WWW.BOOK.LIB-I.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Электронные ресурсы
 

Pages:   || 2 |

«ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И КОНТРОЛЮ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ ТРУДЫ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГЛАВНОЙ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ ...»

-- [ Страница 1 ] --

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ

И КОНТРОЛЮ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ

ТРУДЫ

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ

ГЛАВНОЙ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ ОБСЕРВАТОРИИ

им. А. И. ВОЕЙКОВА

Выпуск

М ЕТОДЫ И АППАРАТУРА

А ВТО М А ТИ ЗИ РО ВА Н Н О ГО КОНТРОЛЯ

АТМ ОСФ ЕРНЫ Х ЗА ГРЯ ЗН ЕН И Й

Под редакцией канд. техн. наук В. И. КРАСОВА Л енин градский Пндрометеорологический ин-т БИБЛИОТЕКА Л-Д 195196 Малоохтинский пр., 98 ЛЕНИНГРАД ГИДРОМЕТЕОИЗДАТ 1979 УДК 551.510.42+543,27 Рассматриваются вопросы автоматизированного контроля загрязненил атмосферы, его приборного и метрологического обеспе­ чения. Приводятся результаты исследований и разработки макетных и опытных образцов аппаратуры газового анализа, основанные на новых физических методах измерения; ИК недисперсионной спек­ троскопии, фотоионизации, микроволновой спектроскопии. Показы­ вается перспективность этих методов для целей контроля загряз­ нений среды: Анализируются возможности улучшения характеристик приборов и предлагаются критерии оценки эффективности изме­ рений.

Исследуются возможности многокомпонентного анализа загряз­ нения на основе масс-спектрометрического метода.

Сборник представляет интерес для научных и инженерно-техни­ ческих работников, занимающихся разработкой контроля газового состава и загрязнения атмосферы.



The problems of automated control of atmosphere pollution are considered as well as its instrum ental and metrological provision.

There are given results of studying and developing the model and test specimen of equipment for gas analysis based on new physical methods of measurement: I. R. non-dispersive spectroscopy, photoioni­ zation, microwave spectroscopy; the perspective of using these methods is shown for the aim of environment pollution control. Pos­ sibilities of improving the instrum ent characteristics are analyzed and criteria are suggested for estim ating measurement efficiency.

The possibilities of many-component analysis of pollution is stu ­ died on the basis of mass-spectrometric technique.

The publication is of interest to researchers and engineering staff developing control of the gas composition, and pollution of the atmo­ sphere.

___ an-7Q^2’ 1903040000 © Главная геофизическая обсерватори:

^’ 069(02)-79 l» u d u 4 u u u u ^ ^ Воейкова (ГГО), 1979 г.

в. и. Красов

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОНТРОЛЬ ЗАГРЯЗНЕНИЙ

А Т М О С Ф Е Р ЫИ ЕГО П Р И Б О Р Н О Е О Б Е С П Е Ч Е Н И Е

' Создание эффективной системы контроля загрязнения атмоСферы, наряду с совершенствованием производственных процесjcoB и переходом в перспективе на безотходную технологию и ре­ гулирование эффективности систем очистки промышленных вы­ бросов, является одной из важнейших задач проблемы охраны Ькружающей среды.

! К ак составная часть единой Общегосударственной службы наб­ людений и контроля за уровнем загрязнения внешней среды си­ стема предназначена для выполнения следующих основных |функций: наблюдения и контроля за уровнем загрязнения атморферы с целью изучения распределения загрязняю щ их веществ во времени и пространстве, оценки состояния и качества окруж аю ­ щей среды, выявления источников загрязнения и определения эффективности мероприятий по защ ите окружающей среды.





Выполняемые системой оперативные и систематические наб­ людения и контроль за уровнем загрязнения атмосферного воз­ духа в городах, промышленных центрах и населенных пунктах непосредственно осуществляются сетью контроля загрязнения воз­ духа, состоящей из пунктов наблюдений, подразделяемых на три категории:

1) стационарные пункты для постоянных и длительных наблюдений, на которых главным образом производятся отбор проб ;воздуха для последующего химического анализа на содержание |вредных примесей и метеорологические наблюдения;

2) маршрутные пункты для наблюдений в постоянных точках ic использованием передвижных автолабораторий;

i 3) передвижные (подфакельные) пункты для разовых наблю ­ дений под дымовыми и газовыми факелами.

Основные трудности создания эффективной системы контроля загрязнения определяются широкой гаммой загрязняю щ их атмо­ сферу веществ. В настоящее время в СССР для 145 веществ и 20 их комбинаций в атмосферном воздухе установлены предельно допустимые концентрации (П Д К ) [3]. Наличие такого числа 1* 3 веществ делает задачу инструментального обеспечения измереник в настоящее время практически неразрешимой. Естественным вы­ ходом из создавшегося положения является выделение из общей гаммы загрязняющ их веществ приоритетных компонентов загр яз­ нения. К этой категории в первую очередь должны быть отнесены вещества, которые наиболее часто выбрасываются в атмосферу, вредно воздействуют на окружающую среду и значительны по массе. К таким веществам относятся, например, двуокись серы, окислы азота, окись углерода, углеводороды, озон и др.

На приоритетные компоненты должны разрабаты ваться авто­ матические средства газового анализа, обеспечивающие непрерыв­ ные измерения и возможность получения оперативной информации о степени загрязнения атмосферы. Измерение остальных компонен­ тов загрязнения должно осуществляться на первом этапе с по­ мощью хорошо развитых в настоящее время методов ручного хи-, мического анализа, а в дальнейшем с использованием универсаль­ ных автоматических многокомпонентных газоанализаторов.

В табл. 1 представлена система наблюдения за загрязнением атмосферы на сети Госкомгидромета, учитывающая перспективы развития автоматических средств контроля.

Таблица 1 Число Компоненты Уровни наблюдений компонентов загрязнений

–  –  –

Основой схемы является система автоматизированного наблюл дения и контроля окружающей среды (АНКОС) [1], обеспечиваю­ щ ая автоматизацию процессов измерения компонентов загрязне­ ния и метеопараметров, преобразование, передачу, сбор, обра­ ботку, накопление и документирование информации о загрязнении атмосферы. В ЭВМ системы долж на поступать информация с от­ дельных ступеней сети наблюдения; газоанализаторов, автомати-, ческих постов контроля, автоматических станций контроля загряз^ нения атмосферы (АСКЗА), передвижных станций контроля за ­ грязнений и лабораторий физико-химических методов измерения загрязнений.

i Типовая система АНКОС долж на производить измерение комюнентов загрязнения атмосферного воздуха: пыли, окиси углерода, Зернистого ангидрида, суммарных углеводородов, окислов азота, )30на; метеорологических параметров: скорости и направления ieTpa, температуры и влажности воздуха, а такж е предусматри­ вать возможность перехода к измерениям большого числа компо­ зи то в загрязнения атмосферного воздуха, включая сероводород, ^метаи, аммиак, фенол, фтористый водород, аэрозоль свинца, ртути, Сильных кислот и др. микрокомпонентов.

Основной информацией, выдаваемой системой, должны быть данные по всем параметрам загрязнения, а именно: средние су­ точные величины параметров, повторяемость и время превышения Параметрами загрязнения П Д К, 5 П Д К, Ю П Д К, максимальные шачения параметров загрязнения, суточный ход метеопараметров и параметров загрязнения (с интервалами от 3 ч при уров­ нях загрязнения, меньших П Д К, до 5 мин в экстремальных случаях, при загрязнениях, превышающих П Д К ), а такж е данные Ьб основных источниках выбросов и результаты прогноза загр яз­ нений.

Н а следующем этапе развития системы АНКОС должно быть федусмотрено наличие программ, обеспечивающих выработку опимальных решений по регулированию загрязнения атмосферы утем ограничения выбросов, движения автотранспорта и т. п.

Важнейшим элементом сети наблюдений являю тся газоаналиИторы. От реализованных в них методов измерения, структуры ростроения, характеристик выходного сигнала и метрологического Ьбеспечения во многом зависит характеристика и особенности портроення автоматизированной системы контроля в целом. По су­ ществу, прогресс в системах контроля загрязнений полностью опреляется уровнем используемых в системе средств газоаналитие <

–  –  –

ЬЛ -5501 0— 10 1 NH3 0 -5 N02 0,1 0—0,5 0,025 Оз 0-20 1 SO2 0-10 H2S 0,1 0 -5 0,5 CI2 на СО — оптический (И К спектроскопия), пламенно-иониза ционный и хроматографический;

на NO2 — электрохимический (кондуктометрия и кулоно метрия) и оптический (хемилюминесценция и УФ спектроскопия) на 2 СИ — пламенно-ионизационный, хроматографический i оптический (И К спектроскопия);

на Оз — электрохимический (кулонометрня) и оптический (хе милюминесценция).

Фотоколорнметрический метод заключается в проведении цвет ной реакции между определяемым веществом и реагентом, нане сенным на ленту или находящимся в растворе. Недостатком фото колориметрических газоанализаторов является большая инерцион!

ность, обусловленная недостаточной чувствительностью метода требующего накопления вещества из большого объема воздуха Кондуктометрический метод является разновидностью электро' химического метода и состоит в регистрации изменения электро;

проводности раствора после поглощения определяемого газа К числу недостатков кондуктометрических газоанализаторов отно;

сится сильная зависимость показаний от температуры окружаю!

щей среды и низкая избирательность анализа из-за зависимостг электропроводности раствора от наличия в нем любых други?

ионов.

Газоанализатор ГКП-1 создан на другой разновидности элект­ рохимического метода — кулонометрическом принципе. В приборах основанных на этом принципе, измеряется ток электродной реак ции окисления (восстановления) определяемого вещества или про^ дуктов его реакции.

Эти газоанализаторы отличаются простотой:

конструкции, сравнительно малыми массой и габаритами; онр имеют довольно высокую чувствительность, позволяющую опреде­ лять концентрацию на уровне П Д К, но требуют проведения пред варительной очистки анализируемого воздуха от мешающих прИ| месей и периодической замены реактивов.

Д л я определения малых концентраций углеводородов в воздухе в настоящее время в основном используются газоанализаторы, ос­ нованные на пламенно-ионизационном принципе. Например, при­ бор «Гамма-1» позволяет определять до 100 мг/м® бензола, дс 150 мг/м® толуола, до 75 мг/м® стирола, а газоанализатор «Гамма-2А» — до 150 мг/м^ хлорвинила. Эти приборы исполь-;

зуются для измерения промышленных выбросов, так как они по-!

зволяют измерять только сумму углеводородов.

Важное место в контроле воздушной среды занимаю т газоана-:

лизаторы, основанные на чисто физических принципах измерения!

По данным фирм США, Японии, Ф РГ около 40% парка анали^!

тических приборов этих стран основаны на оптических методах!

К их числу относятся в первую очередь устройства, основанные на' избирательном поглощении определяемыми веществами лучистой энергии. Д л я абсорбционного метода используют весь спектр электромагнитных колебаний, причем преимущественно опреде­ ляют пары ртути, хлор и фтор в ультрафиолетовой области, окись ^глерода, двуокись углерода, углеводороды, аммиак — в инфрафасной, а окислы азота — в видимой области спектра. Наилучпая избирательность наблю дается в дальней И К области спектра, |де вращ ательные линии поглощения вещества строго специфичны.

Эднако существующие в настоящее время детекторы в этой обасти спектра не обладаю т достаточно высокой чувствительностью.

Наиболее распространенными абсорбционными газоанализатоами являю тся оптико-акустические. Их действие основано на |)птико-акустическом эффекте, заключающемся в том, что газ, споюбный поглощать инфракрасные лучи, при прерывистом И К об­ учении в замкнутом объеме периодически нагревается и охла­ ждается, в результате чего происходят колебания температуры и давления газовой смеси. Н а этом принципе работает большое ко­ личество газоанализаторов, например, отечественные: ГМК-3, ГОА-4, ГУМ-2, ГИПЮ, ОА0304, ОА2109, ОА-2309, ОА-2Ю9М, РА2209М, ОА-5501, Сигма-СО, и зарубежные; mod. 315 и mod. 315В фирмы Bekman (СШ А), типа 85-01-5ВА фирмы Bendix (СШ А), lJNOR фирмы M aihak (Ф РГ ), 1RGA mod. 20 фирмы Grubb P a r ­ sons (Англия), Rubis 3000 (Франция) и т. д.

i Кроме того, на основе абсорбционного метода функционирует Множество приборов, в которых для выделения отдельных спектоальных участков тепловых излучателей используются специаль­ ные фильтры, монохроматоры, интерферометры.

Совершенно новые возможности оптических методов открызаются с развитием лазерной и вычислительной техники. Примене­ ние микрокомпьютера в приборе «М1гап-80» фирмы Foxboo/Wilks дало возможность анализировать 11-компонентную газо­ вую смесь с повышенной точностью [4].

Весьма перспективны для целей анализа загрязнения атмо­ сферы дистанционные системы с перестраиваемыми лазерами, при­ ходные для многокомпонентного анализа. Применяя существую­ щие оптико-акустические приемники и полупроводниковые лазеры з_ качестве селективных источников излучения, можно создать при­ боры, регистрирующие в малых объемах воздуха (порядка не­ скольких кубических сантиметров) микропримеси с концентрацией :10-6— 10-8% [2].

В стадии экспериментальных исследований находятся методы, основанные на измерениях в диапазоне СВЧ, представляющиеся не менее перспективными, чем лазерные. Техника СВЧ достигла довольно высокого уровня развития, накоплен значительный опыт применения приборов СВЧ в разных отраслях науки, и техники.

Химические соединения, загрязняю щ ие атмосферу, обладаю т свой­ ствами как поглощения энергии СВЧ, так и ее излучения, причем каж дому из них присуща строго определенная длина волны СВЧ сигнала. Н а этом принципе уже созданы квантовые генера­ торы СВЧ колебаний на аммиаке, водороде и цезии. И спользова­ ние электромагнитного излучения СВЧ может обеспечить созда­ ние газоанализатора, одновременно определяющего комплекс ве­ ществ как в малых объемах, так и на больших расстояниях.

Помехозащищенность дистанционного СВЧ анализатора може быть выше, чем у лазерного, поскольку на распространение CB'fj колебаний меньше влияет оптическая прозрачность атмосферы, j В ближайшие годы можно ожидать появления положительны;

результатов этих исследований и создания лазерных и СВЧ га зоанализаторов, весьма перспективных с точки зрения использова ния их в автоматических системах контроля загрязнения атмо сферного воздуха.

Д л я определения некоторых из распространенных загрязните:

лей (озона, двуокиси серы, окислов азота) ' наиболее специфич ными и чувствительными являю тся газоанализаторы, основанные на использовании хемилюминесцентного метода, который бази' руется на том, что интенсивность свечения, появляющегося пр^ протекании химической реакции в разреженной газовой смеси за, висит от концентрации определяемого компонента.

Этот метод обладает высокой чувствительностью и простотой!

Приборы, работающие на использовании хемилюминесценции, об­ ладаю т большой избирательностью к анализируемому веществу, Время работы этих приборов без обслулсивания зависит от работь устройств, подающих, второй компонент в реакционную камеру:

В настоящее время за рубежом существует большое количество, приборов для определения окислов азота, основанных на хемилю-:

минесцентном методе. Например, приборы, изготовленные в Япо-;

нии: модель АРНА-0500 фирмы Horiba, модель МЕС-2400 фирмы Toke-Koge, N0XA-1, mod. 104 фирмы Tociba-Bekman, mod. GLN-2 фирмы Denki K agaku Kejki Co., LTD; в США: mod. 14D фирмь TECO, mod. 642 и mod. 652 фирмы REM, модели серии 2100 фирмы M cM illan Electronics Corp.; в Англии; модель «Chemitox»| фирмы Jrubb P arsons, mod. « Luminox-201» фирмы Cussons Ri-:

cardo Lab.; во Франции: mod. ACS фирмы Boiiafite.

В нашей стране такж е проводится разработка газоанализато-| ров, основанных на этом методе (табл..4). Первые промышленный образцы некоторых приборов должны появиться в 1979 г.

Одним из новых оптических методов является молекулярная} газоф азная флюоресценция, основанная на том, что многие моле-:

кулы, например NO2, SO2, N 0, CI2, формальдегид, имеют ультра­ фиолетовые и видимые полосы поглощения, которые можно ис­ пользовать для возбуждения характеристической флюоресценции;

молекулы. Возбуждение флюоресценции производится лазерами] или высокоинтенсивными газоразрядными лампами, а измеряе­ мая длина волны выделяется светофильтрами. Прибор mod. 43| фирмы Therm o-Electron (СШ А), использующий этот метод, позво-!

ляет измерять SO2 от 0,002 до 5 ppm, а mod. 40 той же фирмы — от 1,0 до 5000 ppm с погрешностями соответственно ± 1 и ±0,5%.| Н а возбуждении инфракрасной флюоресценции основан прин-i ции действия прибора mod. 7000 фирмы Andros (СШ А), предна­ значенного для определения окиси углерода в воздухе производ-i ственных помещений. Прибор работает в диапазоне О—20 ppm;

с погрешностью ± 1 % Таблица 4

–  –  –

Рассмотренные методы и промышленные образцы приборо!

газового анализа отраж аю т современное состояние аналитической приборостроения в части локальных газовых измерений, перепек тивных для контроля загрязнений, и позволяют наметить основ:

ные направления работ по совершенствованию инструментальной обеспечения:

— улучшение характеристик выпускаемых приборов;

— повышение чувствительности, избирательности, увеличени( ресурса работы, надежности и т. д.;

— разработка приборов на новых физических принципах, обес печивающих улучшение характеристик газоанализаторов по срав нению с суш;ествуюш;ими;

— создание типовых унифицированных газоанализаторов нг блочно-модульной основе, обеспечивающих многофункциональное использование приборов на сети наблюдений и существенное уве­ личение количества автоматически измеряемых параметров.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. А н у ф р и е в В. И., З а й ц е в А. С, Некоторые вопросы построения ав;

томатизированных систем контроля за загрязнением воздуха.— Труды ГГО, 1975' вып. 325, с. 97—108.

2. Ж а р о в В. П., Ш а й д у р о в В. О., Ф е д о т о в Г. И. Детектирование сверхнизких концентраций газов в малых объемах воздуха.— Труды МВТУ 1975, № 186, вып. 8, с. 60—65.

3. П р е д е л ь н о допустимые концентрации вредных веществ в воздухе i зоде/Справ. пособие.— Л.: Химия, 1972. 376 с.

4. П р о с п е к т фирмы Foxboro/Wilks. США.

д. о. Горелик, В. И. Красов

МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ

СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ

Новый этап в развитии инструментальных методов контроля загрязнения атмосферы связан с необходимостью реализации та ­ ких основных принципов построения качественно новой наблю да­ тельной и информационной системы, как комплексность и систе­ матичность, унификация методов измерений, прогноз загрязнений воздушного бассейна [3].

Наиболее эффективный путь решения указанных принципов — создание централизованной системы контроля на базе использова­ ния многоканальной газоизмерительной автоматической аппара­ туры для измерения концентрации приоритетных микрокомпонен­ тов атмосферы: окиси углерода, сернистого газа; окиси двуокиси и суммы окислов азота; озона и суммы углеводородов.

Только организация систематических наблюдений на основе стандартизации методов анализа, разработки и выпуска прибо­ ров, создания средств метрологического обеспечения и, наконец, внедрения автоматизированных систем наблюдения и контроля позволит выявить пространственные и временные закономерности распределения микрокомпонентов и повысить оправдываемость прогнозов загрязнений в опасных метеоусловиях.

Одним из первых шагов в указанном направлении явилось при­ менение автоматизированной системы наблюдения и контроля воз­ душного бассейна Л енинграда. Эта система не обладает необхо­ димой оперативностью и решает в основном задачу сбора инфор­ мации.

В настоящее время в М оскве внедряется первая очередь опыт­ ной автоматизированной системы, которая по назначению' является информационно-предупредительной и включает два уровня:

— сбор информации автоматическими станциями (АСКЗА), стационарными пунктами и автолабораториями;

— обработка и хранение информации, оповещение потребите­ лей о превышении микрокомпонентами П Д К.

Совершенствование централизованных систем контроля загр яз­ нения атмосферы должно основываться на использовании нового поколения газоанализаторов, разработанных па чисто физических;

принципах, не требующих расхода каких-либо реактивов [1]; со­ здании образцовой аппаратуры, обеспечивающей единство и пра­ вильность измерений; решении функциональных задач краткосроч­ ного прогнозирования.

Указанным требованиям должна отвечать головная автомати­ зированная система АНКОС-АГ (рис. 1).

На первом уровне АНКОС-АГ должна функционировать голов­ ная АСКЗА, передвижные рабочие группы (П РГ) и стационарная газоаналитическая лаборатория (СТА Л). Н а втором уровне

Рис. 1. Структура системы АНКОС-АГ.

должны функционировать центр обработки информации, информационно-управляющий вычислительный комплекс, средства р е ги -:

страции и размножения информации, средства связи и передачи данных.

Согласно расчетам ГГО величина эксплуатационных Затрат на проведение одного измерения одного микрокомпонента с по­ мощью АСКЗА в 2,5 раза меньше, чем существующими средст­ вами.

Помимо высокой экономической эффективности система тина АНКОС позволяет устранить такие существенные недостатки при­ меняемых в настоящее время методов, как низкая оперативность и невозможность прогнозирования критической ситуации, что не­ минуемо приводит к задерж ке в принятии своевременных реше­ ний и реализации мероприятий по защ ите чистоты атмосферы.

Высокая технико-экономическая эффективность АНКОС-АГ |может быть обеспечена только при условии научно обоснованного выбора комплекса измерительных средств в АСКЗА и СГАЛ и оптимальной системы их метрологического обеспечения.

К ак отмечалось в работе [2], в настоящее время для оснащения автоматических станций и газоаналитических лабораторий целе­ сообразно создание инструментальных комплексов двух типов:

1) специальных автоматических средств (САС) со ш калами в единицах концентрации измеряемого микрокомпонента (на при­ оритетные вещ ества);

2) универсальных лабораторных средств (УЛАС), используе­ мых в соответствии с утвержденными методиками измерения со­ гласно ГОСТ 8.010—72 (на неприоритетные вещ ества).

Стационарные газоаналитические лаборатории должны быть оснащены такими универсальными лабораторными средствами, как хроматографы, масс-спектрометры и хроматомасс-спектрометры и спектрофотометры.

Разработка методических и метрологических аспектов контроля неприоритетных микрокомпонентов на комплексе УЛАС может вестись с единых позиций независимо от того, какие объекты окружающей среды контролируются. В их основе должно леж ать метрологическое обеспечение ш кал свойств или условных шкал универсальных приборов и разработка методик химического и дис­ персионного состава проб на основе ГОСТ 8.010—72.

Д л я метрологического обеспечения комплекса САС и аналити­ ческих задач на шесть первых приоритетных микрокомпонентов атмосферы (ПМКА) в НПО ВН ИИ М в 1976— 1978 гг. выполнены исследования, результаты которых показывают, что наиболее пер­ спективными в плане создания средств высшей точности являются спектральные и ионометрические методы.

В экспериментальный комплекс аппаратуры высшей точности для аттестации поверочных газовых смесей с микроконцентра­ циями СО входят:

1. Установка для аттестации газа-разбавителя (азот, воздух и др.). Так как исходные и образцовые газоаналитические при­ боры используют оптико-акустический принцип измерений, который обеспечивает избирательный анализ окиси углерода в присутствии большого числа примесей, то в газе-разбавителе необходимо опре­ делять только следы окиси углерода на уровне 5- 10^’’% об. (нали­ чие окиси углерода на уровне 10“®% об. вызовет погрешность опре­ деления окиси углерода в исходной газовой смеси с концентрацией 10"^% об. не более 0,1% ).

2. Установка для аттестации и получения газовых смесей по методу калиброванных объемов с погрешностью не более 0,5%.

3. Установка для аттестации газа-загрязнителя (окиси угле­ рода) с погрешностью не более 0,01—0,05%.

4. Газоаналитический прибор, градуируемый по установке и служащий для аттестации поверочных газовых смесей в баллонах под давлением с погрешностью не более 0,5%.

Теоретическая и экспериментальная оценка основных система­ тических погрешностей показала, что они не превышают величины 0,3%. Погрешность определения вместимости пипетки, определяе­ мой весовым методом с использованием в качестве наполнителя спирта, не превышает 0,2%. Погрешность определения балластного объема, включающего в себя -литровую емкость и подводящие пути, не превышает 0,01%. Погрешность определения чистоты окиси углерода на газохроматографическом комплексе НПО ВНИИМ не превышает 0,05%. Суммарная погрешность за счет неучета сжимаемости газов и поглощения материалами установки не более %.

0,0 1 Случайные погрешности приготовления газовой смеси на уста­ новке и аттестации на приборе оценивались экспериментально пу­ тем многократного приготовления газовых смесей на установке и аттестации их на приборе в течение 30 дней при различных тем­ пературах и давлении окружающего воздуха. О бработка резуль­ татов показала, что величина доверительного интервала соответ­ ствует ± 2,0% с доверительной вероятностью 0,95 для единичного измерения.

Построение градуировочной характеристики по средним значе-;

ниям позволило приписать комплексу в целом суммарную погреш -;

ность не более 1,5%. Таким образом, показано, что имеются все возможности создания исходного комплекса для аттестации газо­ вых смесей в нужном диапазоне с необходимой точностью.

Экспериментальный комплекс исходной аппаратуры на SOa, О3, H S, CI2 и NOg основан на ионометрическом методе, который бази­ руется на простой зависимости потенциала электрода от актив­ ности (концентрации) иона в растворе по уравнению Нернста.

Универсальность ионометрического метода заклю чается в воз­ можности использования широкого круга электродов, обратимых к тому или иному иону, и ограничивается, по существу, способно­ стью газа давать в растворе ионы, а такж е возможностью создания электродов для их определения..

Установки комплекса состоят из двух основных блоков: полу­ чения газовоздушной смеси и ее аттестации. В качестве источников ПМКА используются для SO и NO2 диффузионные трубки, для H S пленочный дозатор и для CI2 и О3 электролитические доза­ торы. Д л я измерения концентрации ионов иодида и сульфида р аз­ работаны иодсеребряные и сульфидсеребряные электроды

-го рода.

–  –  –

Очевидно, что в перспективе перечень приоритетных молекуляр­ ных микрокомпонентов должен быть расширен за счет включения дополнительной номенклатуры веществ, включенных в меж дуна­ родные программы мониторинга атмосферы. Это в свою очередь потребует разработки и совершенствования методов точных изме­ рений (в том числе с помощью передвижных платформ и дистан­ ционных средств), создания новых комплексов аппаратуры высшей точности и образцовых приборов, разработки научных основ испы­ таний САС и многоканальных измерительных систем, организации и осуществления государственной службы единства и правиль­ ности аэроаналитических измерений в СССР.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Б е р л я н д М. Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и за­ грязнения атмосферы.— Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 448 с.

2. Г о р е л и к Д. О. Метрологические проблемы аэроаналитических измере­ ний.— В кн.: Тезисы докладов Республиканской научно-технической конферен­ ции. Ужгород, август, 1978.— Киев, изд. ВНИИАП, 1978, с. 5—7.

3. И 3 р а э л ь Ю. А., Г а с и л и н а Н. К-, Р о в и н с к и й Ф. Я. Система на­ блюдения и контроля загрязнений природной среды в СССР.— Метеорология и гидрология, 1978, № 10, с. 3—8.

–  –  –

ИНФРАКРАСНЫЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР ДВУОКИСИ

У Г Л Е Р О Д А И В О Д Я Н О Г О П А РА В А Т М О С Ф Е Р Е

Д ля обеспечения санитарно-гигиенических норм на загрязнение газовой среды помещений промышленных предприятий важное зн а­ чение имеет контроль состава среды. Основными компонентами, влияющими на жизнедеятельность человека, являются в первую очередь для замкнутых сред обитания нетоксичных производств двуокись углерода и влажность воздуха. П редъявляемые при этом к газоаналитической аппаратуре жесткие требования по долговре­ менной стабильности, ресурсу и быстродействию часто дополняются необходимостью работы в изменяющихся по температуре и д авле­ нию условиях, что требует учета влияния этих параметров на вы­ ходные показания.

Применяемые для этих целей фотоколориметрические, мано­ метрические датчики [4], а такж е датчики, основанные на прин­ ципе измерения теплопроводности [5] и адсорбции, не отвечают полностью поставленным требованиям.

Более перспективным является физический принцип измерения, использующий спектральный метод, который вследствие малой инерционности и высокой селективности открывает возможность создания газоанализаторов, позволяющих осуществлять экспрессанализ и непрерывный контроль содержания измеряемых компо­ нентов анализируемой газовой смеси [6].

Метод спектрального измерения двуокиси углерода и водяного пара основан на свойстве молекул анализируемых газов селек­ тивно поглощать электромагнитное излучение в инфракрасной об­ ласти частот.

В практике анализа обычно используются специфические ча­ стоты спектра поглощения измеряемого газа с выделением этих ча­ стот при помощи интерференционных фильтров.

Поглощение газом потока инфракрасной радиации на длине волны А вы раж ается зависимостью Бугера—Беера [1]:

- Е с /x -V ', (1) где h — интенсивность поглощенного измеряемым газом потока, /о — интенсивность начального потока излучения, s^,-—коэффици­ ент поглощения измеряемого газа на длине волны 1, L — длина оптического пути, с — концентрация измеряемого компонента га­ зовой смеси.

Из выражения (1) следует, что величина поглощенного инфра­ красного потока излучения функционально связана с концентрацией измеряемого газа. Интенсивность начального потока измеряется в полосе частот, где поглощение инфракрасной энергии измеряе­ мыми газами отсутствует.

Спектр поглощения двуокиси углерода в атмосфере имеет по­ лосы частот с шириной порядка десятых долей микрона, центры которых расположены на 15,0, 10,4, 9,4, 5,2, 4,8, 4,3, 2,7, 2,0, 1,6, 1,4 мкм [3]. Наиболее подходящей для измерения в ИК-области, благодаря высокой интенсивности и отсутствию перекрытия с по­ лосами частот поглощения других газов атмосферы, является по­ лоса с центром 4,3 мкм.

Анализ спектра поглощения паров воды показывает, что наибо­ лее интенсивной и широкой полосой поглощения является полоса с центром на 6,25 мкм, соответствующая деформационному коле­ банию молекулы. Центр следующей по иитенсивности полосы рас­ полагается около 2,66 мкм, но перекрывается со спектром погло­ щения углекислого газа. Другие колебательно-вращательные по­ лосы поглощения находятся на длинах волн с центрами 1,87, 1,38, 1,1, 0,94, 0,81 и 0,72 мкм [3].

В разработанном газоанализаторе для вырезания характерных для двуокиси углерода и водяного пара частот в спектре поглоще­ ния использовались интерференционные фильтры с шириной полосы пропускания 0,3 мкм.

Расчет функции пропускания измеряемых газов в общем виде сложен из-за перекрывания отдельных линий поглощения, поэтому в инлсенерной практике целесообразно использовать эмпирическую формулу [2], учитывающую общее давление атмосферы;

Л, = / о е х р [ - р У Р з “ ]. (2) где Рх — коэффициент поглощения измеряемого газа на длине волны Л, ® = pL — масса поглощающего газа на единицу площади (г/см^), р — плотность газа (г/см®), L — толщина поглощающего слоя газа (см), Р ^ = Р + { В — \ ) Р х — эффективное давление (мм рт. ст.), Р — общее давление газовой смеси, мм рт. ст., Рх — пар­ циальное давление поглощающего газа, мм рт. ст., В — коэффи­ циент самоуширения, k, I — коэффициенты, зависящ ие от погло­ щающего газа, общего давления, массы поглощающего газа и ча­ стоты.

Подставив выражение плотности для состояния идеального газа;

–  –  –

Блок-схема опытного образца газоанализатора приведена на рис. 1. В качестве источника инфракрасной радиации используется миниатюрная лам па накаливания 1 с кремниевым окном, выпол­ няющим роль оптического широкополосного фильтра, не пропус­ кающего излучения в видимой и дальней И К областях спектра.

Линзой 2 поток И К радиации от источника преобразуется в п арал ­ лельный и проходит по кювете 3, через которую воздуходувкой 4 прокачивается анализируемая газовая смесь. Н а выходе кюветы установлен диск-модулятор 5, который поочередно входит в И К поток фильтры — рабочие и эталонный. Диск-модулятор с фильт­ рами приводится во вращение миниатюрным электродвигателем 6.

Промежутки диска между фильтрами непрозрачны для потока радиации, в результате чего на выходе приемника излучения 7, установленного за модулятором, возникает ’ последовательность электрических импульсов с амплитудой, пропорциональной пропус­ канию кюветы на измерительных и эталонных длинах волн. В ка­ честве приемника применен иммерсионный полупроводниковый бо­ лометр, обладающий равномерной спектральной характеристикой в рабочем диапазоне и высокой «детектирующей способностью»

D* = 7 • 10® см Гц'/^/Вт.

Схема усиления сигнала конструктивно выполнена в виде двух блоков: предусилителя 8 и собственно усилителя 9 с общим коэф­ фициентом усиления порядка 30 ООО.

Предусилитель (рис. 2) осуществляет согласование болометра {R = 2 МОм) с электронной схемой усилителя, предварительно усиливает сигнал с приемника и фильтрует его.

Входной каскад предусилителя с целью согласования с боломет­ ром выполнен на полевом транзисторе Т1 (К П 103К ), включенном по схеме с общим стоком, позволяющим получить высокое вход­ ное сопротивление. Сигнал с входного каскада поступает на опера­ ционный усилитель Э1, выполненный на интегральной микросхеме 1УТ401Б. Д л я повышения стабильности коэффициента усиления и снижения низкочастотных шумов применена частотнозависимая отрицательная обратная связь R3, R4, С2, СЗ, включенная между 1?+30 -0 -9

–  –  –

выходом и входом предусилителя через полевой транзистор Т2, на­ личие которого связано с необходимостью применения высокоомных резисторов на низких частотах.

Д л я уменьшения шумов на высоких частотах служит корректи­ рующий конденсатор С1, расположенный на входе предусилителя.

Таким образом, достигается равномерная амплитудно-частотная характеристика коэффициента усиления предусилителя в рабочем диапазоне частот, за пределами которого коэффициент усиления па­ дает за счет шунтирующего влияния емкости С1 на высоких часто­ тах и за счет увеличения сопротивления емкостей 02, СЗ, вызываю­ щего повышения глубины отрицательной обратной связи — на низ­ ких частотах.

После усиления поканальное разделение сигналов рабочих и эталонного осуществляется синхронными детекторами 10, И, 12 (см. рис. 1), каждый из которых выполнен по схеме, приведенной на рис. 3.

Транзисторный ключ Т1 пропускает импульсный сигнал только данного канала. Шунтирующий ключ, выполненный на транзисторе Т2, разомкнут только в моменты прохождения по схеме импуль­ сов данного канала. Затем импульсные сигналы преобразуются трехзвенным фильтром низких частот R4, С4, R5, €5, R6, СО в постоянное напряжение, величина которого пропорциональна про­ пусканию кюветы с исследуемым газом на данной длине волны.

Полученное постоянное напряжение усиливается до требуемого значения усилителем постоянного тока, выполненным на полевых транзисторах ТЗ, Т4 и микросхеме 1УТ401 Э1. Увеличение соотно­ шения сигнал/шум в синхронном детекторе достигается примене­ нием трехзвенного фильтра верхних частот R1, С1\ R2, С2\ R3, СЗ;

пропускающего сигнал с частотой модуляции и шумы с более вы­ сокими частотами, и трехзвенного фильтра низких частот R4, С4\ R5, С5-, R6, С6, имеющего частоту среза 1 Гц.

Пере,ключенне транзисторных ключей Т1 я Т2 осуществляется схемой управления 13 с фотодиодами 14 и 15, которые освещаются через прорези в диске-модуляторе светодиодом АЛ 107 16 (рис. 1).

Сигналы с выходов синхронных детекторов поступают на функцио

–  –  –

Оценка стабильности показаний производилась при испытаниях газоанализатора (ГА) в течение 40 суток непрерывной работы в объекте с изменяющимися температурой, давлением и концентра­ цией исследуемых газов. Показания приборов сравнивались с ре­ зультатами химического анализа состава воздуха прибором ВТИ-2.

Результаты измерений и средняя квадратическая погрешность све­ дены в табл. 1.

Из данных таблицы следует, что средние квадратические по­ грешности измерения не превышают значений, предъявляемых к аналогичным приборам измерения содержания двуокиси угле­ рода и паров воды.

Выводы

Разработан недисиерсионный инфракрасный газоанализатор для определения содержания двуокиси углерода и влажности в ат­ мосфере производственных помещений.

Использование эталонного оптического канала с применением единых оптических элементов схемы и выбор эталонной длины волны, близкой к рабочим, позволили достигнуть высокой стабиль­ ности показаний. Применение твердотельного фотоприемника в со­ четании с интерференционными фильтрами вместо традиционных оптико-акустических приемников и введение в электронную схему выделения и обработки сигнала коррекции по давлению и тем пера­ туре обеспечивают эксплуатацию прибора в условиях воздействия вибраций, ударов, в атмосфере с изменяющимися в широком д иа­ пазоне температурой и общим давлением, а такж е в условиях, тре­ бующих длительного бесиодстроечного режима работы.

Газоанализатор может найти применение при контроле и управ­ лении параметрами микроклимата.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

–  –  –

ИНФРАКРАСНЫЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР

СО С В Е Т О Д И О Д Н Ы М И З Л У Ч А Т Е Л Е М

I Применение в конструкции инфракрасных газоанализаторов соI става газовой среды полупроводниковых источников излучения — I светодиодов — позволяет существенно увеличить ресурс непрерыв­ ной работы приборов, уменьшить их габариты, массу, потреб­ ляемую мощность, что особенно важно при использовании измери­ тельной аппаратуры для контроля состава эмиссионных газов промышленных выбросов, оценки эффективности систем очистки и т. д.

К достоинствам светодиодов относятся; сравнительно высокая монохроматичность излучения (AAv = 0,05 эВ ), позволяю­ щ ая в ряде случаев отказаться от применения оптических фильт­ ров, высокая временная стабильность излучения и м алая инерцион­ ность, даю щ ая возможность реализовать электронную модуляцию потока излучения. Светодиоды отвечают повышенным требованиям но внбро- и удароустойчивости, что оказывается важным при решении ряда практических задач.

Недостатками светодиодов являются низкая температурная ста­ бильность излучения, вызываю щая необходимость применения термостатирования или схем коррекции, и относительно м алая мощ­ ность излучения при работе в непрерывном режиме [2, 5, 6].

Последнее обстоятельство требует при измерении концентрации газов перехода к импульсному режиму работы с целью повышения порога чувствительности фотометра и улучшения помехоустойчиво­ сти измерительной схемы.

Ниж е производится описание импульсного фотометрического датчика инфракрасного диапазона, предназначенного для непре­ рывного автоматического измерения состава газовой смеси, в ко­ тором реализован вариант оптической схемы, близкий к предло­ женному в [1].

Фотометрический датчик состоит из электронного модулятора, двухканального светодиодного источника излучения, измерительной кюветы и фотоприемного устройства с блоками обработки инфор­ мации и питания.

ф ункциональная схема фотометра приведена на рис. I, а эпюры напряжений, поясняющие работу схемы, представлены на рис. 2.

Светодиоды 7 и S поочередно вырабатываю т пачки световых им

–  –  –

пульсов на двух длинах волн Яг и Яг, соответствующих полосе по­ глощения контролируемого газового компонента (рабочий канал) и области спектральной прозрачности среды (эталонный канал).

–  –  –

Режим работы светодиодов выбран на основании данных, полу­ ченных в [3], и обеспечивает максимальную мощность излучения в импульсе без разогрева р — п перехода. Длительность импульсов W t t — 1ч-3 М КС, скважность Q = 1 0 0 ( f = 1 0 кГц), мощность излу­ чения в импульсе Рим п^ 10“ ^ Вт.

Частота переключения fnep каналов определяется из соображ е­ ний обеспечения оптимальных условий синхронного детектирова­ ния, с одной стороны, и из частотного распределения шумов фото­ приемника, с другой стороны, и составляет 100—300 Гц.

Формирование импульсов питания светодиодов производится задаю щим генератором 2; переключение каналов осуществляется генератором схемы переключения каналов 1 с частотой /пер. Усилен­ ные ключевыми каскадами 5 и 5 пачки импульсов, сформирован­ ные в схемах Ui и и^, управляю т током светодиодов 7 и 8, включен­ ных в нагрузку транзисторов.

Так как светодиоды имеют линейную люкс-амперную характе­ ристику и малоинерционны, преобразование электрических импуль­ сов в световые происходит без существенных искажений формы.

Последовательность импульсов, сформированная блоком передатчика, пройдя через кювету с газом, модулируется по амплитуде за счет различного поглощения света на длинах волн A и Яг и ре­,i гистрируется фотоприемником 9. После усиления в схеме двухкас­ кадного усилителя со следящим ограничением 10 производится фильтрация несущей частоты 11 и 12, а затем детектирование оги­ бающей в схеме второго синхронного детектора 13. Усиленное в УПТ 14 постоянное напряжение регистрируется прибором 15.

Выходное напряжение анализатора

–  –  –

где АР — разбаланс излучательных мощностей светодиодов.

При выводе формулы (2) предполагалось равенство чувстви­ тельности фотоприемника и пропускания кюветы для длин волн р а­ бочего (Xi) и эталонного (Яг) светодиодов, что справедливо для ряда спектральных диапазонов.

Минимальный сигнал, регистрируемый прибором, определяется в основном шумовыми характеристиками фотоприемника:

–  –  –

где Рд — пороговая мощность, приведенная ко входу фотоприем­ ника.

Приравнивая правые части в выражениях (2) и (3), получаем минимальную величину поглощения, регистрируемую фотометриче­ ским датчиком:

–  –  –

Величина оптического поглощения Л* связана с концентрацией измеряемого компонента С (в мг/л) приближенным соотношением ж А х = \ —е « есд./ при (5) где 8 — коэффициент экстинкции (л/(м г-см )), / — длина кюветы (см).

При использовании светодиодов с мощностью излучения в им­ пульсе Римп = 10~1 Вт И фотоприемника, имеющего в полосе частот схемы выделения сигнала пороговую мощность Рц порядка 10~® Вт, отношение Яп 10Р Исследования временной и температурной стабильности свето­ диодов видимого и ближнего И К диапазона, выполненные в работе [6], показали, что временная нестабиль?юсть интенсивности излучеДР ния светодиодов в течение 1000 часов непрерывной работы не превышала 1%,, а температурная нестабильность характеризуется коэффициентом кт, равным десятым долям процента на 1 °С.

Применение специального двухканального источника излучения, представляющего собой пару близких по составу светодиодов, смонтированных на одной подложке в общем корпусе, позволяет застабилизировать относительное изменение интенсивностей светоДР диодов рабочего и эталонного каналов —— с точностью 0,3 %. Эта величина в соответствии с (4) определяет предельно измеряемую величину оптического поглощения в полосе излучения светодиода и, согласно выражению (5), минимально измеряемую при данной длине кюветы концентрацию газового компонента.

Были проведены испытания экспериментального образца газо­ анализатора, в котором использовался двухканальный импульсный светодиодный источник, излучающий на длинах волн Хр = 4,2 мкм (полоса поглощения углекислого газа) и Я = 3,8 мкм («окно про­ д зрачности» атмосферы). При кювете длиной 30 мм диапазон опре­ деления парциального давления углекислого газа составил 1— 16 мм рт. ст. Погрешность измерения парциального давления в ука­ занном диапазоне при изменении температуры воздуха от 10 до 30 °С составила 1 мм рт. ст. [4].

Прибор имеет следующие характеристики: габариты 300Х 200Х ХЮО мм, масса 1,8 кг, напряжение питания 27 В, потребляемая мощность 4 Вт.

Разработанный фотометрический газоанализатор с использова­ нием светодиодов молсет найти широкое применение при контроле газового состава атмосферы производственных помещений, инвен­ таризации промышленных выбросов, а такж е при решении специ­ альных задач газового анализа.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Г р а б о в В. М., Н а с л е д о в Д. Н., Ч и с т я к о в Б. И. Устройство для количественных измерений компонентов среды, прозрачной в какой-либо части спектра светового излучения.— А. с. № 419772. Бюл. изобрет., 1974, № 10.

2. Е с и н а Н. П., З о т о в а Н. В., Н а с л е д о в Д. М. Светодиоды на ос­ нове арсенида индия, работающие при комнатной температуре,— Физика и тех­ ника полупроводников, 1971, т, 5, вып, 8, с. 1612.

3, И м п у л ь с н а я фотометрия/Под ред, Волькенштейн А, А,— Л.: Маилиностроение, 1975. 247 с.

4. К р а с о в В. И. и др. Газоанализатор/Красов Б. И., Малейко Л. В., Цветков В. А. и др.— А. с. № 569916. Бюл. изобрет., № 31, 1977, 5, С в е ч н и к о в В, С, Элементы оптоэлектроники,— М,: Сов, радио, 1971.

272 с, 6, Ш е м я к и н В, А, и др, О временной и температурной стабильности ннтенсивности излучения полупроводниковых источников света/Шемякин В, А,, Баранов В, К,, Парфененок Н, В. и др.— Оптико-механическая промышлен­ ность, 1976, № 11, с. 17—19.

в. А М ш Л. В М. аглы,. алейко, Г Г П т ч, И А Салова.. и кеви..

ИНФРАКРАСНЫЙ АНАЛИЗАТОР КОНЦЕНТРАЦИИ

УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА ШАХТ И СТАНЦИЙ

МЕТРОПОЛИТЕНА

В настоящее время все большее значение приобретает развитие и совершенствование методов и средств автоматического контроля загрязнений атмосферы производственных помещений и замкнутых сред обитания.

Разработанный прибор (заявка № 2545760 от 22 V 1978), вхо­ дящий Б систему контроля загрязнения воздуха шахт и станций метрополитена, основан на широко распространенном как в СССР, так и за рубежом методе избирательного поглощения И К излуче­ ния анализируемым компонентом [1—5].

Газоанализатор имеет два диапазона измерения: 0,02—0,2 и 0,2—3,5% об. Ш кала первого диапазона линейна. Прибор может эксплуатироваться в запыленных, влажных помещениях при коле­ баниях температуры окружающей среды в диапазоне от —20 до + 50°С.

Газоанализатор построен по однолучевой двухканальной схеме [3]. Экспериментальное определение величины поглощения, а сле­ довательно, и концентрации СОг сводится к измерению И К потока излучения, прошедшего через поглощающую среду, и сравнению его с сигналом эталонного потока, дошедшего до приемника излу­ чения без поглощения. Рабочий и эталонный каналы реализуются при помощи узкополосных интерференционных фильтров.

Функциональная схема газоанализатора приведена на рис: 1.

Источник излучения {ИИ), управляемый с помощью электронного модулятора [ М) от задающего генератора { З Г ), испускает им­ пульсный поток П К излучения, который собирается линзой (Л ), одновременно являющейся широкополосным фильтром, и направ­ ляется на систему полупрозрачное зеркало { П З ) —отражаю щ ее зер­ кало ( 0 3 ). С помощью полупрозрачного зеркала, установленного под углом 45° к направлению распространения излучения, общий поток разделяется на два, один из которых проходит через ин­ терференционный фильтр рабочего канала {ИФр) с длиной волны Ятах = 4,3 мкм, соответствующей полосе поглощения СОг, к приемяику излучения, а другой поток, отразившись от зеркала ( 0 3 ), проходит через интерференционный фильтр эталонного канала \{ИФэ) с длиной волны Хтах = 4,0 МКМ, соответствующей окну проЬрачности атмосферы, и падает на второй приемник излучения.

В качестве приемников излучения использованы пироэлектрические преобразователи {ППэ, ППр) со встроенными в их корпуса преду­ силителями. С приемников снимаются электрические сигналы, про­ порциональные поглошению анализируемого газа и пропусканию оптического тракта, и поступают на соответствуюш;ие полосовые Рис. 1. Функциональная схема инфракрасного анализатора концентрации углекислого газа шахт и станций метрополитена.

усилители {Пол. Уэ) и {Пол. Ур), синхронные детекторы {СДр и СДэ), управляемые задаю щим генератором {ЗГ) через схему задерж ки синхронизирующих импульсов (С З), и затем на ф ильтры ' 1НИЖ НИХ частот {ФНЧр, ФНЧэ).

После детектирования сигналов производится их преобразова­ ние во время-импульсном функциональном блоке, реализующем логарифм отношения рабочего и эталонного сигналов, который со­ держит интегратор {ИНТ), нуль-орган {НО), генератор экспонен­ циального напряжения {ГЭН), дискриминатор (Д ), усилительформирователь импульсов {УФИ). В приборе предусмотрена кор­ рекция выходного сигнала по температуре и давлению.

Газоанализатор снабжен устройством контроля, состоящим из укрепленного на оси двигателя {ДВ) диска с интерференционными фильтрами и системы автоматики {СА), позволяющим проводить !дистанционную проверку градуировочной характеристики без ис­ пользования поверочных газовых смесей. Контроль осуществляется следующим образом. При первоначальной градуировке в точках а 3 Зак.

№ 243 33 и б имеем выпрямленные напряжения:

« p= / o'^i'^3^5'S'7Xi ( 1 —’‘с/.) при -/?/.«!, (1) M= V 3 (2) iW6'58Z2

<

Определяем отношение сигналов в точках а и б

где /о — мош,ность потока, излучаемого источником (В т); t i — ко­ эффициент пропускания коллиматора; %2 и тз — коэффициенты отражения и пропускания полупрозрачного зеркала; Т4 — коэффи­ циент отражения зеркала 0 3 ; xs и те — коэффициенты пропуска­ ния интерференционных фильтров; S 7 и Ss — чувствительность при­ емников излучения (В/Вт); % и хг — коэффициенты преобразова­ i ния рабочего и эталонного электронных каналов; к — коэффициент поглощения исследуемого газа; L — длина оптического пути; с —I, tsSvXi, Т5 концентрация газа; = ------.

Т2 Т4 О8 Х2 Т б При вариации температуры окружающей среды или вследствие временной нестабильности параметры оптической схемы и элек­ тронных каналов изменяются и выражение (3) принимает вид W i ^ k i k 2m ( l ~ x c l ), (4) где т — коэффициент, характеризующий уход градуировочной х а­ рактеристики.

При этом полагаем, что основная доля погрешности в измере­ нии концентрации приходится на нестабильность приемников излу­ чения и электронных каналов. Поэтому относительным изменением;

пропускания интерференционных фильтров можно пренебречь.

С целью контроля периодически производят переключение ин­ терференционных фильтров, укрепленных в диске, с одного оптиче­ ского канала на другой и находят отношение сигналов в точках;

б и а:

–  –  –

Успехи развития микроволновой спектроскопии и техники СВЧ' на современном этапе позволяют использовать микроволновую об­ ласть электромагнитного спектра для целей количественного газо-' вого анализа и, в частности, для анализа загрязнения атмосферы [7, 8].

Принцип действия микроволнового спектрального газоанализа­ тора основан на резонансном взаимодействии, электромагнитного излучения СВЧ диапазона с молекулой анализируемого компо­ нента, в результате чего происходит поглощение радиации, которое регистрируется детектором. Резонансное поглощение возможно только в газах, молекулы которых имеют постоянный днпольный момент; это имеет место для подавляющего большинства (около, 90%) компонентов загрязнения атмосферы. В отличие от других диапазонов электромагнитного спектра (ИК, УФ, оптического) по­ глощение в микроволновом диапазоне обусловливается переходами между вращательными энергетическими уровнями и определяет' характерные особенности микроволнового газового анализа.

Если для И К диапазона характерны группы линий, образующие колебательно-вращательные полосы, то в диапазоне микроволн:

имеют место чисто вращ ательные спектры, состоящие из отдельных;

спектральных линий. Это уменьшает эффект перекрывания спект-i ров, принадлежащ их различным газам и дает возможность полу-:

чить очень высокое разрешение [1].

Современные методы микроволновой спектроскопии обладают| разрешающей способностью, в 10^ раз превышающей разрешаю-!

Шую способность оптических спектрографов с дифракционной pe-i шеткой [3]. Резонансная частота вращательного перехода опреде-i ляется главным образом величиной вращательной постоянной

–  –  –

Уотн — средняя относительная скорость соударяющихся молекул, Ь — диаметр молекулы.

Избирательность анализа в микроволновом диапазоне обеспечи­ вается следующими путями: выбором диапазона частот, в котором спектральная линия анализируемого компонента достаточно уда­ лена от линий других компонентов, и выбором давления, при ко­ тором уширение линий не приводит к их перекрытию. К ак показы­ вает расчет, для анализа смеси, состоящей из основных компонен­ тов загрязнения атмосферы: SO2, NO2, NHs, N2 O, Оз, достаточно давления в несколько мм рт. ст.

i На рис. 1 показаны участки спектра для избирательного ан а­ л и за SO2 и NHs в атмосфере в смеси с выще указанными компо­ нентами. Остальные компоненты атмосферного воздуха либо вообще не имеют вращ ательных спектральных линий (например, :37 СОг и N2 ), либо имеют линии в другом участке спектра (например^ О2, СО и N2 O ). В микроволновом диапазоне принципиально можнс выбрать условия для проведения избирательного анализа слолшыг газовых смесей, аналогичных атмосферным загрязнениям ;[6].

Следующей характерной особенностью анализа газового составг в рассматриваемом диапазоне является м алая интенсивность noi глощения радиации. Коэффициент экстинкции в диапазоне СВ^;

на 3—4 порядка ниже, чем в И К диапазоне. Однако технически!

возможности диапазона полностью компенсируют этот недостаток Так, использование в качестве поглощающих кювет полых резона­ торов позволяет получить эффективную длину излучения в среднее на 2 порядка больше, чем в многоходовых кюветах И К диапазона, а спектральная мощность СВЧ источников на несколько порядко!

выше, чем у используемых в И К области. Все это позволяет полу­ чить у микроволновых газоанализаторов чувствительность, не усту­ пающую чувствительности спектральных анализаторов И К диапа­ зона, а по некоторым газам (аммиак, фреоны) д аж е превосходя­ щую ее. Технический уровень современных источников излучение дает возможность применять малогабаритные стабильные по час­ тоте СВЧ генераторы объемом в несколько см^ с мощностью дс 500 МВт, что пока недостижимо в И К диапазоне.

Исследование различных схем и методов детектирования погло­ щения в диапазоне СВЧ показали, что наиболее чувствительным является оптико-акустический метод детектирования [5], основан­ ный на преобразовании поглощаемой газом электромагнитной энер­ гии в тепловую и регистрации пульсаций давления в замкнутой ячейке чувствительным датчиком давления.

Н а рис. 2 показана схема оптико-акустического приемникг (ОАП ), используемого нами для работы в диапазоне СВЧ.

Уравнение состояния газа в дифференциальной форме для по­ глощающего объема ОАП можно записать следующим образом:

(3]

–  –  –

I. 8,38R где А — ---- — = const, со — частота модуляции излучения, 0 = IXCv Росх тепловая постоянная ячейки, %— коэффициент теплоXFRT троводности, F — площ адь поверхности ячейки.

–  –  –

где Сизм — измеряемая концентрация, Ывых — выходное напряжение полезного сигнала, «ш — среднее квадратическое значение напря жения шумов на выходе.

Приготовлялись смеси воздух— аммиак с 10, 5 и 1%-ным содер­ жанием аммиака.

Среднее из трех измерений дает Cm in~l,5 мг/м^:

Стабильность определялась как изменение показаний при измере, Ш концентрации 1% фреона в воздухе в течение суток. ИзменеИ кие не превышало 1 %•

–  –  –

градуировочная кривая анализа смеси амм иак—воздух пока­ зана на рис. 4.

Д л я анализа погрешности измерения примем, что поглощенная энергия преобразуется в сигнал отсчета с коэффициентом преобiiB 0,4 0,3 0,2 0,1 <

–  –  –

Оценим вклад каждой из составляющих бс. Значение Q определяется изменением добротности под воздействием изменения температуры; Q определяется конструктивными параметрами резо­ натора, диэлектрическими свойствами анализируемых компонентов, AQ поэтому можно считать значение пренебрежимо малым.

А1Го ^ Отношение ——— определяется в основном изменением мощноWo сти излучения генератора под воздействием изменений темпера­ туры и напряжения питания. Используемый нами генератор имел температурный коэффициент мощности (ТКМ ), равный 10~^. И зме­ нение мощности от напряжения питания вследствие большого коэфААэ фициента стабилизации составило 10~®. Отношение —---- - для ис-;

кэ !

пользуемой нами схемы составляло 10“^.

При оценке влияния изменений АР и А Т на спектральную ха­ рактеристику газа учитываем только изменение коэффициента по­ глощения у при изменении Т\ изменением ширины линии можно;

пренебречь, поскольку анализ производится на узкой полосе частот вблизи центра линии поглощения.

Расчет показывает, что изменение коэффициента поглощения;

при изменении АГ = ± Г составляет 1 %.

Рассмотрим влияние температуры и давления анализируемой смеси на показания анализатора.

В том случае, когда концентрация анализируемого компонента в смеси с вы ражена в объемных долях, колебания плотности смеси' вызывают лишь изменения массы вещества в объеме ячейки.

Число анализируемых молекул N в объеме ячейки V можно представить как отношение массы т к молекулярной массе,и:

–  –  –

|где Ро и Го — начальные значения давления и температуры.

Например, изменение показаний, вызванное изменением массы анализируемой смеси под воздействием колебаний плотности при рабочих давлениях Р — 10+1 мм рт. ст. и изменении Т = ± Г сотавит 9%.

I Анализ составляющих б с показывает, что основным вкладом 1 величину погрешности измерения являются изменения плотности в ;и коэффициента поглощения газа под воздействием температуры.

Повышение чувствительности может быть достигнуто следую­ щими путями: увеличением добротности резонаторов, в частности Использованием открытых резонаторов с добротностями, превышающими 10^; повышением мощности источника СВЧ; применением импульсной модуляции высокой скважности.

I Повышение стабильности измерений может быть достигнуто ис­ пользованием двухканальной дифференциальной схемы измерения, :термостатированием ОАП.

Результаты проведенных исследований дают основания счи­ тать спектральный анализ в микроволновом диапазоне перспектив­ ным методом определения количественного состава атмосферных загрязнений.

–  –  –

Углеводородные соединения являю тся наиболее представитель­ ной группой веществ, образующих загрязнения атмосферы.

Они х а­ рактеризуются следующими свойствами:

— канцерогенностью ряда углеводородов, например полициклнческих;

— токсичностью продуктов фотохимических реакций с окислами азота и серы;

— каталитическими свойствами в случае образования сернокис­ лых аэрозолей.

В силу этих факторов большое внимание уделяется контролю суммарных углеводородов, а такж е углеводородов за вычетом ме­ тана, которые участвуют в образовании фотохимических смогов.

В настоящее время для измерения содержания углеводородов применяются абсорбционные (в И К области спектра) и пламенно­ ионизационные методы. Этим методам присущ ряд недостатков: аб­ сорбционные обладаю т низкой чувствительностью, а пламенно­ ионизационные при высокой чувствительности требуют хорошо очищенного водорода, «нулевых» газовых смесей и катализаторов для вычета метана.

Проведенные в последнее время исследования в УФ области спектра создали предпосылки для использования явления фото­ ионизации органических молекул с целью определения их содерж а­ ния [2]. Одним из возможных методов, решающих последнюю за ­ дачу, является фотоионизационный метод, нашедший применение в последнее время в изготовлении промышленных приборов [2].

В основе лежит принцип ионизации молекул исследуемого ве­ щества ультрафиолетовым излучением [1, 4].

М еханизмы фотоионизационных процессов достаточно многообразны (элементарная ионизация, автоионизация, диссоциативная фотоионизация с обра­ зованием разных осколочных ионов, а такж е распад молекул с об­ разованием ионных пар):

А В - { - Ь - ^ АВ-^-\-е (элементарная ионизация), АВ* -* АВ+- \-е (автоионизация), А+ -\-В-\-е (диссоциативная Л - | - 5 + + е фотоионизация), А+-\~В~ (образование ионных пар).

Здесь Л — исходная молекула, hv — энергия кванта, АВ+ — моле­ кулярный ион, Л Б* — возбужденная молекула, Л+ и В~ — ион р а­ дикала.

В случае фотоионизации молекул монохроматическим ультра­ фиолетовым излучением энергетическое уравнение может быть записано в виде (1) где /р — потенциал ионизации молекул (т. е, минимальная энер­ гия при которой происходит ионизация), hv — энергия кванта, Етпяу — максим альная кинетическая энергия электрона фотоиони­ зации.

Из уравнения (1) следует, что ионизация будет иметь место при энергии квантов большей или равной потенциалу ионизации молекул.

Закон появления ионного тока фотоионизации может быть р а з­ личным. При элементарной ионизации в зависимости от энергии кванта он имеет вид шаговой функции. При фотоионизации более сложных молекул, в основном органических, появление тока опре­ деляется экспоненциальной зависимостью за счет сильной заселен­ ности верхних колебательных уровней молекул. В этом случае по­ явление ионного тока возможно при энергиях фотонов меньших, чем потенциал ионизации молекул.

Вероятность ионизации может быть вы ражена через коэффици­ ент поглощения р. (с поправкой на рассеивание). Если в камеру, наполненную газом, попадает пучок монохроматического света ин­ тенсивностью /о, то 1х представляет собой интенсивность на рас­ стоянии л:. Так как /о — «мощность», переносимая пучком 1 эрг/с, то lo/hv есть число квантов, приходящих в 1 с. Число квантов, по­ глощенных вдоль пути dx, равно dz = —z\xdx, где р, — коэффици­ ент поглощения для данной длины волны и плотности газа при нор­ мальных условиях (см~*).

Принимая z = zo при д: = О, имеем

–  –  –

Уравнения (2) и (3) являются линейной и экспоненциальной ча­ стью градуированной характеристики метода. Д иапазон линейной части градуировочной характеристики метода определяется типом ионизируемых молекул (коэффициент }х), а такж е их концентра­ цией. Линейный предел характеристики 2000 ррм (по бензолу) [2].

Рассмотрим различные органические и неорганические моле­ кулы и их потенциалы ионизации [4, 5] (табл. 1).

Предварительно обозначим энергию квантов источников излуче­ ния, используемых для ионизации. Это hv = 10,2 эВ, (1216 А) или Ь = 10,03 эВ (1236 А).

К ак видно из таблицы, основные компоненты атмосферы не ионизуются. Не ионизуются такж е парафины Ci — С 4. Остальные парафины подверлсены ионизации. Алкены, за исключением ацети­ лена, ионизируются. У этилена, который имеет потенциал иониза­ ции выше порога, за счет большой заселенности колебательных уровней появление фотоионизационного тока наблю дается и при данных энергиях квантов.

Все альдегиды могут быть обнаружены (за исключением фор­ м альдегида). Кетоны, спирты и ароматические углеводороды иони­ зируются с большей или меньшей вероятностью.

Из неорганических молекул возможна ионизация аммиака, окиси азота и сероводорода, хотя эффективность их ионизации в 3—30 раз меньше, чем ароматических углеводородов (табл. 2).

Относительно низкие ионизационные потенциалы для большин­ ства органических соединений соответствуют большим молекулам, и чем больше молекула, тем ниже потенциал ионизации, т. е. возТаблица 1

–  –  –

можность обнаружения высокомолекулярных соединений повы­ шается.

В табл. 2 [6] приводятся данные по относительной фотоионизационной чувствительности различных газов. К ак видно из таблицы, ароматические вещества дают высокую чувствительность, в то время как сложные вещества с углеродом и хлором — низкую. Р е з­ кое увеличение чувствительности происходит, когда два атома во­ дорода аммиака заменяются на этиловые группы, например диэтиламин.

Анализ табличных данных позволяет оценить возможность прак­ тического применения фотоионизационного метода, включая изме­ рение неметановых углеводородов в атмосфере. Отсутствие чувстви­ тельности к метану и в то же время высокая чувствительность к неметановым углеводородам дают возможность измерения кон­ центраций углеводородов.

Возможности метода ограничены энергией квантов излучения, которые могут быть использованы в условиях реальной атмосферы (без уменьшения давления в ионизируемом 'объеме) за счет погло­ щения излучения воздухом, а такж е техническим уровнем источни­ ков УФ излучения.

В качестве источников в настоящее время можно применять во­ дородные лампы, имеющие многолинейчатый спектр, лежащ ий в области 1670—900 А, с окнами из M gF, а такж е резонансные ис­ точники, например криптоновый, излучающий 99% квантов с дли­ ной волны 1236 А [3].

Другое ограничение, связанное с поглощением атмосферы, з а ­ ключается в следующем. М олекулярный азот в области длин волн 1000— 1500 А имеет слабое поглощение р, [7]. Тогда как кислород имеет несколько сильных полос поглощения [8] (см. рис. 1).

К ак видно из рис. 1, минимальное поглощение находится в обла­ сти 1216 А, что соответствует Л ай м ан -а линии спектра водородной лампы. Поглощение кислорода в области 1230— 1249 А на порядок больше.

Использование источников с большей длиной волны практиче­ ски исключает их применение вследствие малой эффективной длины ионизации (0,5— 1 мм). Водяной пар в области 1200— 1400 А такж е достаточно сильно поглощает [9] (рис, 2), но вследствие неболь­ шой концентрации его поглощение не вносит значительного вклада в уменьшение выходного сигнала.

Д л я оценки погрешностей метода воспользуемся выражением для ионного тока на линейном участке градуировочной характери­ стики:

Р 273 г = ^/оЦ - 760 Т

–  –  –

1. Первый член в правой части выражения (4) представляет со­ бой пульсацию интенсивности источника УФ излучения. Д л я источ­ ников, применяемых в этих целях, величина нестабильности состав­ ляет 1%.

2. Второй член выражения (4) есть величина пульсации давле­ ния в ионизационном объеме рабочей камеры. В нашем макете га­ зоанализатора она составляла 5%.

3. Третий член выражения ( 4 ) — зависимость полного тока от температуры. Изменение температуры на + 30°С ведет к изменению ионного тока на 20%. Таким образом, для повышения стабильности газоанализатора необходимо введение температурной коррекции или.стабилизации температуры пробы. При стабилизации темпера­ туры пробы до ± 5 °С, погрешность в определении полного тока со­ ставляет 3%.

Следовательно, суммарная погрешность газоанализатора с уче­ том температурной стабилизации пробы 9%Блок-схема газоанализатора, реализую щ ая фотоионизационный метод, представлена на рис. 3 [2]. Прибор конструктивно разделен на два модуля, которые связаны между собой электрическим кабе­ лем. Выносной блок 1— 3 состоит из источника излучения 1, ка­ меры ионизации 2, представляющей собой два электрода, на кото­ рые подается напряжение смещения для увеличения эффективно­ сти сбора ионов. Один из этих электродов является коллектором

–  –  –

ионов. Побудитель расхода 1 обеспечивает непрерывную подачу пробы.

Второй модуль состоит из усилителя постоянного тока 4, уст­ ройства считывания показаний 5, устройства вывода данных на са­ мописец, контрольные устройства н у л я 'и пределы измерения, а такж е блоков питания УФ источника измерения и электронной схемы 6.

Д атчик (УФ источник, полая камера и побудитель расхода) может быть установлен в точке отбора пробы, для того чтобы устранить абсорбцию пробы и уменьшить время прохождения пробы для измерений. Сигнал, полученный в результате ионизации, усиливается и подается на регистрирующий прибор или самописец.

Переключатель пределов имеет пять диапазонов в зависимости от концентрации углеводородов в пробе. Нами был изготовлен л або­ раторный макет фотоионизационного газоанализатора, основные параметры которого приведены в табл. 3.

Проведенные экспериментальные исследования фотоионизаци­ онного газоанализатора позволили определить чувствительность из­ мерения органических компонентов 0,05 мг/м® (по бензолу), а такж е диапазон измерения. Линейный диапазон характеристики О—500 мг/м^, нелинейный 500—2000 мг/м^.

–  –  –

Таким образом, фотоионизационный метод позволяет создать автоматический малогабаритный прибор для контроля углеводоро­ дов за вычетом метана, который может найти применение для определения городских загрязнений и выбросов промышленных предприятий.

–  –  –

где [СО], [О], [С О * ]—^концентрации молекул окиси углерода, ато­ мов кислорода и электронно-возбужденных молекул двуокиси угле­ рода соответственно; А — вероятность перехода с низких колебагельных состояний ^B2 на высокие колебательные состояния молекулы СОг.

Д обавляя к смеси, содержащей молекулы СО, известное коли­ чество атомарного кислорода (например, из микроволнового раз

<

Рис. 2. Схема экспериментальной установки.

ряда В Ог) и измеряя интенсивность /, можно легко вычислить кон­ центрацию СО.

В данной работе измерялась интенсивность излучения, обуслов­ ленного реакцией (1). Схема экспериментальной установки пред­ ставлена на рис. 2. Установка вклю чала в себя реакционную кю­ вету, монохроматор М СД с решеткой, имеющей 600 штрихов на 1 мм, фотоумножитель ФЭУ-79, электрометрический усилитель СП-1М и самописец КСП-4. Цилиндрическая кювета из молибде­ нового стекла длиной 32 см заполнялась углекислым газом, содер­ жащим не более 0,2 % примесей. В центральной части кюветы вдоль ее оси расположены коаксиальные электроны диаметром 2 и 4 см и длиной 10 см.

При зажигании разряда в СОг часть молекул СОг диссоцииро­ вала под действием электронных ударов на СО и О как в основ­ ных, так и в возбужденных состояниях:

С02 + е ^ С 0 * + 0 + е,

–  –  –

Сечения at процессов типа (4) измерены в работе [6] и имеют порядок - ‘s см2. Молекулы СО в свою очередь разруш аются ча­ стично при диссоциации, частично при ионизации и возбуждении;

^ С 0 + Н -2 е СО + е (5) ^С О *+е, СО + е — С + О + е. (6) Сечения таких процессов даются в работах [7, 14], причем они имеют порядок 10“ ^’см^. Важную роль в выводе изреакционного объема СО и О играет диффузия к стенке разрядной трубки и кю­ веты.

«Осколки» СОг, образующиеся в разряде, диффундируют из р а з­ рядной зоны в те части кюветы, где разряд отсутствует. В стацио­ нарном режиме СО и О равномерно распределяются по всему объ­ ему кюветы, за исключением пристеночных областей, по закону для парциальных давлений для идеального газа. Возбужденные и иони­ зованные компоненты, имеющие ту же молекулярную массу, что и нейтральная молекула, не будут оказывать влияния на парциаль­ ные давления. З а пределами разряда ионы быстро рекомбинируют, а возбужденные частицы теряют энергию при столкновениях с мо­ лекулами СОг или на стенке. Поэтому, чтобы сделать количествен­ ные оценки концентраций СО и О, достаточно учесть процессы (4) и (6), в которых возникновение и гибель молекул СО и О сопро­ вож дается появлением частиц с другой атомной массой- Тогда уравнения баланса для этих частиц будут выглядеть следующим образом;

[СО2 ] д,'О л = [СО]/г^'И,аб, (7) [ С 0 2 ]й ^ ' У Л + [С 0 ]я,'У ^ а б = = [0 ]^ ^, (8) где Пе — концентрация электронов, Ve — скорость электронов, D — коэффициент диффузии атомов кислорода в СОг, Р — давление газа в разрядной трубке, г — радиус разрядной трубки.

Уравнение (7) описывает процессы (4) и (6), а в (8) в левой части дано возникновение атомов О в процессах диссоциации, в правой части — диффузия этих атомов к стенке [5]. Из (7) и (8) определяем концентрацию для О и СО;

[С 0 ] = [ С 0 2 ] 4 ^, (9)

–  –  –

Н а рис. 3 приведены характерные распределения интенсивнос­ тей по длинам волн для спектров разряда и хемилюминесценции.

Эксперимент проведен при давлениях СОг, равных 3— 14 торр и токе г = 60 мА в зоне разряда. Абсолютные интенсивности спект­ ров измерялись с помощью банд-лампы по методу, предложенному в работе [1]. Полученное в нашей работе распределение интенсив­ ности по длинам волн в абсолютных единицах представлено на рис. 4.

Измеренная экспериментально интегральная интенсивность хе­ милюминесценции при давлении в кювете Р = 1 0 торр составляет 0,7-10^^ квант/см® и хорошо совпадает по порядку величины с при­ веденными выше теоретическими оценками. Это означает, что механизм реакции хемилюминесценции выбран правильно, а предло­ женный метод может быть использован для обнаружения СО. Н аи­ меньшая концентрация СО, зарегистрированная в нашем экспери­ менте при недостатке О, составляет 10^^ см~^ (0,5 мг/м®). Так как интегральная интенсивность определяется произведением концент­ раций СО и О, то создание избыточной концентрации атомарного кислорода дает возможность значительно уменьшить порог обна­ ружения СО.

Следует отметить, что присутствие озона не влияет в наших условиях на интенсивность спектра, так как оценки показывают, что [ 0 з ]= 1 0 ^ “ см“ 2, а константа скорости реакции СО + Оз-С О з-ЬО г много меньше, чем h [4].

Хемилюминесценцию при реакции с атомарным кислородом можно использовать для определения концентрации окиси азота 1-10‘ квант/(см^-с) тра от длины волны.

1\ рв'11 торр, 2) р = 5 торр, 3) р= 0,6 торр.

N 0 [3]. Спектр, появляюшийся в результате ассоциации N 0 и О, имеет коротковолновую границу 4000 А, а максимум в области 6000 А; излучательная константа скорости этого процесса 10“'’’см®/с.

Так как спектры хемилюминесценции, возникающие при реакции молекул N 0 и СО с атомарным кислородом, практически разд ел я­ ются, хемилюминесцентную реакцию с атомами О можно использо­ вать для одновременного определения концентраций этих веществ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Г о л у б о в с к и й Ю. Б. Об определении интенсивности излучения объ­ емного источника,-— Вестник ЛГУ, 1967, № 10, вып. 2, с, 64—68.

2, К о н д р а т ь е в В. Н. Константы скорости газофазных реакций.— М.:

Наука, 1971. 75 с.

3. Л а б о р а т о р н ы е исследования аэрономических реакций.— Л.; Гидро­ метеоиздат, 1970. 228 с.

4. М а к - И в е н М., Ф и л л и п с Л. Химия атмосферы.— М.: Мир, 1978.

350 с.

5. Ф а б р и к а н т В. А. К теории опытов сдезактивацией метастабильных атомов при столкновениях с атомами и молекулами.— Оптика и спектроскопия.

1958, т. 5. вып. 6, с. 711—712.

6. А j е 11 о J. М. Emission cross sections of CO2 by electron impact in the internal 1260—4500 A II.— J. Chem. Phys., 1971, vol. 55, N 7, p. 3169—3177.

7. A j e 11 о J. M. Emission cross sections of CO by electron impact in the interval 1260—5000 A. I.— J. Chem. Phys., 1971, vol. 55, N 7, p. 3158—3168.

8. D i X о n A. The carbon monoxide flame bands.— Proc. Roy. Soc., 1963, A 1362, 275, p. 431—439.

9. I n n E. C. J. Rate of recombination of oxygen atoms and CO at tem­ peratures below ambient.— J. Chem, Phys., 1974, vol. 61, N 4, p. 1589— 1590.

10. G a y d o n A, G. The flame spectrum of carbon monoxide. III. The cool flame.— Proc. Roy. Soc., 1943, A 182, N 989, p. 199—206.

11. L i n M. C., B a u e r S. H. Bimolecular reaction of N2O with CO and the recombination of О and CO as studied in a single-pulse shock tube.— J. Chem.

Phys., 1969, vol. 50, N 8, p. 3377—3391.

12. M u l l i k e n R. S. The lower excited states of some simple molecules.— Can. J. Chem., 1958, vol. 36, N 1, p. 10—23.

13. N i k i H., S t u h l F. Measurements of rate constants for termolecular reactions of 0(®P) with NO, O2, CO, N2, and CO2 using a pulsed vacuum-uv photolysis-chemiluminescent method.— J. Chem. Phys., 1971, vol. 55, N 8, p. 3943—3953.

14. P h e l p s A. V., L o w k e J. J., I r w i n B. W. Predicted electron transport coefficients and operating characteristics of CO2—N2—He laser mixtures.— J. Appl.

Phys., 1973, vol. 44, N 10, p. 4664—4671.

в. А Ц ков. вет

ИНФОРМАЦИОННЫЙ КРИТЕРИЙ СРАВНЕНИЯ

АБСОРБЦИОННЫХ ГАЗОАНАЛИЗАТОРОВ

Абсорбционные спектральные газоанализаторы нашли широкое применение в решении задач контроля состава загрязнений атмо­ сферы. Возрастающее количество приборов этого класса, а такж е тенденции современного приборостроения, направленные на унифи­ кацию и создание функциональных типовых рядов, ставят задачу проведения их анализа и сравнения.

Д л я различных спектрометрических приборов с целью наиболее полного раскрытия их возможностей существуют различные крите­ рии сравнения, такие, как критерий Киселева—Паршина, П. Ж акнно, В. Э кхарда и др. [5]. Однако они характеризую т лишь пре­ дельные возможности приборов и только при особых условиях про­ ведения измерений.

Наиболее перспективным для поставленной выше задачи яв­ ляется информационный анализ.

Целесообразность использования информационных характеристик связана с тем, что они позволяют:

а) описать весь тракт получения и переработки информации с по­ мощью единого математического аппарата и б) оценить эксплуа­ тационные возможности измерительных устройств.

В частности, для задачи определения максимума информации за единицу времени безотносительно к затрачиваемой на это энер­ гии возможная оценка газоанализаторов сводится к определению информации, получаемой за одно измерение [3]. Д ля задач совме­ стного учета затрат и получаемой при этом информации наиболее целесообразен информационно-энергетический показатель [2], ко­ торый в настоящее время применяется для анализа электроизмери­ тельных приборов.

Процесс получения информации о концентрации анализируемых газов основан на общих термодинамических соотношениях стати­ стической физики, что позволяет сравнивать различные по струк­ туре абсорбционные газоанализаторы с помощью информационноэнергетического коэффициента полезного действия т]иэ, который в самом общем виде можно представить [6] следующим образом:

(РОпОЛ /1\ (1) ''1иэ = ------ р 1 ------, где (Р^пол — минимальная энергия, необходимая для получения информации; Pt — реальная энергия, потребляемая во время изме­ рения (в нашем случае — анализируемой газовой смесью).

Д л я спектральных газоанализаторов удобно проводить анализ для потоков, приведенных ко входу фотоприемника.

Тогда в числи­ теле выражения для коэффициента полезного действия будет стоять [6] произведение энергии термодинамических флуктуаций Wm и ин­ формационной способности газоанализатора N (число различных град ац и й ):

(PtU,--=2W ^N, (2) где Wm = nek% — энергия термодинамических флуктуаций потока на входе фотоприемника; k — постоянная Больцмана; © — абсолют­ ная температура..

Средством транспортировки информации являю тся потоки энер­ гии. Однако количество переносимой информации зависит не от аб­ солютной величины энергии, а от соотношения ее с другими пото­ ками энергии — фонами. В случае абсорбционных газоанализаторов поток энергии от источника излучения не создает информацию, а служит для возбуждения анализируемой газовой смеси. Инфор­ мацию же несет поглош,енная анализируемым компонентом энер­ гия, составляющ ая часть потока Фо источника излучения и равная (3) где т — пропускание оптического тракта газоанализатора; А — по­ глощение потока излучения анализируемым компонентом.

Подставляя значения Р и (Р/)пол в выражение (1), получим для интересующего нас класса приборов в самом общем виде _ 2W^N ^ Время установления показаний t одного измерения зависит от инерционности электронной схемы выделения сигнала, что может быть выражено через полосу пропускания Afg, а такж е скорости прокачки анализируемой газовой смеси через кювету и устройство пробоподготовки и в общем виде может быть вычислено [4] по фор­ муле (? Ч -Р У Д /э 2С?Д/э ’ где V — внутренний объем кюветы и устройства пробоподготовки (л), Q — объемный расход газовой смеси (л/с); р — численный мно­ житель ( 1 ^ р ^ 2 0 ).

Значение поглощения А в выражении (4) может быть рассчи­ тано при известном законе поглощения по заданной длине кюветы L, концентрации анализируемого компонента с и его коэффициенту поглощения 8.

Наибольшие трудности при определении информационного по­ казателя для конкретной структурной схемы газоанализатора вызывает расчет информационной способности N, которая, согласно I [2], в самом общем виде может быть определена с позиций инфор­ мационной теории измерений по количеству получаемой за одно :измерение информации q, умноженной на число одновременно реги­ стрируемых спектральных интервалов п (для многокомпонентных газоанализаторов):

N = tiexpq. (6) В свою очередь количество информации q для одного спект­ рального интервала определяется как разность энтропии Я (Ф ) значений измеряемого потока Ф на входе фотоприемника до изме­ рения и энтропии Я (Ф /Ф п) неопределенности действительного значения Ф в интервале неопределенности вокруг полученного после измерения показания Фп, т. е. энтропия погрешности. При этом не­ обходимо знать законы распределения потока Р (Ф) и помехи Р (АФ) на входе фотоприемника [6], т. е.

оо Я (Ф )= — J /7 (Ф) 1пр (Ф) ЙФ, (7) — ОО Я(Ф/Фп)=-=— j /7(ДФ)1п^С7(ДФ)сгФ. (8) — оо в общем случае погрешность измерения АФ переменна в рабо­ чем диапазоне изменения потока и в выражении для определения количества информации необходимо использовать средневзвешен­ ные значения Я (Ф /Ф д) с учетом закона распределения р (Ф) по­ тока излучения на входе фотоприемника:

оо Я ер(Ф /Ф п )= j р(Ф )Я (Ф /Ф „)й?Ф. (9) —оо Окончательно выражение для информационной способности принимает вид ^ = я е х р [Я (Ф )Я -е р (Ф /Ф п )1. (10) Как следует из выражений (7) — (Ю ), информационная способ­ ность газоанализатора зависит от его погрешности, диапазона из­ мерения концентрации и закона ее распределения.

Сформулированный информационно-энергетический коэффици­ ент полезного действия включает основные характеристики абсорб­ ционного газоанализатора: мощность источника излучения, харак­ теристики фотоприемника и электронной схемы выделения сигнала, параметры оптического тракта и вероятностные параметры анали­ зируемой концентрации газовой смеси, что открывает возможности комплексного анализа абсорбционных газоанализаторов.

в качестве примера определим информационно-энергетический К П Д однокомпонентного одноканального газоанализатора, блоксхема которого приведена на рис. 1. Предположим, что выходная характеристика газоанализатора имеет экспоненциальную зависн-.

мость, а закон распределения концентрации анализируемого газа р (с) — равномерный в диапазоне от ci до Сг (рис. 2).

Закон распределения потока на входе фотоприемника может быть найден [1] из следующего выражения:

р ( Ф ) = ----- р } ------. (И )

-Ф(с) dc

–  –  –

К ак следует из выражений (20) и (21), информационно-энергетический К П Д тем выще, чем меньше погрешность измерения (Фш или Ys) и время установления показаний t. Параметры кюветы (L) на выходной показатель влияют по-разному: при учете мультипли­ кативной составляющей погрешности он максимален при макси-' мальной длине кюветы, а при учете только аддитивной составляю ­ щей погрешности он максимален при малых значениях длины кюветы. Реально в анализаторе необходимо учитывать обе составляющие погрешности.

В этом случае абсолютная погреш­ ность равна (22):

А = Ф щ + Т.Ф = Т.Ф ( 1 '

–  –  –

Рассмотрена возможность использования информационного под хода при анализе и сравнении приборов газового анализа на при мере спектральных абсорбционных газоанализаторов.

Выбор типа информационного критерия определяется постав ленной задачей. Д л я задачи определения максимума информаци!

наиболее целесообразен анализ по количеству получаемой данныь.

прибором информации за время одного измерения. Д л я задачи про ектнрования приборов с ограниченными энергетическими парамет рами более оправдано применение информационно-энергетическогс коэффициента полезного действия, позволяющего производит!

сравнительный анализ газоанализаторов как внутри своей группы так и с приборами, построенными на различных физических прин;

ципах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Б р а с л а в с к и й Д. А., П е т р о в В. В. Точность измерительных уст ройств.— М.: Машиностроение, 1976. 312 с.

2. Н о в и ц к и й П. В. Основы информационной теории измерительных уст ройств.— Л.: Энергия, 1968. 248 с.

3. Р а д ь к о В. П., С м о р ч к о в В. И., Ч е р к а с о в В. С., К о м а р и с т а я В. С. Информационные характеристики газоаналитических систем.— В кн.

Современные проблемы развития аналитического приборостроения. Киев, 1976 с. 104— 114.

4. С а л л ь А. О. Информационные газоаналитические измерения.— М.' Мир, 1971. 100 с.

5. Т а р а с о в К. И. Спектральные приборы.— М.: Машиностроение, 1977 368 с.

6. Э л е к т р и ч е с к и е измерения неэлектрических величин/Под ред П. В. И о в и ц к о г о.— Л.; Энергия, 1975. 576 с.

в. и. красов, В. И. Лобан, В. А. Цветков

Л О ГО М ЕТРИ Ч ЕС К И Й М ЕТОД Л И Н Е А РИ ЗА Ц И И

! ХАРА КТЕРИ СТИ К С П ЕК ТРА Л ЬН Ы Х ГАЗОАНАЛИЗАТОРОВ

I Развитие газоаналитического приборостроения выдвигает повы­ шенные требования к их основным метрологическим параметрам, таким, как точность и диапазон измерений. Однако многие газоана­ литические приборы при работе в широком диапазоне имеют сущеЬтвенные нелинейности, которые усложняют дальнейшую обработку поступающей с газоанализаторов информации и в ряде случаев являются нежелательными [6].' К приборам с существенно нелинейной характеристикой следует Э первую очередь отнести спектральные газоанализаторы, нашедшие применение во многих областях науки и техники, в том числе и для контроля загрязнения атмосферы.

I Так как поглощение энергии анализируемым газом в спект­ ральных газоанализаторах подчиняется в первом приближении з а ­ кону Бугера—Б ера, то выходной сигнал такж е меняется по закону, близкому к экспоненциальному. Поэтому для линеаризации вы­ ходных характеристик в настоящее время широко используют кусочно-линейные методы аппроксимации и логарифмические устрой­ ства [7].

Существенное повышение линейности выходных характеристик газоанализаторов можно получить такж е, используя логометричеркий метод линеаризации, основанный на известном методе исклю­ чения коэффициентов [1, 3].

Рассматриваемый метод позволяет увеличить линейность вы­ ходной статической характеристики без существенного усложнения рхемы обработки.

I Так как в современных газоанализаторах используют в основ­ ном двухканальные схемы и для повышения стабильности измеряют отношение сигналов этих каналов непосредственно или при помощи схем компенсации [2, 5], то в самом общем виде выходной сигнал можно представить в виде дробно-рациональной функции _ «о 1 4-а,л + «-^ + г 2® /.ч ^ь в,х 1 + -I-М2-ь -f... ’ 5* 67 где x = 6с/ — оптическая плотность анализируемого компонента, 8 — коэффициент поглощения, с — концентрация анализируемогс компонента, / — оптическая длина пути поглощения, аи bi — коэф­ фициенты аппроксимации.

При малых значениях оптической плотности можно прибли­ женно написать ^ ~ л _1_/7. '^ _ L /T,v - 2 _ L /y. V-3 Х (1 -...)• (2) Опуская промежуточные вычисления легко показать, что ^вых ~ -т^- \ - { - x { a i —-b\)-\-x^{ai — a \ b i — b2-\-bi)-\j-jc^(a3 — 63-j-2^i^2 — b\-\-a\b\ — ai&2 — а^Ь])-^-.... (3) Как следует из выражения (3), изменением коэффициентов аппроксимации аф 1 возможно осуществление линеаризации вы-, ходной статической характеристики путем исключения квадратич-' ного, кубичного и т. д. членов разложения выражения (3) в ряд.

Ограничением линеаризации путем исключения последующих чле­ нов разложения в ряд служит критерий сравнения остаточногС члена ряда в выражении (3) с величиной среднего квадратическоге отклонения выходного сигнала [4].

Оценим величину среднего квадратического отклонения на вы­ ходе газоанализатора при линеаризации путем исключения толькс квадратичного члена разложения в ряд при условии детерминиро­ ванности коэффициентов a i n b i.

Выражения для математического ожидания выходного сигнала, Z, относительной погрешности линейности б, относительного сред-1 него квадратического отклонения а^отн в этом случае примут вид:

–  –  –

(13) К ак следует из выражений (11) — (13) линеаризация выходной характеристики путем вычисления отношения эталонного сигнала на сумму эталонного и рабочего сигналов позволяет исключить квадратичный член разлож ения в ряд, что по сравнению с широко используемыми в газовом анализе дифференциальными методами дает возможность существенно увеличить диапазон измерений при сохранении погрещности линейности. М аксимальный диапазон (ес/)тах при заданной погрешности б и отсутствии шумов на входе {сГ = ) определялся из условия, что приведенная погрешность есг 0

–  –  –

При шумах, превышающих данное значение, необходимо исполь­ зовать дополнительно методы стабилизации и фильтрации, напри­ мер двухтактное интегрирование.

список ЛИТЕРАТУРЫ

1. В е т р я к В. И., С е р г е е в В. И. Индуктивный частотный преобразо­ ватель с повышенной линейностью характеристики,- Известия высших учеб­ ных заведений. Приборостроение. 1972, т. XV. № 5, с. 27—31.

2. Г о р е л и к Д. О., С а х а р о в Б, Б, Оптико-акустический эффект в физи­ ко-химических измерениях.— М.: Комитет стандартов. 1969. 187 с.

3. К и я н о в с к и й л. 3., С к р и п н и к Ю. А. Повышение точности измери­ i тельных устройств методом исключения переменных коэффициентов — Приборы 1И системы управления, 1978, № 2, с. 18—20.

4. О р н а т с к и й П. П. Теоретические основы информационно-измеритель­ ной техники.— Киев: Вища школа, 1976. 430 с.

5. М е т о д ы и система для инфракрасного анализа газов.— Патент США № 3790798 от 5 августа 1974 г.

^ 6. П р и б о р ы газоаналитические промышленные автоматические непрерыв­ ного действия. ГОСТ 13320-69.— М.: Изд-во стандартов, 1969.

7. С п р а в о ч н и к по нелинейным схемам/Под ред. Д. Ш е й н г о л ь д а.— М..: Мир, 1977. 524 с.

м. с. Алейников, В. А. Цветков

М Е Т О Д Р АС ЧЕ ТА Ф О К А Л Ь Н О Й О П Т И Ч Е С К О Й С И С ТЕ М Ы

ИНФРАКРАСНЫХ ГАЗОАНАЛИЗАТОРОВ

АТМОСФЕРНЫХ ЗА Г РЯ ЗН Е Н И Й

Создание инфракрасных газоанализаторов контроля атмосфер ных загрязнений включает решение задачи оптимизации их пара метров с целью повышения чувствительности измерений. Одним и;

основных элементов прибора является оптическая система, вынол няющая следующие функции: формирование потока лучистой энер гни, создаваемого источником излучения; передачу энергии излу чения на фотоприемник с одновременным согласованием апертур пучка и приемника; обеспечение требуемой длины хода пучка чере;

камеру с анализируемой газовой смесью; получение максимальногс отношения «сигнала от газа к сигналу от полного потока».

В настоящее время в газоанализаторах широко используютс5 линзовые, зеркальные и зеркально-линзовые оптические системы полые цилиндрические металлические или металлизированные све товоды [4].

В последнее время в оптико-электронных приборах широкое распространение получают волоконно-оптические световоды [8].

Основным фактором, снижающим концентрационную чувстви тельность И К газоанализаторов с тепловым источником излучения является оптический шум или динамический фон, величина кото рого может составлять 1— 10% полезного сигнала, получаемого npi измерении концентрации газа [2].

Нами экспериментально установлено, что дисперсия оптиче:

ских шумов при использовании в фильтровом И К газоанализаторе линзовой оптики в сочетании с цилиндрическими светопроводам!рабочие и сравнительные кюветы) на 2—3 порядка больше диспер' сии шумов фоторезисторных приемников и электронных блоков об­ работки и выделения сигнала. Следовательно, для увеличения кон­ центрационной чувствительности необходимо снизить величин) оптических шумов по меньшей мере до величины шумов приемнике и электроники.

Основной причиной возникновения оптических шумов являете?;

неравномерное распределение интенсивности потока излучения пс оптическому каналу из-за неравномерного распределения темперагурного поля, излучательной способности (коэффициента черноты) по поверхности теплового источника излучения, изменения темперауры источника излучения за счет колебаний напряжения питания I температуры окружающей среды. Изменения температуры источика тела накала за счет колебаний напряжения питания и темпеатуры окружающей среды можно существенно уменьшить примеением стабилизированного источника питания и изолированием :ела накала от окружающей среды.

Высокой равномерности распределения интенсивности излучеИЯ по сечению канала можно достичь с помощью полых фокусиующих конусов (фоконов) или клиньев (фоклинов) [2].

Основы теории и расчета, а такж е механизм распространения тучистого потока в фоконах меридиональных лучей для случая,

–  –  –

тогда точечный источник расположен в центре входного торца фошна, рассмотрены в [2, 6, 7].

В настоящей работе приводятся выражения для расчета фоконной оптической системы для реального источника излучения, расюложенного на конечном расстоянии от входного торца фокона.

Н[а рис. 1 схематично приведена двухканальная оптическая ситема фильтрового И К газоанализатора. Афокон 2 служит для фор­ мирования частично коллимированного потока излучения. Двухпо­ лостной фокон 4 разделяет поток на два потока (для двухка­ нальной схемы газоанализатора) и фокусирует их на приемной площадке фотоприемника 5.

Расчетные вы раж ения для элементов оптической системы (рис. 1) практически одинаковы. Поэтому ниже приводятся вы ра­ жения для расчета параметров полого фокона и указываю тся осозенности расчета параметров афокона и двухполостного фокона.

На рис. 2 представлены сечение фокона, его развертка, ход лу­ чей от источника излучения. Из рис. 2 видно, что от точки О излуaтeля в фокон войдут лучи под углами меньшими или равными c p o = a rc tg -^, (1) Рис. 2. Развертка фокона.

"де Ri — входной радиус фокона, Li — расстояние между источни­ ком и входным торцом фокона.

Поток излучения, падающий на внутреннюю поверхность фо­ кона от точки О, равен

–  –  –

Выражения (6), (7), (12), (13) не учитывают потерь лучистой ;знергии за счет поглощения ее внутренней поверхностью фокона.

'Учет этих потерь производится умножением выражений (7), (12) и (13) на е^, и соответственно (где s — коэффициент отраж е­ ния внутренней поверхности фокона).

Выражениями (5) — (7), (12) и (13) можно пользоваться для расчета потока излучения на выходе фокона в предположении, что поток излучения от излучающей поверхности источника равноэнергетичен и через фокон проходят меридиональные лучи. К ак видно !из рис. 2 и выражений (6), (7), (12), (13), от каждой точки по­ верхности излучателя через фокон проходят потоки: без отражения, с одним, двумя,..., N отражениями и на выходном торце фокона от одной точки получается множество ее изображений с разIличной контрастностью. Это позволяет заменить реальный источ­ ник точечным с теми же значениями потока излучения и его флукi туациями, а точечный источник расположить на оптической оси ; фокона.

Из рис. 2 видно, что предельным лучом, который пройдет через фокон с максимальным числом отражений является луч, касаю ­ щийся окружности с центром в вершине конуса С и радиусом L ', равным высоте отсеченного конуса. Этот луч составляет с осью фо­ кона угол

–  –  –

Введение средних геометрических числа отражений и длины пути луча не противоречит физическому смыслу и суш;ественно упрош,ает расчет фокона. Апалогичныё величины — средняя гео­ метрическая длина пути луча и угловые коэффициенты для различ­ ных геометрических фигур — используются при расчете поглощения излучения газом в [5].

с ростом числа отражений лучей в фоконе происходит потеря энергии излучения за счет ее поглощения внутренней поверхностью фокона, что ведет, с одной стороны, к уменьшению баластного из­ лучения, а с другой,— к уменьшению отношения «сигнала от газа |к сигналу от полного потока». Д ля получения максимума этого от­ ношения следует найти оптимальное число отражений луча в фо­ коне [3].

При линейном законе поглощения излучения газом доля погло­ щенного потока запишется в виде Д Ф = Ф о в ^ ас-^ ^ 8 ш (Л А 7 ), (23)

–  –  –

В заключение отметим, что при расчете геометрических разм е­ ров элементов фоконной оптической системы газоанализатора сле­ дует обеспечить равенство Л^эф = Л/^опт для соответствующих зако­ нов поглощения в фоконе, используемом в качестве многоходовой кюветы, а значение Мдф в других элементах должно рассчитываться из условия обеспечения высокой равномерности потока на выходе элемента и максимально возможного при этом произведении ФеЛ/'эф.

Заметим такж е, что неучет «косых» (сагиттальных) лучей при­ водит к заниженному значению коэффициента передачи фокальной оптики на 10—20% [2].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Б р е е л е р П. И. Теория и расчет абсорбционных анализаторов газа и жидкостей.— ОМП, № 2, 1972, с. 30—34.

2. В е й н б е р г В. Б., С а т т а р о в Д. К. Оптика световодов.— Л.: Маши­ ностроение, 1977. 319 с.

3. Г е р л о в и н Я. И., С л о б о д с к а я П. В. Повышение чувствительности оптико-акустического метода газового анализа путем применения кювет с мно­ гократным прохождением радиации.— Оптика и спектроскопия, 1959, т. VII, вып. 1, с. 105— 112.

4. Г о р е л и к Д. О., С а х а р о в Б. Б. Оптико-акустический эффект в физико-химических измерениях.— М.: Изд-во стандартов, 1969. 187 с.

5. З и г е л ь Р., Х а у э л л Д ж. Теплообмен излучением.— М.: Мир, 1975, 934 с.

6. К а п а н и И. Волоконная оптика.— М.; Мир, 1969. 464 с,

7. Л и с и ц а М. П., Б е р е ж и и с к и й А. И., В а л а х В. Я. Волоконная оптика и техника.— Киев, 1968, 279 с.

8. Я к у ш е н к о в Ю. Г. Основы теории и расчета оптико-электронных при­ б о р о в.-М.: Сов. радио, 1971. 336 с.

в. Б. Миляев, В. И. Красов

К ВОПРОСУ О ПРИМЕНИМОСТИ

МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО МЕТОДА

Д Л Я КОНТРОЛЯ ЗАГ РЯ ЗН Е Н И Й

Наиболее распространенными средствами контроля загрязне­ ния атмосферы являю тся газоанализаторы, основанные на различ­ ных физико-химических методах, позволяющие вести измерения одного из компонентов, загрязняю щ его атмосферу. Несмотря на сложный состав загрязнений атмосферы сеть наблюдений не рас­ полагает средствами многокомпонентного анализа.

В настоящей статье рассматривается возможность масс-спек­ трометрического метода для многокомпонентного анализа загрязни­ телей атмосферы и анализирую тся границы его применения. Сущ­ ность масс-спектрометрического метода состоит в преобразовании нейтрального вещества в пучок положительно заряженных ионов, разделении ионов по отношению их массы к заряду и регистрации масс-спектра.

М асс-спектр принято определять как отношение вероятностей образования различных ионов при ионизации молекул. Ионы в масс-спектре молекул, элементарный состав и масса которых со­ впадаю т с исходными молекулами, называю тся молекулярными, остальные — осколочными. При принятом определении масс-спек­ тра в нем не может быть ионов с массой, большей, чем у молеку­ лярных. Масс-спектр может содержать как положительные, так и отрицательные ионы, причем первые могут иметь заряд и больше единицы.

При ионизации молекулы образуется молекулярный ион М+, внутренняя энергия которого может быть достаточной для распада с выбросом нейтральной частицы и образованием осколочного иона. Отщ епляю щ аяся частица может быть как радикалом, так и нейтральной молекулой. Серия последовательных распадов назы ­ вается направлением фрагментации. Объединяя различные направ­ ления фрагментации, масс-спектр характеризует внутреннюю энергию и строение молекулы. Таким образом, каж дому исследуе­ мому соединению соответствует определенный спектр масс.

6 Зак. № 243 81 Масс-спектрометр предназначен для разделения ионов по м ас­ сам и измерения масс молекулярных и осколочных ионов в едини­ цах отношения массы к заряду Так как чаще образуются однозарядные положительные ионы ( е = 1 ), то отношение эквивалентно т и дает непосредственно массу иона.

В зависимости от решаемых масс-спектрометрией аналитиче­ ских задач возможны различные способы разделения ионов по массам; в магнитном поле, в радиочастотном поле, в скрещенных электрических и магнитных полях, по времени пролета иона н т. д, ![1].

В последнее время значительное внимание исследователей при­ влек способ разделения ионов с различными массами в поле квадрупольного конденсатора, образованного высокочастотным элек­ трическим полем, который нашел применение для решения ряда прикладных задач. Этот способ реализуется в квадрупольном масс-спектрометре, который имеет ряд существенных преимуществ перед известными в настоящее время динамическими и статисти­ ческими масс-спектрометрами.

К этим преимуществам относятся;

1) отсутствие магнита,

2) простота конструкции и малые размеры,

3) высокая разреш аю щ ая способность,

4) большой диапазон масс,

5) высокая чувствительность и быстродействие,

6) возможность работы в интервале давлений от сверхвысокого до близкого к форвакуумному,

7) возможность анализа ионных пучков со значительным энер­ гетическим разбросом.

Следует отметить, что для анализа органических соединений, квадрупольный масс-спектрометр такж е имеет преимущество, так как его ионно-оптическая система состоит из малого числа элек­ тродов и имеет сравнительно большую апертуру.

Отмеченные преимущества квадрупольного масс-спектрометра позволяют применить его в качестве универсального средства мно­ гокомпонентного газового анализа состава атмосферных загр яз­ нений.

Необходимо отметить, что за рубежом, прежде всего в США, уже созданы и серийно выпускаются промышленные масс-спектрометрические анализаторы, предназначенные для анализа загр яз­ нений. Фирма E nvironm ental Instrum ent Co. разработала квадру­ польный масс-спектрометрический газоанализатор модели А -10 для контроля содержания в атмосфере окиси углерода, окиси азота, озона и углеводородов, чувствительность которого позво­ ляет применять его для контроля городских загрязнений [4]. Фир­ мой Uthe Technology In tern atio n al (США) выпускается квадру­ польный масс-спектрометрический газоанализатор Q-30C для измерения концентрации окиси азота, паров соляной кислоты, дву­ окиси углерода, сернистого газа, сероводорода и ряда углеводоро­ дов в атмосферном воздухе и промышленных выбросах [3]. Фир­ мой Ulvac (Япония) создан унифицированный квадрупольный масс-спектрометр MSQ-300, обеспечивающий в комплекте специ­ ального оборудования, выпускаемого фирмой, возможность кон­ троля микроконцентраций загрязнителей атмосферы, выхлопных газов двигателей и газов в дымоходах [2].

Н астоящ ая аппаратура используется такж е Агентством США но защ ите окружающей среды.

Квадрупольные. датчики, являющиеся основой масс-спектромет­ рических газоанализаторов, производятся и другими зарубежными фирмами: H ew lett P akkard (СШ А), Riber, Vecco (Франция) и др.

Применение этих датчиков с различными вакуумными системами и системами нробоотбора и пробоподготовки позволяет использо­ вать масс-спектрометрический метод для измерения концентраций различных загрязнителей атмосферы в диапазоне изменения кон­ центраций от фоновых до промышленных.

В настоящее время имеет место бурный рост квадрупольной техники м асс-анализа. И за 25 лет своего развития этот способ нашел большое применение.

Квадрупольный масс-анализатор предложен Паулем и др. [6].

Разделение ионов по массам в фильтре масс осуществляется в поле квадрупольного конденсатора, на электроды которого подаются постоянное и высокочастотное напряжения:

f / o = + (^пос+^^пер cos («О, (1) где Uo — амплитуда напряжения на электродах квадрупольного конденсатора, LJ-aoc — амплитуда постоянного напряжения, 6'пер — амплитуда переменного напряжения, со = 2n;f — частота перемен­ ного напряжения.

Ионы попадают в поле, образованное четырьмя гиперболиче­ скими электродами (в нервом приближении цилиндрическими), на которые подается напряжение Uo, и начинают совершать колеба­ тельные движения. При определенном значении отношения посто­ янной составляющей к амплитуде переменного напряжения со­ здаю тся условия, при которых ионы с определенным отношением массы к заряду совершают колебания с ограниченной амплитудой и достигают коллектора (или первого динода умножителя) (рис. 1). Все остальные ионы не имеют стабильных амплитуд ко­ лебания и попадают на электроды. Меняя амплитуду переменного напряжения (при фиксированном отношении постоянного и пере­ менного напряжений) имеем на выходе фильтра масс распределе­ ние ионов по отношению массы к заряду с интенсивностью, соот­ ветствующей концентрации молекулярных ионов на входе в фильтр масс или концентрации их фрагментов.

Система напуска долж на обеспечивать поступление газовой смеси в ионный источник без изменения продентного содержания ее компонентов. Поэтому задача измерения парциальных давлений компонентов газовой смеси сводится к измерению их в источнике 6* '83 ионов. Ионный ток компонента газовой смеси, выходящий из об­ ласти ионизации, равен n = G jV lV,, (2) где /+ — ионный ток компонента газовой сиеси, выходящий из об­ ласти ионизации; G, — сечение ионизации; / — плотность элек­ тронного тока; V — объем обла­ сти ионизации; Ni — число ней­ e^ g тральных молекул компонента Й« газовой смеси в единице объема.

О S Учитывая, что о P t= N,kT„ (3) где Pi — парциальное давление компонента газовой смеси, k — S постоянная Больцмана, Ti — тем­ о t-H о пература компонента газовой сме­ си, запишем выражение (2) в виде ©\ §- GijVPi &« ЕS ПkTi СS З пЛ i.

Ионный источник имеет эф ­ Г©' it фективность Ки следовательно, Й число ионов, вышедших из источ­ Оа ника, равно C5 Кh QQ KiGnVPi (5 ) kT i

–  –  –

Из выражения (9) видно, что погрешность измерения обуслов­ лена следующими факторами:

1. Ошибкой, обусловленной нестабильностью тока 10“ ^^— 10“ ^ А. Электрометры имеют шумы порядка 1 мВ. При выходном ® токе ВЭУ порядка А и входном сопротивлении электрометра Ом сигнал будет равен 10~‘ В, что обусловит погрешность из­ 10^2

–  –  –

Аналогично, если имеется 10% углекислого газа и используется масса 46 для измерения концентрации двуокиси азота, тогда вклад изотопов 12 и 16 и 18 масс от углекислого газа составит 400 ppm.

Обычное содержание 20% кислорода в атмосфере будет помехой при определении концентрации сероводорода. При измерении серо­ водорода на массе 34 этот вклад составит 800 ppm. Наличие 1 % Аг в воздухе такж е будет помехой при определении концентрации паров соляной кислоты на массе 36,' только за счет присутствия 34 ppm аргона 36. П ревалирую щ ая интерференция между окисью углерода и азотом при измерении их концентрации на массе 28 потребует разреш ения порядка 2500 для разделения этих типов с целью определения концентрации окиси углерода. Д анны е огра­ ничения составляют один из недостатков квадрупольной масс-спектрометрии с низким разрешением, применяемой для контроля за ­ грязнения воздуха. Существует несколько способов преодоления влияния интерференции: применение других методов ионизации для получения более простых форм фрагментации ионов (химиче­ ская ионизация, фотоионизация); определение концентрации ком­ понента в газовой смеси по нескольким пикам (получение окон­ чательного результата после математической обработки); обес­ печение предварительной селекции и очистки пробы различными методами (химическим, диффузным и т. д.).

Кроме контроля загрязнения, масс-спектрометрический метод применяется и для исследований загрязнений окружающей среды.

Подробно этот аспект применения изложен в работе [3]. В ней особое внимание уделено вопросу идентификации загрязняющ их веществ как в атмосферном воздухе, так и в выхлопных газах ав­ томобилей, промышленных выбросах, воде, продуктах питания.

Таким образом, масс-спектрометрический метод позволяет со­ здать многокомпонентный газоанализатор для контроля городских загрязнений и промышленных выбросов.

–  –  –

ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТИ И ЗМ ЕРИТЕЛЬН Ы Х КАНАЛОВ

А В Т О М А Т И З И Р О В А Н Н О Й С И СТ ЕМ Ы К О Н Т Р О Л Я

ЗА Г РЯЗН Е Н И Я ВОЗДУХА

–  –  –

5 5 55.0 1,45 1,40 56.5 5 5 4,00 60 56,7 54.8 3.95 10 10 47.4 44.8 6,50 6,25 10 45.0 10 9,15 8.95 49 50 46.8 75 60 15 54.4 11.50 11.70 634 56.5 15 14.00 14.10 60 55 15 56.4 54.3 20 46.2 49 16,45 16.50 50 44.4 21 45.0 45 18,90 18.85 50 46.0 22,20 57 54.4 25 21.50 844 56.5 60 56.3 24.00 55 25 53.5 23.95 30 46.0 26,60 50 46 44.6 26.50 48 44.3 31.40 31,35:

50 35 46.4 55 60 40 54,9 55.8 36.80 36.50 45 41,15 54.5 59 55 52.0 41.40 56.2 46.85 46.50 56 44 50 45,3 55 47.5 51.85 50 46.4 50 55 51.50 56.80 55 60 60 55.6 60 54.0 56.50 61,60 60 65 55.0 54.1 61,75 67.00 45.5 66.85 50 50 70 46.4 1740 70' 71.80 46.6 50 75 46.2 71.85 55.2 74,05 59 76 54,6 74,35 54.6 76.60 56 55.2 76.95 45.9 79.70 50 84 79.95 46.1 82.10 46,8 50 85 82.0 50 46.3.85 88 54.5 84.60 55.5 60 84,60 86.95 55 54.3 55.3 87,00 89.60 45.6 50 89,70 46.6 91.85 46.4 43 45.6 92,15 55.5 94.60 98,0 55,0 97.00 54.7 57,25 99,5 55.4 48 99.9 99.95 45.5 99,80 99,9 46.2 50 50 99.9 46,0 45.6 Выборочной оценкой дисперсии по выборке из п наблюдений является (3 ) После элементарных преобразований получим случайную ве­ личину

–  –  –

имеющую ^^-распределение с числом степеней свободы v = n — 1.

После подстановки в (3) значений, соответствующих двум рас­ сматриваемым независимым выборкам объемов ni и пг образуем из них отношение.

Если и Хъ независимы, то плотность вероятности получен­ ного отношения равна

–  –  –

гипотеза об однородности математических ожиданий не отвер­ гается.

^ Если не отвергаются обе гипотезы, то можно полагать, что по­ лученные выборки принадлеж ат одной генеральной совокупности.

П олагая, что выборки подчиняются нормальному закону распре­ деления, вычисление математических ожиданий выборок и выбо­ рочных дисперсий производится по формулам (3) и (8). Резуль­ таты расчетов сведены в табл. 2.

Таблица 2

–  –  –

А НАЛИЗ Д АННЫ Х ЭКСПЛУАТАЦИИ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ

СИСТЕМЫ КОНТ РОЛ Я З А Г Р Я З Н Е Н И Я ВОЗД УХ А

При анализе данных опытной эксплуатации должно быть уде­ лено основное внимание оценкам точностных, надежностных и экс­ плуатационных характеристик отдельных устройств и системы в целом. В настоящей статье приводятся оценки наработки на от­ каз устройств измерительных комплексов системы, результаты анализа причин потерь измерительной информации и пути их уменьшения, а такж е оценка достоверности передачи дискретных данных по коммутируемым телефонным каналам связи и др.

Структурная схема экспериментальной автоматизированной си­ стемы контроля загрязнения воздуха (АСКЗВ) [1] состоит из трех основных частей:

1) измерительной, состоящей из группы контрольно-измери­ тельных станций (К И С ), содержащих датчики, устройства управ­ ления и преобразования (УУП) и др.;

2) каналов связи;

3) центральной станции (ЦС) и управляющего вычислитель­ ного комплекса (УВК), размещенных в центре сбора и обработки информации.

Д л я характеристики надежности сложной многокомпонентной аппаратуры, восстанавливаемой в процессе эксплуатации и пред­ назначенной для работы в относительно стабильных условиях, ч а­ сто используется критерий «наработка на отказ». Практическое ис­ пользование критерия Тср для оценки надежности базируется на предположении, что за период осреднения, для которого опреде­ ляется средняя величина для различных экземпляров аппаратуры, условия эксплуатации будут одинаковыми. В данной статье опре­ деляется надежность газоанализаторов ГКП-1, устройств упра­ вления и преобразования, в целом устройств измерительного ком­ плекса при непрерывной работе в реальной системе.

94,

Критерий Top определяется из соотношения:

П ^ г =1 (1 ) срТ ак как в опытной эксплуатации АСКЗВ участвовало несколько комплектов аппаратуры, периферийной части системы, имеющих разный срок наработки, то более корректно определять «нара­ ботку на отказ», используя весь объем информации о суммарной продолжительности периодов безотказной работы всех комплектов, отнесенной к числу учтенных отказов. Тогда kn

-----, (2) где / — число однотипных комплектов аппаратуры измерительного комплекса.

В табл. 1 приведены экспериментальные данные по работе за длительный период в составе системы из пяти газоанализаторов ГКП-1. Н аработка на отказ отдельных устройств, входящих в со­ став ГКП-1, определялась по формуле (1). При определении нара­ ботки на отказ комплекта из пяти ГКП-1 использовалось вы раж е­ ние (2). Из табл. 1 следует, что наименее надежным элементом в ГКП-1 является потенциометр КСП-2. Н адежность газоанализа­ тора повышается в 5 раз, если исключить потенциометр из комп­ лекта устройств ГКП-1. Т ак как использование потенциометра в дальнейшем будет производиться лишь при проведении иссле­ довательских работ, а в режиме реальной эксплуатации он

–  –  –

П р и м е ч а н и е. В ИЦП в дальнейших работах таймер был заменен; звез­ дочкой отмечены данные, рассчитанные без учета ИЦП.

применяться не будет, то при дальнейшем рассмотрении надеж ­ ность ГКП-1 следует принять равной надежности без потенцио­ метра.

Аналогичная обработка экспериментальных данных была про­ изведена и по работе четырех комплектов устройств управления и преобразования (УУП) измерительного комплекса. Результаты обработки приведены в табл. 2.

–  –  –

Из устройств УУП наименее надежным оказался блок таймера, который на первом этапе испытаний имел довольно большой уход.

Недостаточная стабильность таймера приводила к несовпадению, временных интервалов, отведенных для установления связи между контрольно-измерительной станцией и ЦС, что являлось причиной неустановления связи и отказа аппаратуры (постепенный отказ).

После повышения стабильности работы тай ера и надежности 1и блока обработки данных величина наработки на отказ УУП будет соответствовать требованиям, предъявляемым к надежности элек­ тронных устройств этого класса. Необходимо такж е отметить, что существующая наработка на отказ ГКП-1 и УУП практически оди­ накова, поэтому на данном этапе, когда газоанализаторы имеют невысокую надежность, улучшение надежности УУП не приведет к заметному повышению общей надежности измерительного комп­ лекса.

Н аработка на отказ всего измерительного комплекса (без учета потенциометров и УУП в И Ц П ) Гер = 967 ч.

При экспоненциальном законе изменения надежности, крите­ рий надежности Рг, оцениваемый на момент времени t, за период, начинающийся с момента U, определяется выражением

–  –  –

Из (4) следует, что при полученной наработке на отказ Гер = 967 ч и при принятой вероятности безотказной работы, равной 0,9, вреj менной интервал между двумя посещениями персоналом измерительного комплекса должен быть не менее четырех суток.

Таким образом, при установлении для периферийной части АСКЗВ времени автономной работы, равного одному месяцу, и ве­ роятности безотказной работы, равной 0,9, наработка на отказ измерительного комплекса долж на быть доведена приблизительно до '7200 ч.

I Перейдем к рассмотрению работы телефонного коммутируеI мого канала связи в реальных условиях эксплуатации системы п 'К анализу причин потерь измерительной информации. Основная задача анализа — оценка достоверности измерительной информа­ ции для определения эффективности методов, используемых в си­ стеме по защ ите информации от ошибок. Телефонные коммути­ руемые каналы связи являю тся каналам и низкого качества, так как они предназначались для передачи речевых сигналов; обла­ дающих высокой избыточностью. Коммутационное оборудование вносит значительные ошибки в передачу данных из-за частых разъединений, перерывов уровня, импульсных помех и др. По д ан­ ным статистических исследований [2], на ГТС телефонный канал с декадношаговым оборудованием 10— 15% времени находится в возмущенном состоянии, когда вероятность ошибки в передавае­ мой информации достигает 0,5.

Д л я контроля прохождения дискретной информации по кана­ лам связи в системе введены три типа ошибок искажения инфор­ мации:

— I ошибка, соответствующая числу случаев -40;

— П ошибка — ошибка в одном из 7— 10 разрядов;

— П1 ошибка — указываю щ ая на то, что в одном из разрядов было несравнение.

Потери измерительной информации происходят не только в результате ее искажения при передаче по каналу связи, но и вследствие несостоявшихся сеансов связей, например из-за неис­ правностей технических средств, самоустраняющихся сбоев, зан я­ тости каналов связи и др. Поэтому анализ производился в напра­ влениях оценки потерь измерительной информации в результате 7 Зак. № 243 ^97 несостоявшихся сеансов связи и оценки вероятности ошибок при передаче информации в условиях реальной эксплуатации.

Д л я проведения испытаний была создана измерительная сеть, состоящая из 15 КИС, из них:

— пять оснащены городскими телефонами (КИС 1 в ГГО, КИС 2 и 3 в стационарных павильонах «Пост-1», КИС 8 в ЛМ И и КИС 15 в лаборатории Л Г М И ), т. е. расположены в стационар­ ных павильонах и в лабораториях институтов;

— четыре оснащены телефонами учрежденческих АТС (КИС 4—7);

— шесть оснащены городскими телефонами (КИС 9— 14), рас­ положенными на АТС ГТС.

В табл. 3 приведены основные причины несостоявшихся сеан­ сов связи. Наибольшие потери информации произошли по органи­ зационным причинам.

Это вызвано тем, что к началу испытаний имелось недостаточное количество специально подготовленного:

персонала, продолжающимися наладочными работами аппаратуры в ходе реальной эксплуатации и отсутствием специально оборудо­ ванных павильонов для периферийной части системы.

Таблица 3

–  –  –

отрезок времени; Побщ — общее количество (достаточно большое) знаков, переданных за тот же отрезок времени.

Перед разработкой системы передачи данных (СПД) АСКЗВ были установлены вероятность ошибки Рош = и скорость пе-, редачи дискретной связи v = 50 бит1с.

Система передачи данных была заверш ена в 1972 г. и авто­ номно испытана в условиях Киевской ГТС [3]. Результаты испыта­ ний подтвердили соответствие заданной вероятности ошибки при передаче дискретной информации вероятности ошибки, получен­ ной экспериментально. В настоящей статье производится оценка достоверности дискретной информации по результатам испытаний СП Д в условиях реальной эксплуатации АСКЗВ в Ленинграде.

В табл. 5 приведены объемы дискретной информации, переда­ ваемой по коммутируемой телефонной линии ГТС, и вероятности ошибок. В зависимости от диапазона вероятности ошибок КИС можно разделить на три группы.

П ервая группа (КИС 1—3,8, 15);

I ошибка, 3,8- 10“ ® 5,4- 10'^ (значение 48- 10“^ у КИС 8 — не учитывается), II ошибка О — 2,3 • 10“'^, III ошибка 2,9- 10-5 — 9,4- 10"^

Вторая группа (КИС 4—7):

I ошибка 2,4 •10-4 — 12,7-Ю Л II ошибка 1,7- 10“^ — 9,7- 10“^ III ошибка 4,1. 10-4—. ю-4.

–  –  –

где /2 — число сеансов связи с одной КИС. При 30-минутном ре­ жиме работы системы ошибка произойдет через 2,5 суток.

В случае когда связь с абонентом не была установлена или принятая информация передана с ошибками, в системе предусмот­ рено повторение вызова абонента (пере- р спроса) и установление повторных соеди­ нений, последнее приводит к значительным потерям времени и неэффективному использованию канала связи.

Н а рис.. 2 приводятся зависимости вероятности установления связи с раз­ личными абонентами от числа переспро­ сов. Д л я абонентов первого типа (КИС 1—3, 8, 15) вероятность установления связи после двух переспросов 0,78; для абонентов второго типа (КИС 4—7) ве­ роятность установления связи после двух переспросов — 0,70; для абонентов треть­ его типа (КИС 8— 14) вероятность установления связи после двух пере­ спросов — 0,98.

Таким образом, в часы «пик» на го­ родских телефонных линиях в системах целесообр-азно предусмотреть один пере­ Рис. 2. Зависимость вероят­ спрос и только в отдельных случаях два. ности Р установления связи в функции от числа пере­ Д л я телефонных линий ГТС других го­ спросов к.

родов, где уровень помех и прерываний 1 - К Я С в пост-1, 2 - к и с линии может оказаться еше большим, в учреждениях, 3 — КИС на АТС.

возникает задача использования другого канала связи (радиоканала, выделенных линий) как в сочетании с коммутируемым телефонным каналом связи, так и полностью.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. А н у ф р и е в В. И. Измерительный комплекс автоматизированной си­ стемы контроля загрязнения атмосферного воздуха.— Труды ГГО, 1975, вып. 352, с. 249—257.

2. М о р е в В. Л. Передача данных по телефонным каналам связи в инфор­ мационно-вычислительных системах.— М.: Связь, 1971. 46 с.

3. К о п е й к и н В. И. Исследования методов построения и помехоустойчи­ вости автоматизированной системы контроля загрязненности воздуха.— Киев,

1972. 32 с.

в. в. Ауров, А. А. Гуревич, С. А. Коньков

И СС ЛЕДОВА НИЕ СТАЦИОНАРНОСТИ ПРОЦЕССОВ,

ОПИСЫВАЮЩИХ ИЗМЕНЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИЙ

ПРИМЕСЕЙ В АТМОСФЕРЕ

1. Вопросы анализа пространственно-временной статистиче­ ской структуры процессов, описывающих изменение концентраций примесей в атмосфере, привлекают в последнее время внимание многих исследователей [1, 4, 7].

В большинстве работ этот анализ выполняется при допуще­ нии о стационарности процессов, а такж е об однородности и изо­ тропности поля по отношению к пространственной корреляции.

В частности, в [7] на основании такого анализа приведены оценки погрешностей интерполяции, связанных с пространственной и вре­ менной дискретностью измерений на сети пунктов.

Проверка правомерности допущения о стационарности, наряду с теоретическим интересом, имеет сейчас и существенное приклад­ ное значение в связи с необходимостью выбора рациональной структуры и алгоритмов работы стационарной автоматизирован­ ной системы сбора и обработки данных о концентрации примесей в атмосфере.

Стационарность процессов необходимо привлекать к рассмот­ рению при решении, в частности, вопросов:

а) выбора пространственного и временного квантования с целью построения временного хода полей концентраций с прием­ лемой точностью;

б) разработки алгоритмов критического контроля информации в точках измерений;

в) разработки алгоритмов прогноза концентраций загрязнений;

г) разработки методики сбора информации о концентрации з а ­ грязнений с помощью мобильных контрольно-измерительных стан­ ций.

В большей или меньшей степени все эти вопросы являются взаимосвязанными.

Покаж;ем влияние вопроса о стационарности на примере за ­ дачи о критическом контроле измерительной информации, посту­ пающей с контрольно-замерной станции автоматизированной сети.



Pages:   || 2 |



Похожие работы:

«Виктор Петин 2-е издание Санкт-Петербург "БХВ-Петербург" УДК 004.4 ББК 32.973.26-018.2 П29 Петин В. А. П29 Проекты с использованием контроллера Arduino. — 2-е изд., перераб. и доп. — СПб.: БХВ-Петербург, 2015. — 448 с.: ил. — (Электроника) ISBN 978-5-9775-3550-2 Рассмотрены основные платы Arduino и платы расширения (шилд...»

«ПРЕДИСлОВИЕ ОТ Б Е Т Т И КО Р Н Е л л Меня зовут Бетти Корнелл. Я написала "Секреты популярности для подростков от Бетти Корнелл" в 1951 году. Мне было тогда 24 года. Последним писком моды были бриджи: при длине чуть ниже коле...»

«Пчегатлук Светлана Калачериевна МЕНТАЛИТЕТ КАК СОЦИАЛЬНО-ПОЛИТИЧЕСКОЕ ЯВЛЕНИЕ: ОПЫТ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО РАССМОТРЕНИЯ В статье представлено авторское понимание менталитета как теоретического феномена с точки зрения его влияния в социально-политических...»

«Пономарева Е.Г. Авторитарный транзит периферийных стран межвоенной Европы: политологический анализ / Е.Г. Пономарева // Вестник МГИМО-Университета. 2009. № 6 (9). С. 188-199. Е.Г. Пономарева1 АВТОРИТАРНЫЙ ТРАНЗИТ ПЕРИФЕРИЙНЫХ СТРАН МЕЖВОЕННОЙ ЕВРОПЫ: ПОЛИТОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛ...»

«ГОРНО-ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ. НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ. TORtec® GROUP АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕХНОЛОГИИ "ТОРНАДО" Одним из самых распространенных методов переработки материалов является их измельчение. Практически нет...»

«Приложение к приказу Генерального директора ОАО СК “Альянс” от "02" декабря 2013 № 359 УТВЕРЖДЕНО приказом Генерального директора ОАО СК “Альянс” от "02" декабря 2013 № 359 ПРАВИЛА СТРАХОВАНИЯ ГРАЖДАНСК...»

«31.10.2013 Группа "Черкизово" объявляет результаты операционной деятельности за девять месяцев 2013 года Группа "Черкизово" (LSE:CHE), крупнейший производитель мяса и комбикормов в России, объявляет результаты операционной деятельности за 9 месяцев 2013 г. Птицеводство Общий объем продаж в сегмент...»

«Обзор рынка глинозема в России, СНГ и странах Европы Москва декабрь 2015 Обзор рынка глинозема в России, СНГ и странах Европы Демонстрационная версия С условиями приобретения полной версии отчета можно ознакомиться на странице сайта по адресу: http://www...»

«АНАЛИЗ РЫНКА ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ ТРУБ В РОССИИ Аналитический обзор Анализ рынка полиэтиленовых труб в России Август, 2015 АНАЛИЗ РЫНКА ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ ТРУБ В РОССИИ Оглавление 1. МАРКЕТИНГОВЫЙ ПЛАН 1.1. Описание предполагаемой продукции 1.2. Обзор рынка полиэтиленовых труб в РФ 1.3. Основные тенденции на рынке...»

«550650_Игровой набор Лаборатория Человек-Паук ИНСТРУКЦИЯ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ И ПРИМЕНЕНИЮ Компания IMC TOYS подвергает продукцию строгому контролю, чтобы гарантировать вашим детям настоящее удовольствие и безопасность. Продукция IMC TOYS проста в...»

«Наукові записки, вип.13, 2013р. УДК 371:351.851 Л.В.Рибакова, ст. викл. Кіровоградський національний технічний університет Анализ информационных систем и методов управления подготовкой специалистов В статье приведенанализ информационной системы управления п...»

«1 1. Общие положения Настоящие Правила рассмотрены и одобрены на заседании приемной комиссии училища 22 сентября 2008 г., протокол № 1 и Ученого совета училища 24 сентября 200...»

«d-элементы VII группы В побочную подгруппу VII группы периодической системы входят элементы: марганец Mn, технеций Tc и рений Re, борий Bh резко различающиеся по своей распространенности в природе. Электронное строение атомов: Так, 25Mn [Ar]4s 3d, 43Tc [Kr]5s 4d, 75R...»

«УДК 621.394.4:615.472.05 А.Р. КОРСУНОВ, канд. техн. наук, УИПА (г. Харьков) МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФОРМИРОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ СРЕДЫ ПЕРЕНОСА СИГНАЛА ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ КОМПЛЕКСА ЭЛЕКТРОМАГНИТНО...»

«Устав Глава I : Название организации – Время деятельности организации – Месторасположение – Языки организации Глава II : Цели – Средства – Руководящие органы Глава III : Членство – Права – Обязанности Глава IV : Руководящие органы организации РАЗДЕЛ 1 – Генеральная Ассамблея РАЗДЕЛ 2 – Совет Ди...»

«Приложение №2 к Приказу о введении в действие Договора-оферты Об обслуживании с использованием системы "Офис Онлайн" и Соглашения о признании и использовании электронной подписи в системе "Офис Онлайн" Введено в действие с 7 сентября...»

«Всё, что нужно для уникальных AV-проектов ВИЗУАЛЬНО КРЕАТИВНО НАДЕЖНО Каталог профессионального аудиои видеооборудования ВИЗУАЛЬНО КРЕАТИВНО НАДЕЖНО Уважаемые партнеры!Много лет мы прислушиваемся к вашим пожеланиям. На их Наша компания является дистрибьютором ведущих мирооснове мы сформировали портфель поставляемого оборудовых...»

«Подготовила Россинская Светлана Владимировна, гл. библиотекарь библиотеки "Фолиант" МБУК "Тольяттинская библиотечная корпорация" e-mail: rossinskiye@gmail.com; Страница группы Вконтакте http://vk.com/library_foliant   Судьба Владимира Шухова первого инженера Российской Империи Литературное расследование в связи с 160-летием со дня рожд...»

«ЕПАРХІАЛЬНЫЯ ВДОМОСТИ. Выходятъ дна разя в ъ м сяцъ. ль П о д п и с к а п р и н и м а е т с я в ъ ре дакц ія игл Ц н а годовому изд ан ію п я т ь рубШо д Т о м с к и х ъ е п а р х і а л ь н ы х ъ вдомол е й с е р еб р о...»

«Amadeus Group Strategic Development Consulting Журнал "Профессия – Директор", С-Петербург, сентябрь 2008 Формирование управленческой команды: как привлечь достойных кандидатов? "Наводить порядок следует до появления смуты" Лао Цзы В предыдущей статье...»

«УКРАИНА ДЗЕРЖИНСКИЙ ГОРОДСКОЙ СОВЕТ РЕШЕНИЕ от 23.12.2011 № 6/16-7 г. Дзержинск Об утверждении Положений и ставок единого налога и сбора за осуществление некоторых видов предпринимательской деятельности Руководствуясь п.24 ст.26 Закона Украины "О местном самоуправлении в Укра...»

«СОГЛАСОВАНО тель ГЦИ СИ =' жего. о I ий ЦСМ" И. И. Решетник Внесены в Государственный реестр средств Комплексы суточного мониторирования ЭКГ компьютеризированные МИОКАРД измерений Регистрационный з'г г8Цi'7!О ХОЛТЕР М 28у4'О 04' Взамен Выпускаются по ТУ 9441-002-25692097-2004. НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ Ком...»

«Протерм скат схема монтажа. Схемы и Чертежи Среда, 13 февраля 2013 г. NMC обеспечивает управление трафиком во всей сети и обеспечивает диспетчерское управление сетью при сложных аварийных ситуациях, как например, выход из строя или перегрузка узлов. Протерм скат схема монтажа Скачать Протерм скат схема монтажа Инструмен...»

«УДК 94 ББК 63.3 Р 17 Разумков М. В. Р 17 Закат Гейропы и России / Максим Разумков. — М. : Яуза-пресс, 2014. — 352 с. — ("Грязное белье" Кремля). ISBN 978-5-9955-0699-7 Мир сошел с ума. Запад катится в тартарары и тащит за собой Россию. Белая христианская цивилизация капитулирует перед нашествием варварских орд...»

«Экосистемы, их оптимизация и охрана. 2013. Вып. 8. С. 3–16. Флора и фауна УДК 581.526.323 (477.75) ФИТОБЕНТОС В РАЙОНЕ МЫСА ХРОНИ (АЗОВСКОЕ МОРЕ – КЕРЧЕНСКИЙ ПРОЛИВ): СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПУТИ СОХРАНЕНИЯ Садогурский С. Е., Садогурская С. А. Никитский ботанический сад – Национальный научный центр НААНУ, Ялт...»

«Руководство пользователя Код: DHI-NVR1104-P РЕГИСТРАТОР IP DHI-NVR1104-P 4 КАНАЛА +4-ПОРТОВЫЙ СВИТЧ POE DAHUA ВНИМАНИЕ! Пожалуйста, прочитайте руководство пользователя, которая прилагается, потому что она содержит важную инфор...»

«Оглавление Программы I Целевой раздел 1.Обязательная часть 1.1.Пояснительная записка.. с.4-5 1.1.1.Цели и задачи реализации Программы. с.5-6 1.1.2.Принципы и подходы к формированию Программы.с...»









 
2017 www.book.lib-i.ru - «Бесплатная электронная библиотека - электронные ресурсы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.