MSW 97 DOC
реклама
ОДНО ИЗ НАПРАВЛЕНИЙ КОНВЕРСИРУЕМЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ МОЩНОСТЕЙ РЕСПУБЛИКИ ТАТАРСТАН Филиппов В. Л., профессор, чл.-корр. Международной академии Информатизации (Федеральный научно-производственный центр «Государственный институт прикладной оптики») ВВЕДЕНИЕ. Более 40 лет ФНПЦ ГИПО ведет разработки оптико-электронных систем специального назначения /1-3/. В свою очередь, создание приборов указанного направления, обладающих заданной эффективностью в различных условиях и режимах применения невозможно без реализации опережающих исследований оптических сигнатур окружающей среды, в которой происходит формирование сигналов , поступающих на входной зрачок изделия /3-5/. Соответствующие исследования активно развивались помимо ФНПЦ ГИПО ведущими фирмами, известными своими разработками оптико-электронных устройств военной техники /6/ с конечной задачей создания моделей функционирования приборов /7/. Изменение в стране военно-политической и экономической ситуации в последние годы остро поставили задачу освоения накопленного научно-технического потенциала обозначенного выше направления в различных народнохозяйственных приложениях и в данной статье определены возможности применения техники спектральных измерений в различных участках оптического диапазона электромагнитных волн для решения проблем создания Единой государственной информационной системы (ГИС) и, в частности ее раздела – системы экологического мониторинга окружающей среды. Вопросы обеспечения экологической безопасности Республики Татарстан и своевременного предупреждения чрезвычайных ситуаций определяют необходимость использования современных методов и средств контроля состояния атмосферного воздуха, поверхностных и подземных вод, природных комплексов, крупных городских структур и промышленных зон. При этом для РТ особую актуальность представляют трансграничные загрязнения от сопредельных территорий, т.к. вероятно несвоевременная и некачественная информация от администрации этих территорий относительно характера аварий и их реальных последствиях. Необходимым условием управления экологической ситуацией является наличие оперативной информации о состоянии окружающей природной среды и тенденциях ее изменений. Получение и обработка достоверных сведений об экологической обстановке в достаточно полном объеме возможны только на основе использования системы датчиков, совместимых с современными устройствами цифрового анализа и архивирования полученных экспериментальных данных. Актуальность и стратегическую значимость затронутой проблемы подтверждают постановления Кабинета Министров РТ от 24.02.94г. № 74 и от 07.07.94 г. № 321 о создании, обеспечении функционирования и развития Единой государственной системы мониторинга окружающей среды РТ (ЕГСМ РТ), Целевая Комплексная Программа «Мониторинг окружающей среды Республики Татарстан» (Постановление КМ РТ от 17.02.97.№127) Основной акцент в ЕГСМ РТ сделан на организации информационно – аналитического обмена между тематическими областями мониторинга, который предусматривает прежде всего создание комплекса измерительных устройств, отвечающих требованиям существующей и планируемой к разработке научнометодической базы экологических служб РТ и России в целом (или, по крайней мере, сопредельных регионов). Учитывая вышеизложенные обстоятельства в ФНПЦ ГИПО в 1991-1992 гг. на базе конверсируемых производственных мощностей и опыта оптико-геофизических исследований окружающей среды в интересах создания спецтехники были развернуты работы по разработке оптико-электронных систем дистанционного контроля. Рубежным моментом следует считать выход распоряжения КМ РТ от 03.01.92 г.№7-р о создании в 1992-1993 гг комплекса многоцелевого оперативного контроля территории РТ –оптикоэлектронного оборудования многофункциональной лаборатории на вертолете МИ-8МТ, разработка которого была успешно завершена.. В 1998г. фактически достигнутый уровень выполненных разработок позволил подготовить и утвердить на 1996-2000 гг. Соглашение о сотрудничестве между ФНПЦ ГИПО и Минприроды РТ и «Программу создания базовых технологий экспресс-анализа и приборного оснащения мониторинга окружающей природной среды РТ на основе научнотехнического потенциала ФНПЦ ГИПО», являющихся органическим составным элементом упомянутой выше Целевой комплексной Программы «Мониторинг окружающей среды РТ». Представленные ниже материалы отражают научный и производственный результат в создании образцов наукоемкой продукции по экологической проблематике, который призван отвечать не только целям создания ЕГСМ Республики, в ее взаимосвязи с прилегающими регионами , но и заполнить весьма емкий рынок приборов данного класса в России., СНГ и при кооперировании с зарубежными странами. В последнем случае показателен положительный опыт испытания в комплексе экологической станции, поставляемой в РТ фирмой “MediUm-Sesor “, аэрозольного спектрометра «Квант-2П». 1. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНЦЕПЦИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПРИБОРНОГО КОМПЛЕКСА Экологический мониторинг окружающей природной среды (ЭМПС) - одна из наиболее актуальных областей научно-практических интересов промышленно развитых государств и, несмотря на это, до настоящего времени остается в значительной степени декларативной. Действительно, ЭМПС, как функционирующий научно обоснованный процесс создания и последовательного совершенствования информационной системы, характеризующей состояние глобальных, региональных и локальных изменений окружающей среды (ОС) с выявлением тенденций развития и рекомендаций на целенаправленное регулирование ОС как экосистемы, требует для своей реализации, по крайней мере, пяти условий, в том числе: осознания необходимости поддержания компонентов экосферы на уровне, допускающем ее саморегуляцию. - Этот фактор медленно, но неуклонно приобретает черты идеи масс. наличия законодательной основы, определяющей нормативы и режимы функционирования различных и, в том числе, фискальных служб контроля. - Это условие может быть в полной мере реализовано только при практической отработке ЭМПС и в настоящее время действует в системе регламентаций различных служб и ведомств, связанных с контролем компонентов экосистем и действующих подчас в изоляции друг от друга. разработанности научно-технических аспектов ЭМПС, включающих - физикохимические и биологические знания процессов, происходящих в ОС, понимание и количественные оценки в ЭМПС принципа масштабности, временного принципа с учетом устойчивости состояния экосистем, которым должны быть подчинены требования к сети измерительных комплексов и режиму функционирования ЭМПС. - Этот раздел проработан в наиболее значительной степени и требует детализации в конкретной системе организации работ по экологическому контролю. В ФНПЦ ГИПО получил развитие в части создания базы спектроскопических знаний, определяющей динамику оптических характеристик элементов ОС. наличие экономических показателей, стимулирующих создание единой системы ЭМПС. создание образцов измерительной аппаратуры в интересах отработки ЭМПС и промышленной базы для его производства. Наряду с первым из выделенных нами условий последний фактор является основополагающим в задаче решения реальных проблем создания системы ЭМПС и не нашел своего достойного решения не только в таких странах как США, Германия, Англия, Франция, Япония и др., достигших реальных успехов в решении задач контроля состояния природных сред, но и тем более, в России, с характерным для ее населения менталитетом безграничности ресурсов страны, масштабности компонентов экосистем и сложностью экономической ситуации. В свете вышеизложенного видны дополнительные аргументы, определяющие актуальность затронутой темы создания комплекса оптико-электронных измерительных средств для отработки многоуровневой системы подвижных и стационарных пунктов получения и архивирования информации региональных сетей ЭМПС. Практическая реализация системы ЭМПС определяется возможностью обеспечить совокупность трех важнейших моментов: получение достаточного уровня знаний об объекте мониторинга (экосистеме); определение конкретной цели из множества экологических проблем; возможность обработки и интерпретации результатов измерений. Все эти три момента в общем случае должны быть учтены при определении требований к номенклатуре измерительных приборов, их техническим параметрам, включая возможности машинной обработки и архивирования результатов измерений. С другой стороны, ввиду большого числа факторов, влияющих на ОС, набор признаков, характеризующих ее состояние может быть бесконечным. Поэтому при разработке данного проекта с точки зрения оптимизации технологии и организации системы ЭМПС с инженерной и коммерческой точек зрения за счет уменьшения числа задействованных приборов и расширения их эксплуатационных возможностей были приняты за основу следующие положения: Создаваемые приборы должны обеспечить контроль среды, главным образом, за счет дистанционных измерений. Приборы должны быть сопряжены с распространенными средствами машинной обработки и хранения информации и эксплуатироваться как в стационарных условиях, так и с мобильных средств (автомобиль, судно, вертолет). Контролю в Системе ЭМПС подлежит - почва, вода, воздух. При этом из всего многообразия признаков, определяющих состояние ОС, в силу взаимозависимости многих из них, измерению подлежат наиболее важные (диагностические) показатели. Чувствительность аппаратуры должна соответствовать требованиям, увязанным с нормативами на предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязнений. Инженерно-методические решения, заложенные в основу конструкции аппаратуры, после несложной адаптации должны быть применимы для практического использования не только в экологических службах, но и в других ведомствах (промышленность, медицина). 2. АПРОБИРОВАННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАЗРАБОТКИ В данном разделе, исходя из технических особенностей построения приборов, уйдем от принятой выше обобщенной классификации приборов ЕГСМ, определяющей датчики контроля воздуха, воды поверхности и т.д. к более детализированной, включающей в частности, приборы для измерения аэрозольного загрязнения воздуха, газового анализа локального действия и построенных на основе лазерной локации. 2.1 ИЗМЕРЕНИЕ ЖИДКИХ И ТВЕРДЫХ АЭРОЗОЛЕЙ И ИХ МАССОВОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ Задача измерения счетной и массовой концентрации частиц в газовой среде, а также их размеров является составной частью измерений не только в экологии, но и в других областях деятельности (промышленность, медицина и др.). Приборы для измерения этих характеристик строятся на различных принципах: седиментации частиц, измерении наведенной радиации, улавливании аэрозоля на различные фильтры с последующим взвешиванием и т.д. Наиболее универсальным, позволяющим полностью автоматизировать процесс измерений в реальном масштабе времени является метод, основанный на регистрации и измерении оптического излучения рассеянного каждой частицей. На этом принципе построены фотоэлектрические счетчики аэрозольных частиц. Широкую гамму таких приборов для различных диапазонов размеров и концентраций частиц предлагают фирмы США ( "Royco", "Particle mesuaring system"), ФРГ ("Kratel", "Frich") и др., включая лазерные фотоэлектрические счетчики, аэрозольные счетчики с неселективным источником и приборы для измерения частиц в жидкостях. Ранее выпускавшийся в стране аэрозольный счетчик АЗ-5 снят с производства, его последующая модификация - счетчик АЗ-6 серийно не выпускался, а имеющиеся многочисленные разработки существуют в виде макетных образцов и используются в основном только самими разработчиками. Таким образом, отечественные приборы обозначенного класса практически отсутствуют, а импортные, ввиду того, что являются сложными и выпускаются мелкими сериями, достаточно дороги ( от 30 до 60 тыс. долл. США). С использованием более чем двадцатилетнего опыта исследований атмосферного аэрозоля и разработки фотоэлектрических счетчиков частиц в ФНПЦ ГИПО был создан достаточно универсальный, компактный и более доступный по цене анализатор размеров аэрозольных частиц "Квант-2П". Прибор освоен в производстве и выпущена опытная партия /9 - 11/. Анализатор "Квант-2П" выполнен в виде переносного моноблока в пылезащищенном корпусе, объединяет в себе оптический датчик, фоторегистрирующее устройство, систему обработки, хранения и вывода информации и систему пробоотбора. Прибор полностью автономный, допускает работу в полевых условиях в автоматическом и ручном режимах, предназначен для определения размеров частиц, их концентрации по градациям размеров, а также суммарной счетной и полной массовой концентрации. Работа анализатора основана на измерении рассеянного света отдельными аэрозольными частицами, пролетающими через оптически сформированный счетный объем и подсчете количества электрических импульсов, полученных с фотоприемника в заданных градациях амплитуд. Благодаря специальной схеме включения фотоэлектронного умножителя в фотоприёмном устройстве, обеспечивающей 5 порядков линейности преобразования сигнала, прибор позволяет в базовом варианте охватить диапазон измеряемых размеров частиц от 0.6 до 70 мкм (для частиц полистирольного латекса) без перенастройки и переключения. Весь диапазон разбит на 16 поддиапазонов по логарифмическому закону. Таким образом, аэрозольный спектрометр "Квант 2П" производит анализ полидисперсной аэрозольной системы по 16 градациям размеров. Охват столь широкого диапазона размеров частиц является принципиально важным для измерений промышленной пыли, где присутствуют взвешенные частицы диаметром до 60 мкм и ни один из отечественных или зарубежных аналогов не решает указанной задачи, т.к. рассчитаны на более узкие диапазоны (от 0.5 до 10, от 5 до 50 мкм и т.д.). Массовая концентрация и суммарная счетная концентрация вычисляются встроенным микропроцессором, исходя из измеренных размеров частиц, их концентрации и заданной плотности вещества аэрозоля. Кроме этого процессор осуществляет коррекцию результатов измерений на неравномерность освещенности счетного объема управление процессом измерения и вывод информации. В ПЗУ прибора записываются градуировочные характеристики для 10 различных типов аэрозоля, отличающихся комплексным показателем преломления и плотностью. В базовом варианте анализатора записаны градуировочные характеристики для кварцевой пыли, лессовой пыли и поверочных аэрозолей. Обработанные микропроцессором результаты измерений в виде протоколов записываются в память и могут храниться до 30 дней даже при выключенном питании. Одновременно в памяти могут храниться результаты 50 измерений. Выбор типа аэрозоля, плотности вещества, объема анализируемой пробы, экспозиции, количества замеров, интервала между последовательными измерениями, а также номера объекта измерений осуществляется оператором с пульта управления, где расположены соответствующие группы переключателей. Периодический контроль сохраняемости характеристик чувствительности оптикоэлектронного тракта и стабильности характеристик пневматической системы осуществляется с помощью встроенных калибратора и ротаметра. Визуальный просмотр результатов измерений осуществляется (см.рис.1) на цифровом табло прибора. Вывод протоколов измерений включая дату, время, номер объекта, диапазоны размеров, дифференциальную счетную концентрацию (частиц в куб. см),суммарную счетную концентрацию, полную массовую концентрацию (мг/куб. м), экспозицию, положения основных переключателей производится на внешнее печатающее устройство или в память ПЭВМ. Нижний предел счетной концентрации, определяемый уровнем шумов прибора и верхний предел, определяемый 95 % вероятностью одновременного попадания в счетный объем не более чем одной частицы, составляют соответственно 10 и 12000 частиц в куб. см. Соответствующие им значения границ диапазона измерений массовой концентрации (для кварцевой пыли) составляют 0.2 мкг и 100 мг в куб.м. Как показали испытания, уровень шумов прибора является достаточно стабильной величиной, поэтому путем вычитания шумового сигнала удается достичь нижнего предела измеряемой концентрации 0.05 мкг/куб.м и менее. Анализатор комплектуется блоком автономного питания, обеспечивающим не менее 2 часов непрерывной работы без подзарядки аккумуляторных батарей. В опытных образцах прибора предусмотрена возможность ступенчатого изменения размеров счетного объема с помощью четырехпозиционных переключателей диафрагм осветительного и приемного каналов, что позволяет расширить диапазон измерений в сторону крупных частиц до 200 мкм. Испытания опытных образцов приборов показали их высокую надежность и сохраняемость метрологических характеристик. Погрешность отнесения монодисперсных частиц полистирольного латекса к соответствующей градации размеров не превышает 10 % в диапазоне 0.5-4.0 мкм, погрешность определения полной массовой концентрации не превышает 20 % в диапазоне 0.5-50 мг/куб. м, погрешность измерения распределения частиц по размерам не превышает 20 % в диапазоне 0.5-20 мкм для всей опытной партии приборов. В связи с тем, что анализатор является достаточно сложным оптикоэлектронным прибором, величина относительной погрешности, зависящая от качества изготовления, сборки, юстировки и настройки, может меняться от образца к образцу. Так, в наилучших образцах погрешность определения размеров была менее 5 %, а погрешности определения массовой концентрации и распределения по размерам - менее 10 %. Прибор прошел государственную метрологическую аттестацию и имеют свидетельство Госстандарта РФ. В качестве поверочных средств использованы: - частицы полистирольного латекса - для определения погрешности измерения размеров частиц; - паспортизованный кварцевый микропорошок - для оценки погрешности определения массовой концентрации; - паспортизованный микропорошок электрокорунда - для определения погрешности измерения распределения частиц по размерам. Для перевода частиц суспензий и порошков во взвешенное состояние использовался специально разработанный пневмовибрационный генератор-дозатор аэрозолей. Массовая концентрация в рабочем объеме камеры генератора-дозатора контролируется гравиметрическим методом. К числу достоинств прибора следует отнести: - простоту в эксплуатации, обеспечиваемую встроенным микропроцессором процесс измерения и обработки полностью автоматизирован, прибор накапливает и выдает готовый результат; гибкость и универсальность, обеспечиваемую широкими возможностями выбора типа вещества аэрозоля, экспозиции, количества и интервала между измерениями, оперативного просмотра результатов, вывода на различные внешние устройства; - полноту и достоверность результатов, обеспеченную выбранным принципом измерения, подтвержденную результатами метрологических испытаний и постоянно контролируемую с помощью встроенных средств контроля; автономность, независимость от источников питания, автоматический режим работы, накопление измеренной информации, возможность эксплуатации в полевых условиях и на подвижных носителях; - широкие исследовательские возможности, обеспечиваемые связью с ПЭВМ и соответствующими программными средствами для анализа, обработки и архивирования результатов. Эти особенности в совокупности с приведенными техническими характеристиками расширяют возможности применения прибора не только по проблеме экологического мониторинга аэрозольного загрязнения, но и в задачах промышленной санитарии, санитарно-эпидемиологического надзора, гранулометрии, аллергологии, контроле эффективности воздушных фильтров и др. В сопоставлении технических характеристик с некоторыми упоминавшимися отечественными и зарубежными моделями фотоэлектрических аэрозольных счетчиков (табл.1) преимущества анализатора "Квант 2П" очевидны. Прибор экспонировался на нескольких выставках, посвященных экологии, безопасности, конверсии, принимал участие в измерениях по программе "Аэрозоль России", прошел апробацию в системе Минприроды, в горнодобывающей отрасли и заслужил положительную оценку специалистов. Таблица 1 Сравнительные технические показатели промышленных образцов аэрозольных спектрометров Модель изм Угол наблюдения, град. Диапазон еряемых размеров (каналов) Максимальная измеряемая концентрация час- тиц, мкм. Дискретность анализа см. Квант-2П (Россия) 90 0.5-70 12000 16 АЗ-6(Россия) 90 0.4-10 200 11 РС225(США) 16 0.5-10 3000 5 ASSP(США) 8 0.44-44 200 15 Изучение потребительского спроса на подобный класс приборов указывает на необходимость разработки модификаций базового варианта анализатора для анализа крупнодисперсных порошков (до 200 мкм) и анализа частиц в жидкостях. Прибор позволяет достаточно легко реализовать подобные модификации: в первом случае изменением размеров счетного объема, системы аспирации и переградуировкой, во втором - разработкой нового узла пробоотбора специально для жидкостей при сохранении оптической и электронной системы. Практика измерений массовой концентрации промышленной пыли в задачах промсанитарии, контроля выбросов твердых веществ в атмосферу и др. предусматривает в соответствии с утвержденными методиками, отбор проб запыленного воздуха методом прокачки через аэрозольные фильтры с их последующим взвешиванием. Кроме преимущества в том, что массовая концентрация измеряется прямым методом, применяемая методическая и приборная база обладает рядом существенных недостатков: метод трудоемкий, неоперативный, требует, в ряде случаев, многочасовой экспозиции, неудобен в применении в труднодоступных местах. Более прогрессивным в этом смысле является применение выпускаемых промышленностью приборов типа "Приз-2", ИЗВ-3 и др., основанных на активационном методе. Метод более оперативный, менее трудоемкий, однако и здесь можно отметить ряд недостатков - помимо применения экологически небезопасных радиоактивных изотопов, приборы имеют массогабаритные характеристики, превышающие предел, приемлемый для ручного прибора. Несколько лет назад фирмой "Vaisala" выпущен оптико-электронный пылемер АР3, основанный на нефелометрическом принципе измерения и лишенный, на наш взгляд, перечисленных недостатков. В ФНПЦ ГИПО разработан оптико-электронный пылемер "Квант-3П" простой, компактный и недорогой прибор для массового применения, выгодно дополняющий широкие возможности универсального измерителя запыленности - анализатора размеров частиц "Квант 2П". Пылемер "Квант-3П" предназначен для оперативного контроля полной массовой концентрации промышленной пыли в производственных помещениях, промышленной, санитарно-защитной и жилой зоне. Прибор найдет применение в задачах экологического мониторинга аэрозольного загрязнения атмосферы, для контроля состояния запыленности в производственных помещениях и промзоне добывающих и перерабатывающих отраслей промышленности, для контроля промышленных выбросов аэрозоля в атмосферу и в других задачах, требующих измерений массовой концентрации пыли на уровне ПДК и выше. Измеритель запыленности "Квант 3П" представляет собой проточный нефелометр с закрытым объемом /12/. Принцип работы прибора основан на измерении оптического излучения, рассеянного аэрозольной средой под углом 60о . Суммарный поток рассеянного излучения связан с количеством рассеивающих частиц в измерительном объеме, их размерами, формой, оптическими константами. Для каждого конкретного типа аэрозоля, характеризующегося определенным набором указанных параметров, эта связь является однозначной. Пылемер конструктивно оформлен в виде двух блоков: измерительного блока массой не более 3 кг и соединенного с ним кабелем автономного источника стабилизированного питания, обеспечивающего без подзарядки аккумулятора не менее 150 замеров. Рабочий цикл прибора включает контроль нуля, калибровку и измерение, т.е. вначале в чувствительный объем поступает отфильтрованный воздух, затем вводится калибратор (светорассеивающая пластина), по которому с помощью регулятора усиления устанавливается указанный в паспорте уровень сигнала, затем в прибор поступает измеряемый запыленный воздух и в конце цикла вновь производится продувка отфильтрованным воздухом для предохранения оптических элементов от загрязнения оседающей пылью. Коэффициент калибровки - свой для каждого типа аэрозоля -устанавливается опытным путем в процессе градуировки прибора и заносится в его паспорт. Метрологические испытания пылемера "Квант 3П" по паспортизованной кварцевой пыли показали, что предельная относительная погрешность не превышает 25% измеряемой величины в диапазоне от 1 до 50 ПДК (от 0.5 до 25 мг/куб. м), а порог чувствительности прибора составляет 0.1 мг/куб. м. Шкала прибора допускает измерения вплоть до 100 мг/куб. м. Совместные испытания пылемера "Квант 3П" с аэрозольным спектрометром "Квант 2П" показали сходимость результатов в диапазоне 0.5-40 мг/куб. м в пределах погрешности пылемера. Для снижения влияния флуктуаций измеряемой аэрозольной среды предусмотрено осреднение сигнала в процессе измерения в пределах от 5 до 30 секунд устанавливаемое по выбору оператора. На цифровом табло высвечивается осредненный результат в мг/куб. м . Опыт работы с экспериментальными образцами прибора показал, что он прост и удобен в эксплуатации, не требует специального обучения операторов, достаточно мобилен и пригоден для установки в труднодоступных местах. 2.2. ИЗМЕРЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ГАЗОВЫХ КОМПОНЕНТОВ В АТМОСФЕРЕ Интенсивная хозяйственная деятельность человека сопровождается выделением в окружающую среду многих химических соединений и элементов, неблагоприятно влияющих на живые организмы и растительность. Многие газовые компоненты имеют большое время жизни и способны накапливаться в атмосфере, создавая экологически опасные ситуации. Основными источниками газовых загрязнений являются промышленные выбросы продуктов переработки различных видов сырья и сжигание углеводородных топлив, а также загрязнение атмосферы автотранспортом. Особую трудность представляют измерение ингредиентов состава продуктов сгорания топлив вследствие многокомпонентности, наличия летучих, слабо летучих и нелетучих (в обычных атмосферных условиях) компонентов с температурами, конденсации в широком диапазоне температур от 30 до 150о С. В обычных атмосферных условиях многие компоненты оказываются захваченными аэрозольными частицами. Тем самым, результаты измерений широко используемыми приборами - становятся нерепрезентативными и не отражают реального химического состава контролируемых веществ. С другой стороны, очень важен репрезентативный забор проб воздуха, требующий применения пробозаборного устройства с обогреваемыми линиями газоходов, обогреваемыми газовыми розетками и соединителями. ФНПЦ ГИПО имеет технологии оптических измерений состава воздушной среды, разработаны методы и оптические средства измерений различных ингредиентов, использующие спектрометрию, корреляционную спектроскопию, полосовые интерференционные фильтры. Разработанные и изготовленные экспериментальные и опытные образцы газоанализаторов, спектрометрических стендов обеспечены методиками и технологиями выполнения измерений в условиях многокомпонентного состава анализируемых воздушных сред, промышленных установок, технологических линий, котлоагрегатов, выхлопов транспортных средств. Как отмечалось, ФНПЦ ГИПО располагает также богатой информацией по оптическим характеристикам различных ингредиентов промышленных загрязнений, которые могут быть успешно использованы при определении качественного и количественного состава воздушных сред и отработке новых технологий измерений. Имеющиеся разработки обеспечивают определение полного ингредиентного состава воздушной среды методом отбора проб с последующим анализом на подогревном спектрометрическом аналитическом стенде с многоходовой подогревной рабочей камерой регулируемой температуры в диапазоне 30 -300о С и экспресс-анализ различных летучих ингредиентов с помощью однокомпонентных и пятикомпонентных газоанализаторов, в их числе: малогабаритный анализатор угарного газа (С0) и суммы углеводородов «СМОГ». Газоанализатор представляет собой переносной, автономный прибор, работающий от бортовой сети автомобиля, его технические характеристикиДиапазоны измерения концентрации, объемных % окиси углерода 0-5; 0-10 суммы углеводородов 0-0,05; 0-1,0 Погрешности измерений концентрации +3 для СО (в % по отношению к верхнему пределу диапазона измерений) +5 для суммы углеводородов. Масса газоанализатора, кг 5 габаритные размеры, мм 300х200х150 Питание сети переменного тока, В 220 или бортовой сети автомобиля, В 12; Малогабаритный анализатор газовых смесей «МАГС – СО2». Конструктивно анализатор выполнен в виде переносного моноблока, его технические характеристики: Диапазоны измерения объемной доли углекислого газа, % Погрешность измерения концентрации СО2 (в % к верхнему пределу диапазона измерений) Быстродействие, сек Питание комбинированное, от сети, В или внешнего источника постоянного тока, В Габаритные размеры, мм Масса, кг Температура окружающей среды о С Давление, мм. рт. ст. Влажность, % 0-0,1; 0-1; 0-10; 0-100 +5 10 220 12 300х250х150 6 от 0 до 40 700-800 80 По сравнению с известным аналогом "ГИАМ" прибор "МАГС-СО2" имеет меньшие габариты, сочетает в одном приборе более широкий выбор диапазонов. Датчик метана в шахтной атмосфере Для целей контроля содержания метана в шахтной атмосфере, обеспечивающего на рабочем месте дискретно-непрерывную регистрацию концентрации метана вблизи нижнего предела взрывоопасности (НПВБ) и верхнего предела взрывоопасности (ВПВБ) предлагается малогабаритный, экономичный, удобный в эксплуатации, отвечающий требованиям взрывоискробезопасности датчик контроля содержания метана в шахтной атмосфере, аккумулирующий последние достижения оптики и электроники со следующими техническими характеристиками: Диапазон измерения Предел абсолютной погрешности Значения установок срабатывания Условия эксплуатации: температура, о С относительная влажность, % (при 35о С) давление, мм. рт. ст. Способ подачи газа Инерционность, сек Сигнализация Максимальная потребляемая мощность, Вт Исполнение Габаритные размеры, мм Масса, кг Источник питания 0-5% (объем. доли) соотв. НПВБ 0-15% (объем. доли) соотв. ВПВБ 0,2% (объем. доли) регулируемые от -10 до +50 30-95 650-900 диффузионный 15 светодиодная и выход на центральную систему сигнализации 5 взрывоискробезопасное 60х60х140 0,7 аккумулятор 2.3. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ВОДЫ И ЗАГРЯЗНЕННЫХ СТОКОВ. Проблема контроля качества воды относится к одной из наиболее актуальных. Для включения в данную подпрограмму в интересах создания датчиков экспрессанализа воды (включая количественную оценку загрязненности стоков) и оснащения Единой государственной системы мониторинга предлагаются следующие разработки ФНПЦ ГИПО: - измеритель хлора в воде, - измеритель мутности воды. - спектрофлуориметр, Основу предлагаемых датчиков составляет реализация фотометрического метода измерения характеристик растворов (сред). Эффективность применения датчиков определяется исходя из следующих факторов: - автоматизируемости процесса анализа в реальном масштабе времени; - возможности одновременного контроля необходимого набора ингредиентов (параметров); - исключения процедур транспортировки и хранения проб, а также затрат химреактивов; - обслуживания одним оператором. Здесь остановимся на одной из наиболее перспективных разработок – спектрофлуориметре для дистанционного или контактного обнаружения загрязнений вод, построенном на основе регистрации характеристических спектров комбинационного рассеяния или флуоресценции /14,15/ Соответствующий прибор разработан и апробирован в ФНПЦ ГИПО Прибор обеспечивает: фоновый мониторинг органических примесей водных источников, контроль состава и уровня загрязнений вод и водоемов органическими веществами естественного и антропогенного происхождения, контроль качества сточных вод Характеристики прибора для режимов контроля и загрязнений вод фенолами и нефтепродуктами показаны в таблице ниже Значение порога В чистой воде, мкг/л В загрязненной воде, мг/л обнаружения Нефть, нефтепролукты 0,1 0,1 Фенол и его производные 1,0 1,0 Диапазон измеряемых пороговых значений Энергопотребление общее, ВА Масса (без источника излучения и ПЭВМ), кг Габариты полихроматора, мм от 1 до 100 300 до 2 100 х 100 х 210 Контроль производится без предварительной пробоподготовки. 2.4. ЛАЗЕРНО - ЛОКАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ СОСТАВА, КОНЦЕНТРАЦИИ И ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ АЭРОЗОЛЬНОГО И ГАЗОВОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ Применение дистанционных методов в контроле состояния воздушного бассейна с помощью лазерно-локационных систем становится целесообразным /несмотря на высокую стоимость и сложность в обслуживании/ в тех случаях, когда имеется необходимость оперативного контроля загрязнения атмосферы над большими территориями со многими источниками выбросов. В последнее время благодаря техническому совершенствованию систем лазерной локации-лидаров, развитию программного обеспечения по управлению и обработке лидарных сигналов, в Европе, Японии, США все более широко применяются однопозиционные и базовые устройства для дистанционного контроля концентрации аэрозольного и газового загрязнения атмосферы городов и промышленных районов. К числу базовых систем, определяющих концентрацию газовых компонент загрязнения по спектрам пропускания оптического излучения на протяженных трассах (от 100 м до 1 км) можно отнести газовый монитор "Hawk", предлагаемый концерном "Сименс" (цена 20 тыс. фунтов стерлингов), система мониторинга загрязнения атмосферного воздуха "Opsis" (цена более 100 тыс. долл.). Известными разработчиками и поставщиками однопозиционных лидаров являются фирмы "Optech", "KEI", "Impulsphisik", "Vaisala". В России промышленные образцы лидаров не выпускались. В числе организаций, использовавших в исследованиях собственные разработки лидарных систем можно назвать НПО "Астрофизика", ИОА СО РАН, ЦКБ "Пеленг" и ФНПЦ ГИПО, в котором наряду с технической базой отрабатывались (как и в ИОА СОРАН) научно-технические вопросы лидарных измерений, в частности, разработана и внедрена в промышленную эксплуатацию система дистанционного контроля воздушного бассейна глубинных карьеров, разработана и выпущена опытная партия лидаров комбинационного рассеяния, имеются значительные наработки в области создания программ обработки лазернолокационных сигналов обратного рассеяния, комбинационного рассеяния, флюоресценции, управления лидарными системами, метрологического и методического обеспечения. В ФНПЦ ГИПО имеется также значительный задел в области систем дистанционного зондирования загрязнений атмосферы по следующим направлениям /13-16/ - измерения состава и концентрации газовых загрязнений атмосферы в организованных выбросах из труб промышленных предприятий по спектрам комбинационного рассеяния (аппаратура типа "ЭХО-2"). Метод и аппаратура дает наилучшие результаты в применении по локализованным источникам загрязнений с концентрацией ингредиентов от десятых долей объемного процента до десятков объемных процентов; - измерения трехмерного поля концентрации пространственно распределенной аэрозольной и газовой примеси в атмосфере методом дифференциального поглощения и рассеяния /ДПР/ (аппаратура типа "ЛУЧ-ДПР"). Аппаратура и метод результативны при концентрациях газа от десятых долей миллиграмма до десятков миллиграмм (по аэрозолю от десятков микрограмм до десятков миллиграмм) распределенного на больших территориях; - измерения пространственного распределения аэрозольного загрязнения атмосферы методом обратного рассеяния, определение высоты слоя инверсии и распределения пассивной примеси по высоте (аппаратура типа "Нева"), метод и аппаратура эффективны во всех случаях, когда требуется дистанционный контроль аэрозольной составляющей, начиная от фоновых условий до условий промышленной зоны. Для иллюстрации имеющейся аппаратуры приведем технические характеристики лазерной станции (ЛС) Луч –ДПР /16/. Технические характеристики. - Дальность, км а) обнаружения б) измерения - Предельно обнаружимые концентрации а) по NO2 б) по аэрозолю (пром. пыли) - Погрешность по NO2 (в диапазоне 0-1 мг/м3 ) (в диапазоне 1-25 мг/м _3 ) по аэрозолю ( в диапазоне 0,01...10 мг/м _3 ) 7 3 0,1 мг/м3 0 мкг/м3 0,5 мг/м3 25% 25% - Пространственное разрешение вдоль направления зондирования по NO2 от 25 до 350 м (соответственно для верхней и нижней границы диапазона измерения концентрации) по аэрозолю 15 м Важной составной частью разработки является программное обеспечение ЛС "ЛУЧДПР". которое предназначено для управления лазерным локатором, расчета концентрации газа и пыли вдоль трассы зондирования. В автоматическом режиме работы весь цикл измерений программа отрабатывает без вмешательства оператора. ПРОГРАММА ОБЕСПЕЧИВАЕТ: - автоматическое наведение станции на объекты - контроль наличия объекта - включение генерации лазеров и прием сигналов - набор данных - визуализацию принимаемых сигналов обратного рассеяния в реальном масштабе времени - проверка измерительной информации на полноту и корректность - осреднение серии сигналов - расчет распределения концентрации двуокиси азота - расчет распределения концентрации пыли - вывод результатов измерений ОПЕРАТОРУ НЕОБХОДИМО: - задать номер объекта - задать режим измерений ("калибровка", "измерение") - задать режим обработки измерений ("Аэрозоль", "Газ", "Общий") - контролировать визуально на мониторе сигнал обратного рассеяния - принимать решения по дальнейшему режиму работы при некорректности части измерительной информации - принимать решения по выводу результатов измерений При необходимости оператор может изменить: - координаты объектов - количество серий в каждом измерении в цифровом и графическом виде (графики, гистограммы) на мои печать - архивирование результатов - пространственное разрешение вдоль направления зондирова-нитор ния, по азимуту и вертикали - скорости поворота оптикомеханического блока по азимуту и вертикали 2.5. АППАРАТУРА ДЛЯ ИК И СПЕКТРОЗОНАЛЬНОЙ СЪЕМКИ МЕСТНОСТИ ПРИ ЕЕ КОНТРОЛЕ С ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ. Для реализации задач картирования местности при разработке различных кадастров весьма эффективно применение многоспектральной аппаратуры-радиометров. ФНПЦ ГИПО для анализа в реальном масштабе и в записи на магнитный носитель изображения местности в процессе ее облета разработаны и предлагаются следующие варианты приборов: А. Малогабаритный инфракрасный сканер "Малютка", пригодный для размещения на вертолете любого типа, а также - на легком самолете (Че-22 и др.) или мотодельтаплане). Б. Оборудование вертолета Заказчика многоканальным сканирующим радиометром РФ-4М. В. Оборудование летательного аппарата комплексированной пассивно-активной аппаратурой (с лазерной подсветкой). Приборы типа «Малютка» предназначены для ведения "тепловой" разведки с целью выявления малоразмерных объектов и ИК картирования местности в различных погодных условиях. Скорость полета носителя - до 35 м/с; эшелоны наблюдения - 200,500 и 800 м; угловые колебания носителя по крену и тангажу (со скоростью 5 град/с) - + 2 град. Поле зрения прибора - 60 град. Мгновенное поле зрения - 1 мрад. Разность температур, эквивалентная шуму - 0,1 К. Радиометр РФ - 4М (рис.2) предназначен для получения исходных данных при тематическом картировании путем измерения и регистрации двумерного поля энергетической яркости окружающей среды с авиационных или наземных носителей. Прибор отвечает следующим требованиям: Количество каналов Область спектра, мкм подразделена на каналы с границами, мкм 1-й канал (6 поддиапазонов) 2-й канал (6 поддиапазонов) 3-й канал (6 поддиапазонов) 4-й канал (6 поддиапазонов) Мгновенное поле зрения, мрад 4. 0,3...14,0; 0,3...0,6; 0,4...3,0; 3,0...5,5; 8,0...14,0; 1,6. Угол обзора (угол сканирования), град Угол визирования, град Скорость сканирования, строк/с Пороговая чувствительность: 1-2-й каналы, Вт/кв.м*стр 3-й канал, К (при 293 К) 4-й канал, К (при 293 К) Информация регистрируется на магнитный носитель. Отображение информации в реальном масштабе времени на мониторе. Масса оборудования, кг оптического блока электронного оборудования Потребляемая энергия от сети 220 В 50 Гц, кВА 45. 0 - 90. 40 - 80. 0,1; 0,25; 0,15; 60; 70. 1,7. 2.6. ОСВОЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ОС С АВИАЦИОННЫХ НОСИТЕЛЕЙ. В 90-е годы зарубежные компании, связанные с проблемой контроля (мониторинга) протяженных промышленных объектов пришли к выводу о технико-экономической целесообразности применения для указанных целей аппаратуры, размещаемой на летательных аппаратах, которая должна была заменить труд инспекторов-обходчиков. Одна из первых подобных систем - самолетная лазерная станция была создана в 1986г. фирмой "Петролазер"/шт.Нью-Мексико/ для обслуживания газопроводов США. Разработка и внедрение любой системы мониторинга окружающей среды предполагает необходимость анализа двух сторон проблемы-обоснования достаточного минимума контролируемых параметров и возможности создания для этой цели датчиков и выбора, главным образом, исходя из экономических предпосылок, типа носителя. Действительно, не затрагивая количественного обоснования, можно утверждать, что для контроля пространства площадью 10-20 кв.км, при несложной геометрии рабочей зоны и возможности применения одного-двух датчиков в качестве носителя следует считать предпочтительным аппарат типа мотодельтаплана или дистанционно пилотируемый летательный аппарат (ДПЛА). Решая задачи межрегионального уровня, такие как известные в СНГ проблемы экологии районов Аральского и Каспийского морей и, при необходимости осмотра на региональной основе территории в несколько сот квадратных километров, оказывается экономически целесообразным создание самолетного варианта аппаратуры и ранее в ФНПЦ ГИПО была разработана летающая лаборатория ЯК-42Ф /17/. В данной работе акцент сделан на варианте использования комплекса аппаратуры, который оптимально размещается на борту вертолета. Применение вертолетной лаборатории экономично для оперативной оценки состояния среды по различным контролируемым параметрам на территории < 100...200 кв.км. Исходным моментом при определении облика, технического оснащения и решаемых задач вертолетной лаборатории (ВЛ) для мониторинга окружающей среды следует считать анализ ее возможной загрузки при растущей в России стоимости затрат на обслуживание. Фактически это означает, что потенциальными заказчиками работ на ее борту должны быть многие организации, в том числе, - экологические службы (с задачами контроля загрязнений воздуха, поверхности суши и вод, растительного покрова), - лесотехнические производства (общий контроль состояния лесных массивов), - нефтехимические производства (контроль загрязнения промзоны и состояния продуктопроводов), - агропромышленный комплекс (в поле зрения которых находятся задачи оценки состояния посевов и, совместно со структурами Госкомзема, проблемы составления региональных земельных кадастров),и, в последнее время, с учетом подготовки с 1995г. Федеральной программы по реализации баз данных по геоинформационному обеспечению правительственных органов - соответствующие службы на региональном уровне. Т.о. комплекс оборудования, предназначенный для установки на ВЛ и оптимизированный по возможностям применения, должен отвечать требованиям многофункциональной лаборатории дистанционного зондирования. В 1993г. на основе опыта исследований ФНПЦ ГИПО при участии специалистов АО "Казанское научно-производственное предприятие "Вертолеты-МИ" и АО "Казанское вертолетное производственное объединение" подобная лаборатория на базе вертолета МИ-17 была создана и продемонстрирована на Международном салоне "Мосавиашоу-93"/18,19/. ВЛ была оборудована датчиками для дистанционного зондирования атмосферы и подстилающих поверхностей, в том числе - фрагментов суши, водных бассейнов, растительности, производственных структур и различных антропогенных объектов с целью оценки их состояния в реальном масштабе времени, а также при последующей обработке цифровых информационных массивов по данным анализа результатов измерений, связанных с вариациями оптических характеристик элементов ОС (см.рис.3). Основную систему датчиков ВЛ составили: спектрозональная аппаратура, ИК сканер, дистанционный лазерный спектрометр (УФ и видимый диапазон длин волн), аэрозольный лидар. Были определены установочные места для аэрофотоаппарата, аппаратуры для контроля радиоактивного загрязнения, аэрозольного спектрометра типа "Квант". Разработанный комплекс приборов в составе вертолета - лаборатории в зависимости от круга задач, поставленных потребителем, в определенных случаях должен быть дополнительно адаптирован к условиям района применения как с учетом специфики орографических параметров обследуемых поверхностей, так и по региональным климатическим особенностям. Указанные мероприятия предполагают набор типовых спектральных характеристик по объектам наблюдения (обнаружения) и фонам, необходимых для правильной качественной и количественной интерпретации результатов измерений. Для средних широт Северного полушария эту проблему позволяет решить база знаний, которая накоплена в ФНПЦ ГИПО по результатам специальных исследований. В заключение следует отметить, что по представленным образцам приборов не только изготовлены образцы, но и приведена их метрологическая аттестация. Аппаратура апробирована в испытаниях, проведенных с потенциальными потребителями при участии специалистов Минприроды РТ /20/. Т.о. можно со всей определенностью утверждать о создании научно-производственной базы для реализации ЕГСМ РТ и проблемноориентированных информационных баз геофизических данных для правительственных органов. Литература 1. «НПО Государственный институт прикладной оптики»1957-1997 гг// Казань,Дом печати, Т1,2 1997, 666 с. 2. Макаров А.С.НПО ГИПО – лидер российского тепловидения//Военный парад 1996,ноябрь-декабрь, с42-45. 3.Макаров А.С., Омелаев А.И.,Филиппов В.Л. Введение в технику разработки и оценки сканирующих тепловизионных систем (под общей редакцией Филиппова В.Л.)//Казань, Унипресс,1998,318 с. 4. Филиппов В.Л Сигнатуры окружающей среды и моделирование входных воздействий на ОЭС дистанционного наблюдения.//Опт.журнал –1993,№9,с 9-11 5. Филиппов В.Л., Макаров А.С., Иванов В.П. Оптическая погода в нижней тропосфере. //Казань, Дом печати –1998, 183 с. 6. Справочник по ИК технике //Ред.У.Волф,Г.Циенс, в 4-х томах,т 1 Физика ИК излучения, М.Мир,1995, 606 с 7. Оптика сегодня и завтра //М.: Дом оптики,1996,№ 2,с.17-36. 8. Филиппов В.Л.,Игонин Е.И. в кн.: Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан //Казань,АН РТ,1997, с 216. 9. Оптико-электронный прибор для дисперсного анализа аэрозолей/Филиппов В.Л.,Казаков В.Н.,Мирумянц С.О. и др/. Оптико-механическая промышленность. 1974.№1с.34-37.Оптико-механическая промышленность,№4,с.28-29. 10. Козлов С.Д. Градуировка и метрологическая аттестация широкодиапазонного фотоэлектрического счетчика аэрозольных частиц//Опт.журнал 1998,т.65,№5,с.62-68 11. Автоматизированный измеритель запыленности воздуха - анализатор размеров частиц. /Макаров А.С., Иванов В.П., Козлов С.Д. и др./, Оптический журнал, 1996, N 11, с. 54-57. 12. Переносной оптико-электронный измеритель запыленности воздуха. /Макаров А.С., Иванов В.П., Козлов С.Д. и др./, Оптический журнал, 1996, N 11, с. 58-60. 13. Лазерная станция для оперативного контроля пылегазового режима рудных каръеров. /Балакирев В.В., Иванов В.П., Макаров А.С. и др./, Оптический журнал, 1996, N 11, с. 63-65. 14. Козлов В.К., Филиппов В.Л. Флуоресцентная оценка качественного и количественного анализа нефтепродуктов и их смесей. /Оптический журнал, 1993, N 9, с. 17-21. 15. Laser fluorescence diagnostics. Kozlov V., Filippov V., Krasilnikov D., Biomedical Optics, 93, An Intern. Symp., Los Angeles, In. 1993, p. 23. 16. Балакирев В.В., Иванов В.П.,Козлов С.Д. Методы исследования метрологических характеристик лидара дифференциального поглощения//Опт.журнал,12998,т.65,№5 с.69-74. 17. Филиппов В.Л. Оперативный комплексный контроль состояния тропосферы и подстилающей поверхности в оптически области спектра. В кн.»1 Всесоюзная конференция «Физика и конверсия».Калининград.1991,с.59 18. Филиппов В.Л. Самойлов В.А. Многопрофильная летающая лаборатория на вертолете МИ-*МТВ. В кн.»Проблемы высшего образования ,науки и техники в области геодезии, фотограмметрии, дистанционного зондирования и картографии».МИИГАиК,май,1994,с.17. 19. Филиппов В.Л. Дистанционное зондирование окружающей среды в региональной системе экологического мониторинга и службы контроля промзоны. /Оптический журнал, 1996, N 11, с. 74-76. 20.Филиппов В.Л., Игонин Е.И. Об опыте сотрудничества Минприроды РТ Татарстана и НПО ГИПО в задаче создания региональной сиcтемы экологического мониторинга//Материалы международн.конф.»Оптика в экологии», С-Петербург, 1997 г. Рис.1. Внешний вид прибора “Квант-2П” Рис.2. Спектрорадиометр “РФ-4М” Рис.3. Иллюстрация теплового (8-14мкм) изображения выявленного несанкционированного сброса промышленных вод в реку Казанка (съемка с борта вертолета).