Системы экологического мониторинга как составляющая АПК «Безопасный город». Разработка и совершенствование

Система экологического мониторинга предназначена для обслуживания систем управления качеством окружающей среды (далее «система управления»). Информация о состоянии окружающей среды, полученная в системе экологического мониторинга, используется системой управления для предотвращения или устранения негативной экологической ситуации, для оценки неблагоприятных последствий изменения состояния окружающей среды, а также для разработки прогнозов социально-экономического развития, разработки программ в области экологического развития и охраны окружающей среды.
Подсистемы экологического мониторинга различаются по объектам наблюдения. Поскольку компонентами окружающей среды являются воздух, вода, минерально-сырьевые и энергетические ресурсы, биоресурсы, почвы и др., то выделяют соответствующие им подсистемы мониторинга. Однако подсистемы мониторинга не имеют единой системы показателей, единого районирования территорий, единства в периодичности отслеживая и др., что делает невозможным принятие адекватных мер при управлении развитием и экологическим состоянием территорий. Поэтому при принятии решений важно ориентироваться не только на данные «частных систем» мониторинга (гидрометеослужбы, мониторинга ресурсов, социально-гигиенического, биоты и др.), а создавать на их основе комплексные системы экологического мониторинга.
Комплексы экологического мониторинга обычно включают в себя следующие приборы:

газоаналитические системы;
пылемеры стационарные;
стационарные многоканальные газоанализаторы;
течеискатели, индикаторы газа;
анемометры;
пиранометры (либо актинометры другого типа).

Характерными особенностями переносных и портативных газоанализаторов принято считать небольшие массогабаритные показатели, что позволяет их применять практически на любом рабочем месте. Портативные и переносные приборы газового анализа, как правило, имеют цифровую индикацию результатов измерения, а также светозвуковую сигнализацию о превышении порогов опасных концентраций газов. Основным и важным назначением переносных газоанализаторов для контроля параметров воздуха рабочей зоны принято считать обследование замкнутого пространства и подземных объектов на предмет дефицита кислорода, наличия токсичных веществ и горючих газов, например, при оформлении допуска рабочих для осуществления работ. Для контроля опасных факторов непосредственно в самом месте нахождения человека используются индивидуальные (персональные) приборы, необходимые для рабочего персонала при выполнении различных работ на потенциально опасных территориях или в помещениях.
Для газоанализаторов стационарного типа масса и габариты, как правило, не важны и не являются критичными, зато к ним предъявляются высокие требования к стабильности показаний и надежности работы. Стационарные приборы могут быть оснащены средствами сигнализации о превышении пороговых значений концентрации, интерфейсом для передачи данных на компьютер, а также средствами выключения либо включения исполнительных устройств, например, с помощью блоков реле из состава газоанализаторов.
Как переносные и портативные, так и стационарные газоанализаторы могут иметь общепромышленное, взрывобезопасное исполнение с различными типами взрывозащиты, а также широкий спектр степени герметичности, защиты от воздействия атмосферы, влаги и пыли (IP).
По выполняемым функциям приборы газового анализа делятся на следующие типы:

индикаторы, течеискатели;
сигнализаторы и газосигнализаторы;
газоанализаторы.

Индикаторы газа дают лишь качественную оценку газовой смеси о наличии в ней контролируемого компонента. Они работают по принципу «много-мало». В большинстве случаев индикаторы — это портативные приборы, отображающие информацию при помощи линейки точечных светодиодов. Например, при большом количестве контролируемого вещества светится вся линейка диодов.
Течеискатели , как правило, горючих газов, фреона и других хладагентов имеют в составе пробоотборник или зонд. Как правило, эти устройства показывают себя как простые в эксплуатации, удобные в применении и надежные приборы. В то же время, портативные течеискатели представляют собой сигнализаторы для профессионального использования, имея высокую чувствительность и избирательность.
Сигнализаторы загазованности ( газосигнализаторы ) позволяют весьма приблизительно оценить концентрацию контролируемых веществ, имея при этом один или несколько порогов срабатывания сигнализации. Как правило, неотъемлемой частью стационарного сигнализатора либо газосигнализатора является блок реле или блок коммутации, которые служат для коммутации внешних устройств, в том числе принудительной вентиляции, при достижении порогов срабатывания.
По функциональным возможностям газоанализаторы представляют вершину эволюции в области газового анализа. Они могут давать не только количественную оценку концентрации измеряемого вещества с цифровой индикацией показаний, но и снабжаются по желанию потребителя различным вспомогательным функционалом.
По количеству измеряемых компонентов газоанализаторы классифицируются следующим образом:

однокомпонентные;
многокомпонентные.

Однокомпонентные газоанализаторы — это, как правило, простые приборы, которые комплектуются одним датчиком или сенсором и рассчитаны для измерений концентрации только одного вещества. Газоанализаторы на один компонент могут иметь портативное, переносное либо стационарное исполнение конструкции.
Многокомпонентные газоанализаторы применяются для измерения и контроля одновременно нескольких разных веществ. В таких мультигазовых анализаторах обычно используются отличные друг от друга типы сенсоров или электрохимические ячейки. В зависимости от количества и типа установленных чувствительных элементов многокомпо­нентный газоанализатор способен индицировать на экране цифрового дисплея свои показания от 1 до 6 газов одновременно.
По количеству датчиков или каналов измерения газоанализаторы подразделяются на:

одноканальные;
многоканальные.

Одноканальные газоанализаторы  — это приборы, предназначенные для контроля концентрации одного определенного вещества и имеющие один датчик или один измерительный канал, либо одну точку для отбора пробы. Выделяют стационарные моноблочные одноканальные газоанализаторы, объединяющие в одном корпусе измерительный сенсор, электронный преобразователь, а также световые либо цифровые индикаторы; стационарные одноканальные приборы с информационным пультом и одним выносным датчиком либо измерительным преобразователем на конкретный газ. Одноканальные газоанализаторы стационарного типа могут работать как автономно, так и в составе измерительной газоаналитической системы, которая объединяет необходимое количество газоанализаторов. Кроме того, одноканальными газоанализаторами могут быть и компактные переносные приборы, в том числе персональные (индивидуальные).
Многоканальные газоанализаторы  — это приборы для одновременного контроля до 16 и больше каналов измерения. В одном таком газоанализаторе допускается сочетание каналов измерения разных газов в произвольном наборе. В случае газоанализаторов с измерительными датчиками проточного типа проблему многоточечного контроля можно решить при помощи вспомогательных устройств специального типа: газовых распределителей, обеспечивающих поочередную подачу пробы к датчику из нескольких точек пробоотбора.
В промышленных производственных процессах в настоящее время все чаще применяются и производятся особо вредные вещества, в том числе легковос­пламеняющиеся, вредные токсичные и кислородосодержащие. Довольно редко неизбежно бывают утечки газа, представляющие потенциальную опасность для рабочего персонала и населения, которые проживают вблизи объекта. Несчастные случаи по всему миру (инциденты, связанные с удушьем, взрывами, а также гибелью людей) представляют собой постоянное напоминание об этой важной проблеме. Газоанализатор — это измерительный прибор, служащий для коли­чественного и качественного состава газовой смеси воздуха рабочей зоны для периодического или непрерывного содержания в нем опасных вредных веществ и контроля воздуха рабочей зоны на предмет загазованности. По определению воздух рабочей зоны — это пространство или территория, на которой находятся места постоянного или временного пребывания рабочего персонала. Что касается газового анализа, то воздух рабочей зоны обязательно подлежит регулярному контролю на содержание ядовитых и загрязняющих веществ. Таким образом, газоанализатор или сигнализатор загазованности является одним из ключевых компонентов при обеспечении безопасности с целью снижения рисков для рабочего персонала, предприятия в целом и населения, проживающего вблизи промышленных зон. А газоаналитические системы обеспечат больший период времени для оперативного принятия защитных мер и действий по быстрому и качественному устранению последствий инцидента либо локализации территории.
Газоанализаторы обычно применяются в совокупности с анемометрами и флюгерами, для оптимального контроля скорости распространения и направления загрязняющих веществ в случае инцидента экологической безопасности. Ниже мы рассмотрим системы мониторинга солнечной и ветровой активности, которые могут использоваться как технологическое решение в рамках создания системы АПК «Безопасный город».
Анемометр — прибор для измерения скорости движения газов, воздуха в системах, например, вентиляции. В метеорологии применяется для измерения скорости ветра. Наиболее распространенный тип анемометра — это чашечный анемометр (рис. 1).

Рис. 1. Стандартный чашечный анемометр.
Принцип действия усовершенствованного разработанного анемометра основан на подсчете числа импульсов в единицу времени, приходящих от датчика Холла. В качестве устройства, преобразующего поток ветра во вращательное движение, используется трехлопастная крыльчатка. На валу трехлопастной крыльчатки расположено два магнита, поля которых дважды за период оборота крыльчатки пересекают датчик Холла. Пересечение датчика Холла магнитным полем вызывает генерацию прямоугольного электрического импульса. Подсчитывая число импульсов в единицу времени, можно сделать выводы о скорости ветра. Для регистрации слабых ветровых потоков применен вращательный механизм от электродвигателя жесткого диска.
Система флюгера представляет собой укрепленный на валу хвостовик, который приводится во вращение приходящим потоком ветра. Для оценки направления ветра используется система радиально расположенных герконов (рис. 2). На валу указателя направления укреплен магнит. По отношению к герконам магнит расположен таким образом, что, проходя во время вращения хвостовика над соответствующим герконом, его магнитное поле вызывает замыкание геркона (рис. 3). Судя по тому, какой геркон замкнут, можно оценить направление ветра. В качестве вращательной системы применен барабан головки видеомагнитофона.

Рис. 2. Принципиальная схема платы флюгера.

Рис. 3. Плата флюгера. Вид со стороны компонентов.
Электронный блок, отвечающий за сбор и обработку информации (рис. 4), построен на базе микроконтроллера и имеет следующие особенности и функции:
1)    Усиление и преобразование сигнала, приходящего с пиранометра, для оценки степени освещенности. Измеренное напряжение, через коэффициент пропорциональности, переводится в единицы освещенности.
2)    Подсчет количества импульсов, приходящих с анемометра, для вычисления скорости ветра. Подсчет ведется в течение периода 10 сек., а затем количество импульсов умножается на коэффициент для получения скорости ветра. Усреднение скорости ветра ведется по методу «среднего кубического». При этом на SD-карту записывается скорость ветра, усредненная за период, установленный пользователем (от 10 минут до 1 часа).
3)    Анализ того, какой из герконов флюгера замкнут в данный момент, для определения направления ветра. Замыкание геркона меняет сопротивление цепочки резисторов, включенной как делитель напряжения. По уровню измеренного напряжения определяется, какой из герконов замкнут, а соответственно и направление ветра. Усреднение направления ветра ведется по методу «среднего арифметического». При этом на SD-карту записывается направление ветра, усредненное за период, установленный пользователем (от 10 минут до 1 часа).
4)    Отображение текущей информации (скорость и направление ветра, степень освещенности, дата/время) на ЖК-индикаторе.
5)    Наличие 4-кнопочного меню, позволяющего организовать интерфейс пользователя с электронным блоком (перелистывание страниц меню, установка даты/времени, введение поправочных коэффициентов и стоп/пуск записи на SD-карту).
6)    Возможность записи текущих данных на SD-карту для сбора и анализа в течение года. Период записи можно варьировать от 10 минут до 1 часа.
7)    Автономное питание электронного блока от аккумуляторной батареи, с возможностью подзарядки ее как от сети, так и от солнечной батареи. При этом приоритет отдается заряду от солнечной батареи, т.е. сеть будет использоваться только в случае отсутствия электро­энергии, приходящей от фотоэлектрических модулей. Также данное состояние индицируется двумя светодиодами.

Рис. 4. Принципиальная схема платы управления.
Так как вышеуказанные приборы могут применяться не только для контроля направления и скорости распространения веществ в воздухе, а также в метеорологических целях, то считается целесообразным укомплектовывать комплекс актинометрами различного типа. В совокупности такие комплексы могут выполнять несколько задач:
1)    Мониторинг распространения вредных веществ в воздухе;
2)    Метеомониторинг;
3)    Мониторинг целевых показателей энергоэффективности солнечных и ветровых характеристик.
В качестве актинометра в таких системах предлагается использовать разработанный термоэлектрический пиранометр автоматизированного программного комплекса мониторинга параметров спектра излучения Солнца, предназна­ченный для измерений суммарной солнечной радиации. Приемником радиации служит пластина, изготовленная из фольгированного стеклотекстолита диаметром 120 мм, разделенная на 112 медных площадок, покрытых в шахматном порядке черной и белой краской. За счет разного поглощения солнечной радиации, температуры площадок различаются. Разность температур площадок в первом приближении пропорциональна падающему световому потоку.
Для измерения разности температур используется термоэлектрическая батарея, состоящая из 56 термопар, составленных из меди и константана, соединенных последовательно для увеличения выходного сигнала датчика. Четные спаи батареи окрашены в белый цвет, нечетные — в черный цвет специальным составом. На рисунке 5 приведена разработанная конструкция термоэлектрического пиранометра для комплексной системы мониторинга солнечной радиации.

Рис. 5. Разработанный пиранометр.
Также, желательно, чтобы у датчика отсутствовала значительная спектральная селективность, то поглощательная способность черной краски и рассеивающая способность белой краски должны быть максимальны и иметь минимальную спектральную селективность. Этого можно добиться подбором состава красок. В качестве белой краски был использован оксид магния (магнезия), связанный силикатом натрия. Краска на данной основе обладает значительным поглощением только в инфракрасной области (для длин волн более 3 мкм). Черное покрытие содержало в своем составе графит и сажу в качестве поглотителя и сополимер метилметакрилат-метилакрилат в качестве связующего.
Коротковолновое излучение Солнца поглощается черным покрытием и сильно рассеивается магнезией. Под влиянием освещения пластины повышают свою температуру на величину, пропорциональную поглощенной радиации. Поэтому спаи, покрытые белым и черным составом, имеют различную температуру, в результате чего в термобатарее возникает электродвижущая сила.
Черное покрытие и магнезия обладают близкой поглощательной способ­ностью в отношении длинноволновой инфракрасной радиации, в этом случае разность температур и, следовательно, отклик датчика равен нулю. Разность температур, а, следовательно, и термоэлектрический ток пропорциональны интенсивности коротковолновой радиации, падающей на приемник пиранометра. Падение чувствительности прибора начинается за границей пропускания стекла. Чувствительность пиранометра также зависит от направления падающей радиации, вследствие неоднородности стеклянного колпака и отступления поверхности термобатареи от горизонтального положения. Рассеянная радиация поступает на пиранометр одновременно под различными углами падения. Следовательно, для нее приходится определять среднюю взвешенную чувствительность пиранометра в соответствии с распределением ее по небесному своду. Зная распределение чувствительности пиранометра по углам падения, можно найти для рассеянной радиации среднюю взвешенную чувствительность пиранометра в соответствии с распределением рассеянной радиации по небесному своду.
Максимальная чувствительность пиранометра оказывается в пределах участка спектра 0,5–0,6 мк, она понижается в обе стороны спектра. Резкое падение чувствительности начинается на гра­нице пропускания стекла около участков 0,34 мк, а также 2,2 мк. Рассеянная радиация поступает на пиранометр одновременно под различными углами падения.
Постоянство чувствительности при данной интенсивности радиации обеспечено тем, что термобатарея, открытая для всего небосвода, защищена от охлаждающего действия ветра стеклянным полусферическим колпаком, который защищает батарею также и от осадков. Конденсация влаги на внутренней поверхности колпака предупреждается герметизацией и высушиванием воздуха под колпаком.
Пиранометр — прибор, требующий абсолютной калибровки. Для перевода выходного напряжения разработанного прибора в абсолютные величины падающей радиации пиранометр поверялся, то есть его показания сравнивались с показаниями абсолютного пиранометра. В результате поверки находился переводной множитель. Так как чувствительность пиранометра зависит от температуры, его поверка осуществлялась при различных температурах.
Аналоговый электрический сигнал, вырабатываемый пиранометром, поступает на вход предварительного усилителя на базе инструментального дифференциального усилителя. Ввиду того, что напряжение пиранометра имеет величину порядка милливольт, то в качестве операционного усилителя должен использоваться малошумящий ОУ. Далее, усиленный сигнал подается на вход АЦП микроконтроллера для представления в цифровом виде и с целью удобства его дальнейшей обработки. Напряжение пиранометра умножается на соответствующий коэффициент для перевода его в единицы освещенности.

Литература
1)   Израэль Ю. А. Экология и контроль состояния природной среды. — Л.: Гидрометеоиздат, 1979, — 376 с.
2) Израэль Ю. А.  Глобальная система наблюдений. Прогноз и оценка окружающей природной среды. Основы мониторинга. — Метеорология и гидрология. 1974, №7. — С.3–8.
Автор: Богдан Шкляревский, врио начальника отдела нормативно-методологического обеспечения Центра информационной безопасности и содействия в обеспечении общественного порядка Министерства по развитию информационных технологий и коммуникаций Республики Узбекистан
Batafsil | Подробно | Read more... InfoCOM