стационарных, маршрутных и передвижных постах наблюдений. [ГОСТ 17.2.3.01-86]. Стационарный пост предназначен для обеспечения непрерывной регистрации содержания загрязняющих веществ или регулярного отбора проб воздуха для последующего анализа. Маршрутный пост предназначен для регулярного отбора проб воздуха, когда невозможно или нецелесообразно установить стационарный пост или необходимо более детально изучить состояние загрязнения воздуха в отдельных районах. Передвижной (подфакельный) пост предназначен для отбора проб под дымовым (газовым) факелом с целью выявления зоны влияния данного источника промышленных выбросов. В настоящее время во многих городах РФ автоматизированные системы мониторинга атмосферного воздуха активно используются для получения достоверной информации о загрязнении воздуха при решении задач и организации мероприятий по охране окружающей среды. В связи с этим актуальной задачей является разработка измерительного комплекса, способного работать как в стационаром, так и в передвижном режиме. Данный комплекс должен включать современные эффективные измерительные средства, позволяющие расширить контроль качества воздуха на производственные и природные объекты, в частности при проведении производственного контроля выбросов промышленных предприятий.

Совершенствование приборного оборудования для контроля загрязнения атмосферы, развитие компьютерной техники диктуют необходимость создания специального программного обеспечения, позволяющего оперативно собирать и обрабатывать информацию. Такой программный продукт должен обладать дружественным интерфейсом, позволяющим использовать его специалистам без специальной подготовки, а также осуществлять поддержку баз данных для реализации распределенного доступа и обработки большого объема информации, получаемой в результате работы измерительного комплекса.

В данной статье приводится описание разработанного аппаратно-программного комплекса для контроля содержания аэрозольных, газовых примесей, метеорологических и турбулентных характеристик в приземном слое атмосферы.

Состав автоматизированной системы контроля качества воздуха

Для исследования состава и свойств атмосферы в Отделе физических проблем Бурятского научного центра СО РАН разработана и используется расширенная автоматизированная система контроля качества воздуха [62]. В ее состав входят следующие оборудования, объединенные в 4 функциональные группы:

1. Газоаналитический блок включает в себя газоанализаторы приземного озона 3.02 П-А, окислов азота Р-310, диоксида углерода ОПТОГАЗ 500.4, многокомпонентный газоанализатор Каскад-512.2 для контроля содержания примесей в источниках выбросов промышленных предприятий производства ЗАО «ОПТЭК» (г. Санкт-Петербург), оксида углерода Палладий-3 ФГУП «Аналитприбор» (г. Смоленск), диоксида серы Mod. 8850 фирмы «Monitor Labs».

Газоанализаторы 3.02 П-А и Р-310 используют хемилюминесцентный метод измерения массовой концентрации измеряемых компонентов, ОПТОГАЗ 500.4 и Mod. 8850 – оптический, Палладий-3 и Каскад-512.2 – электрохимический.

Газоаналитический блок автоматизированной системы контроля качества воздуха также включает в себя средства поверки: баллоны с поверочно-газовыми смесями, источники микропотоков, калибратор 8500 озона, диоксида серы и окислов азота фирмы «Monitor Labs» со встроенным генератором озона.

2. Метеорологический блок состоит из автономных ультразвуковых метеорологических станций АМК в стационарном, двухуровневом и переносном вариантах.

Метеорологический комплекс АМК, разработанный Институтом мониторинга климато-экологических систем СО РАН (г. Томск) позволяет измерять мгновенные значения скорости ветра по трем ортогональным направлениям и температуры воздуха с максимальной частотой равной 40 Гц, что дает возможность применять метеокомплекс для оценки характеристик турбулентности воздуха [3, 4, 31].

3. Аэрозольный блок состоит из диффузионного спектрометра аэрозолей (ДСА) разработки Института химической кинетики и горения СО РАН (г. Новосибирск), предназначенный для измерения дисперсного состава и концентрации высокодисперсных аэрозолей естественного и антропогенного происхождения [100, 101]. Диапазон измеряемых диаметров частиц 3-200 нм. Диапазон концентраций, измеряемых без разбавления < 5x10⁵ см^-3. Объемный расход анализируемого аэрозоля 1 л/мин. Применяемый в составе автоматизированной системы контроля качества воздуха прибор ДСА модифицирован дополнительным счетчиком аэрозольных частиц ПК.ГТА-0,3-002. Диапазон измеряемых диаметров частиц 300-1000 нм и выше. Диапазон концентраций, измеряемых без разбавления, 10² – 3x10⁵ см^-3. Объемный расход анализируемого аэрозоля 0,8 л/мин.

Для контроля содержания аэрозоля в атмосферном воздухе в состав аэрозольного блока также включены высокообъемные пробоотборники общего количества взвешенных частиц TSP и частиц PM10, диаметром меньше 10 микрометров. Отбор проб осуществляется на кварцевый волокнистый фильтр с объемом от 0,4 до 1,7 м³/мин.

4. Фотометрический блок включает в себя солнечный фотометр SP7 разработки Института оптики атмосферы СО РАН (г. Томск) [85], который применяется для круглогодичных измерений приходящей солнечной радиации в различных участках спектра (включая УФ область), аэрозольной оптической толщи атмосферы, общего содержания водяного пара и озона. В состав солнечного фотометра SР-7 входят следующие основные узлы и блоки:

1. многоволновой солнечный фотометр со встроенным микроконтроллером;

2. система наведения и слежения за Солнцем;

3. блок датчиков Солнца и метеорологических элементов;

4) блок питания-управления и персональный компьютер.

Функциональная схема разработанной автоматизированной системы контроля качества воздуха представлена на рис. 1. Сигналы измерительных каналов приборного оборудования обрабатываются в аналогово-цифровых преобразователях, являющихся составной частью средств измерений, и затем передаются в их программное обеспечение для формирования протоколов.

Рис. 1. Функциональная схема автоматизированной системы контроля качества воздуха

Результатом работы автоматизированной системы контроля качества воздуха является большой массив файлов различной структуры и содержания. Так в режиме непрерывного мониторинга аппаратно-программный комплекс записывает более 150000 файлов в год, для систематизации и обработки которых создан программный пакет, объединяющий результаты измерений в единую базу данных.