УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКИСЬЮ УГЛЕРОДА ПРИЗЕМНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ АВТОТРАНСПОРТНЫМИ СРЕДСТВАМИ Российский патент 2005 года по МПК G01W1/00 

Изобретение относится к оптическим исследованиям атмосферы, в частности к определению загрязнения окисью углерода (СО) приземного слоя атмосферы автотранспортными средствами, и может быть использовано при организации мониторинга окружающей среды.

Известное устройство для измерения прозрачности воздуха [1] снабжено оптической системой, которая направляет световой поток с одной стороны в первый полупериод поворота обтюратора через исследуемый воздух на оптический элемент, отражающий световой поток и направляющий на фотоэлемент, и с другой стороны - во второй полупериод поворота обтюратора непосредственно на фотоэлемент через соответствующий фотометрический ослабитель интенсивности светового потока. Разность величин фототока в обоих полупериодах поворота обтюратора пропорциональна величине прозрачности воздуха, а следовательно, и его преломляющим свойствам.

Недостатком данного устройства является тот факт, что опорный канал в схеме измерения фактически никак не связан с реальной атмосферой приземного слоя. Это приводит к существенным погрешностям измерений при изменении метеорологических параметров в приземном слое атмосфере.

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство для измерения структурной характеристики показателя преломления атмосферы [2], которое содержит источник и приемник излучения, размещенные на концах измерительной базы, диафрагму, оптическую фокусирующую систему и блок регистрации среднего по времени светового потока. При этом для измерения искомого параметра в оптически неоднородной атмосфере диафрагма размещена в фокальной плоскости оптической системы на ее главной оптической оси и выполнена в виде щели, ширина которой в 2-3 раза меньше диаметра кружка Эйри оптической системы, а длина по меньшей мере в 3 раза больше максимально возможного эффективного диаметра средней дифракционной картины в фокальной плоскости оптической фокусирующей системы. Именно последние условия определяют реализацию опорного и измерительного каналов в устройстве. Учитывая зависимость показателя преломления в приземном слое атмосферы от концентрации окиси углерода [3], последнее позволяет производить отсчет результатов в единицах концентрации окиси углерода в приземном слое атмосферы.

Недостатком данного устройства также является отсутствие прямой зависимости измеряемого параметра от изменения метеорологических параметров в приземном слое атмосферы.

Общим недостатком известных устройств является создание псевдообъективного опорного канала в измерительной схеме.

Задача изобретения состоит в создании измерительной схемы с действительно объективным опорным каналом, в котором учитывались бы изменения метеорологических параметров в приземном слое атмосферы, что максимально формализует процедуру измерения и повысит объективность калибровки схемы.

Заявляемое устройство для определения загрязнения окисью углерода приземного слоя атмосферы автотранспортными средствами состоит из источника излучения, диафрагмы, оптической фокусирующей системы на первой измерительной базе, блока обработки сигналов на основе усилителя и индикатора контроля концентрации окиси углерода на второй измерительной базе, причем элементы устройства на первой измерительной базе совместно размещены на единой платформе на первом штативе на фиксированной высоте в приземном слое атмосферы, с помощью которой можно изменять угол наблюдателя в пределах 85-89 градусов по отношению ко второй измерительной базе под воздействием источника напряжения, размещенного на втором штативе на более низкой фиксированной высоте, чем на первой базе, где также находятся вертикально расположенная линейка фотодетекторов, два вычислителя, источник порогового напряжения и источник напряжения для задания угла наблюдателя, четыре усилителя напряжения, датчики температуры нижнего и верхнего приземного слоя атмосферы, датчик атмосферного давления, причем выход линейки фотодетекторов соединен с первым входом первого вычислителя, а выход источника порогового напряжения - со вторым его входом, выход первого вычислителя через первый усилитель напряжения соединен с первым входом второго вычислителя, на второй вход которого подключен источник напряжения для задания угла наблюдателя, а на третий, четвертый и пятый входы соответственно подключены через свои усилители напряжения датчики температуры нижнего, верхнего слоя атмосферы и датчик атмосферного давления, выход второго вычислителя соединен с блоком обработки сигналов.

Общими для заявляемого устройства и прототипа являются следующие признаки:

- источник излучения, диафрагма, оптическая фокусирующая система на первой измерительной базе,

- блок обработки сигналов на основе усилителя и индикатора контроля концентрации окиси углерода на второй измерительной базе.

Отличительными от прототипа являются следующие признаки:

- элементы устройства на первой измерительной базе совместно размещены на единой платформе на первом штативе на фиксированной высоте в приземном слое атмосферы, с помощью которой можно изменять угол наблюдателя в пределах 85-89 градусов по отношению ко второй измерительной базе под воздействием источника напряжения, размещенного на втором штативе на более низкой фиксированной высоте, чем на первой базе;

- на второй измерительной базе размещены на втором штативе на более низкой другой фиксированной высоте, чем на первой базе, вертикально расположенная линейка фотодетекторов, два вычислителя, источник порогового напряжения и источник напряжения для задания угла наблюдателя, четыре усилителя напряжения, датчики температуры нижнего и верхнего приземного слоя атмосферы, датчик атмосферного давления.

На чертеже (Фиг.1) изображена функциональная схема заявляемого устройства, содержащего на первой измерительной базе 1 источник излучения 2, диафрагму 3, оптическую фокусирующую систему 4; на второй измерительной базе 5 вертикально расположенную линейку фотодетекторов 6, два вычислителя 7 и 10, источник порогового напряжения 8 и источник напряжения для задания угла наблюдателя 11, четыре усилителя напряжения 9, 13, 15 и 17, датчики температуры нижнего и верхнего приземного слоя атмосферы 14 и 12 соответственно, датчик атмосферного давления 16, блок обработки сигналов на основе усилителя напряжения 18 и индикатора контроля концентрации окиси углерода 19.

Устройство для определения загрязнения окисью углерода приземного слоя атмосферы автотранспортными средствами работает следующим образом.

Сущность работы устройства поясняется Фиг.2.

Устройство располагается на двух базах: А и В.

Элементы устройства на первой измерительной базе А совместно размещены на единой платформе на первом штативе на фиксированной высоте Н_изм. в приземном слое атмосферы, с помощью которой можно изменять угол наблюдателя α в пределах 85-89 градусов по отношению ко второй измерительной базе под воздействием источника напряжения, размещенного на втором штативе на более низкой фиксированной высоте, чем на первой базе. При отсутствии окиси углерода в приземном слое атмосферы (С_CO=0) оптический луч 1 проходит ее без отклонения, создавая проекцию в виде линии измерительной базы L_изм..

На второй измерительной базе В размещены остальные элементы устройства на втором штативе на фиксированной высоте h_изм., причем Н_изм.>h_изм. Линейка фотодетекторов ФД расположена вертикально относительно базиса АВ, а схема обработки сигнала настроена так, что в случае прохождения оптического луча 1 создается калибровочная засветка на ФД и индикатор показывает наличие концентрации окиси углерода равной нулю при любых метеорологических условиях в приземном слое атмосферы (температурах в нижнем и верхнем слоях, атмосферном давлении) и фиксированном угле наблюдателя α .

При наличии окиси углерода в приземном слое атмосферы (С_CO≠_{0) наклонный оптический луч 1 принимает траекторию 2 пропорционально наличию концентрации окиси углерода в приземном слое атмосферы. Это приводит к соответствующему изменению положения засветки участка линейки фотодетекторов 6 и появлению на выходе вычислителя 7 при заданном пороговом напряжении (блок 8) на момент калибровки некоторого напряжения Δ U, которое усиливается в блоке 9 и при измеренных значениях метеорологических параметров приземного слоя атмосферы (блоки 12-17) и заданном угле наблюдателя α (блок 11) вычислителем 10 пересчитывается в соответствующие показания индикатора контроля концентрации окиси углерода 19 (см. Фиг.1).}

Работоспособность устройства проверялась на макете с использованием следующих элементов:

- источник излучения со своей оптической системой на основе лазерного теодолита;

- 16-ти разрядная линейка фотодетекторов;

- дифференциальный усилитель фототока на базе микросхемы УД406 в качестве вычислителя №1;

- программируемый микрокалькулятор в качестве вычислителя №2.

В качестве источника загрязнения окисью углерода использовался грузовой автомобиль с бензиновым двигателем, который располагался рядом со второй измерительной базой так, что выхлопные газы автомобиля направлялись по ветру в сторону первой измерительной базы. Измерительная база АВ составляла 100,0 метров. Метеорологические параметры фиксировались специальными измерительными приборами. Контрольные пробы загрязнения, создаваемого работающим двигателем автомобиля, осуществлялись с помощью газоанализаторов 121 ФА-01 и 123 ФА-01.

В эксперименте при неработающем двигателе автомобиля фиксировались фоновые показатели концентрации окиси углерода в приземном слое атмосферы на измерительной площадке АВ. Фотоприемник настраивался так, что на выходе дифференциального усилителя выходной сигнал был равен нулю. При прочих показаниях других датчиков вычислитель №2 показывал отсутствие окиси углерода.

При работающем двигателе автомобиля фиксировались отличные от фоновых показатели концентрации окиси углерода в приземном слое атмосферы на измерительной площадке АВ. Измерительный луч при этом отклонялся в вертикальной плане относительно линейки ФД, что приводило к изменению места засветки на линейке ФД и появлению разностного сигнала на выходе вычислителя №1.

Экспериментально было установлено, что при изменении концентрации окиси углерода в приземном слое атмосферы при различных метеорологических условиях величина разностного напряжения на выходе вычислителя №1 была также различной. Калибровка разностного сигнала Δ U с помощью усилителя напряжения 9 позволяет калибровать выходные показатели блока обработки заявляемого устройства. Результаты эксперимента подтверждают работоспособность заявляемого устройства по его прямому назначению.

Использование заявляемого устройства позволяет оперативно получать информацию о наличии загрязнения приземного слоя атмосферы окисью углерода, например при организации экологического мониторинга автомобильных трасс и дорог в крупных промышленных центрах.

Источники информации

1. Авт. св. СССР “Устройство для измерения прозрачности воздуха”, МКИ G 01 j 1/00, №73394, завл. 22.04.1946, опубл. 22.05.1973, автор изобретения - Н.Э.Ритынь.

2. Авт. св. СССР “Устройство для измерения структурной характеристики показателя преломления атмосферы”, МКИ G 01 n 21/46, №386325, завл. 28.05.1971, опубл. 14.06.1973, авторы изобретения - М.А.Воробьев и др.

3. Якубовский Ю. Автомобильный транспорт и защита окружающей среды. Пер с польск. - М.: Транспорт, 1979. - 198 с.

Изобретение относится к оптическим исследованиям атмосферы, в частности к определению загрязнения окисью углерода приземного слоя атмосферы. Сущность: устройство содержит источник излучения, диафрагму, оптическую фокусирующую систему на первой измерительной базе. На второй измерительной базе расположены блок обработки сигналов на основе усилителя и индикатора контроля концентрации окиси углерода, линейка фотодетекторов, два вычислителя, источник порогового напряжения и источник напряжения для задания угла наблюдателя, четыре усилителя напряжения, датчики температуры нижнего и верхнего приземного слоя атмосферы, датчик атмосферного давления. Элементы устройства на первой измерительной базе совместно размещены на единой платформе на первом штативе на фиксированной высоте. С помощью единой платформы под воздействием источника напряжения можно менять угол наблюдателя в пределах 85-89 градусов по отношению ко второй измерительной базе. Технический результат: оперативное получение информации о наличии загрязнения приземного слоя атмосферы окисью углерода с учетом изменения метеорологических параметров. 2 ил.

Устройство для определения загрязнения окисью углерода приземного слоя атмосферы автотранспортными средствами, содержащее источник излучения, диафрагму, оптическую фокусирующую систему на первой измерительной базе, блок обработки сигналов на основе усилителя и индикатора контроля концентрации окиси углерода на второй измерительной базе, отличающееся тем, что элементы устройства на первой измерительной базе совместно размещены на единой платформе на первом штативе на фиксированной высоте в приземном слое атмосферы, с помощью которой можно изменять угол наблюдателя в пределах 85-89° по отношению ко второй измерительной базе под воздействием источника напряжения, размещенного на втором штативе на более низкой фиксированной высоте, чем на первой базе, где также находятся вертикально расположенная линейка фотодетекторов, два вычислителя, источник порогового напряжения и источник напряжения для задания угла наблюдателя, четыре усилителя напряжения, датчики температуры нижнего и верхнего приземных слоёв атмосферы, датчик атмосферного давления, причем выход линейки фотодетекторов соединен с первым входом первого вычислителя, а выход источника порогового напряжения - со вторым его входом, выход первого вычислителя через первый усилитель напряжения соединен с первым входом второго вычислителя, на второй вход которого подключен источник напряжения для задания угла наблюдателя, а на третий, четвертый и пятый входы соответственно подключены через свои усилители напряжения датчики температуры нижнего, верхнего слоев атмосферы и датчик атмосферного давления, выход второго вычислителя соединен с блоком обработки сигналов.