Разработка устройств для оперативного контроля содержания продуктов сгорания топлива в атмосферном воздухе

Одним из вредных последствий производственной деятельности человека является загрязнение атмосферного воздуха. В Астрахани, по данным экологов, оно вызвано, в основном, выбросами промышленных предприятий, выхлопными газами автотранспорта и другими факторами. В частности, мощным источником загрязнения городской воздушной среды является автомобильный транспорт, увеличение численности которого привело к резкому ухудшению санитарных условий проживания во всех городах России, в том числе и в городе Астрахани.

При повышенных концентрациях оксида углерода (CO и CO₂) и других продуктов сгорания топлива, уменьшается приток кислорода к тканям и к сердцу, повышается количество сахара в крови.

Загрязнение атмосферного воздуха в Астрахани привело к постоянному росту аллергических и астматических заболеваний и других заболеваний дыхательных путей у детей и высокой смертности среди пожилых людей в периоды летнего смога.

Уменьшить содержание примесей на оживлённых автомагистралях города в часы пик возможно при использовании двигателей гибридного типа, при правильной регулировке двигателей внутреннего сгорания, качественном топливе, а также за счёт рациональной организации потоков автомобилей в городе. В связи с этим исследование содержания продуктов сгорания топлива в составе атмосферного воздуха и разработка устройств для их оперативного контроля представляется весьма актуальным.

Для получения данных о содержании продуктов сгорания топлива в атмосферном воздухе нами проведены исследования атмосферного воздуха в городе Астрахани. Исследование состава воздуха проводилось путём отбора проб в ряде точек в местах наибольшего скопления автотранспорта как в часы пик, так и в относительно «спокойное» время (содержание оксида углерода определялось хроматографическим методом). В таблице 1 приведены результаты определения содержания СО в воздухе в различное время суток.

Таблица 1. Содержание CO в атмосферном воздухе: пункт 1 – на пересечении ул. Ленина и ул. Адмиралтейской; пункт 2 – на пересечении ул. Н. Островского и ул. Звёздной.

По результатам исследования получена зависимость содержания СО в атмосферном воздухе от времени суток в различных точках города Астрахани.

Содержание угарного газа (СО) в атмосферном воздухе уже к 14 часам дня достигает ПДК, а к 18 часам вечера повышает ПДК в 2 раза.

Анализ ИК спектров поглощения оксида углерода (рис. 2, а) показывает, что имеются две близко расположенные полосы поглощения, контуры которых могут быть описаны кривыми Лоренца с применением метода наименьших квадратов (рис. 2, б).

Параметры этих кривых используются в математической модели устройства для оперативного контроля содержания оксида углерода в воздухе при расчете его оптимальных параметров.

В основе работы разрабатываемого устройства (рис. 3) лежит использование методики оптимального проектирования элементов оптико-электронной системы, основанной на применении информационных критериев качества измерительных устройств (информационная пропускная способность канала, отношение сигнал-шум).

БИ

Рис. 3. Структурная схема устройства для оперативного содержания оксида углерода в воздухе:

СПБ – светоприемный блок;

ДУ – дифференциальный усилитель;

ЛУС – линейный усилитель сигнала;

АЦП – аналого-цифровой преобразователь;

БИ – блок индикации.

Один из возможных вариантов механических узлов устройства показан на рис. 4.

Рис. 4. Механическая модель устройства:

1 – корпус; 2 – крышка; 3 – поршень

На рис. 5 представлен макет лабораторной установки, в которой реализована принципиальная электронная схема устройства.

Рис. 5. Макет экспериментальной установки

Конечным результатом данного проекта является создание набора газоанализаторов различного назначения (наладка автомобильных двигателей на предприятиях автосервиса и автомобилестроительных компаниях, обслуживание подразделений ГИБДД, датчики превышения ПДК индивидуального использования) для оперативного контроля содержания в атмосферном воздухе таких газов, как СО, СО2 и др.

Литература:

1. Лихтер А.М. Оптимальное проектирование оптико-электронных систем: Монография. Астрахань: Издательский дом «Астраханский университет», 2004, 241 с.

2. Лихтер А.М., Смирнов В.В. Физические основы оптико-электронных измерений. Учебное пособие. Астрахань: ИД «Астраханский университет», 2005, 288 с.