Способ контроля изменения состава воздушной среды Российский патент 2021 года по МПК G01N22/00 H01J49/00 

Изобретение относится к области электрических измерений и может быть использовано для контроля изменения состава воздушной среды, который необходим в зонах потенциальной опасности, где возможна утечка или выброс вредных для здоровья человека газов и пыли, а также в городских районах для контроля загрязнения воздуха.

Известны различные способы контроля состава воздушной среды и содержания в ней различной пыли, влаги, паров, органических веществ (угольная пыль, древесная пыль, торф, пары растворителей) и др. компонентов, например: оптические, массово-весовые и ультразвуковые способы (см., например, Туричин A.M. Электрические измерения неэлектрических величин / A.M. Туричин, Б.Э. Аршанский, И.А. Зограф и др. / Под общей ред. П.В. Новицкого. - М.-Л.: Энергия, 1966. - 690 с). Перечисленные способы обладают рядом недостатков при использовании их в областях пространства с неравномерным распределением по объему потенциально опасных газов, например шахты, рудники, промышленные районы города вблизи опасных производств, местности около автомагистралей. К недостаткам относятся: слабая защищённость датчиков от пыли, влаги, паров, длительное время установления показаний и возможность проведения только локального контроля воздушной среды, что не позволяет определить границы аварийной зоны для локализации катастрофы. Так, например, в промышленных районах города перечисленные датчики могут вовремя не обнаружить утечку вредоносных газов от производства при их неравномерном распределении по объему. Это приносит ущерб не только здоровью людей, работающих в этих зонах или находящихся в непосредственной близости от них, но и всей биологической жизни в аварийной зоне. Это распространяется и на другие виды человеческой деятельности и производства с токсичной и вредной средой, а также на пожароопасные и взрывоопасные производства.

В отличие от перечисленных способов измерения, микроволновый фазометрический способы контроля состава воздушной среды даёт возможность осуществлять мониторинг на протяжённых трассах и больших объёмах пространства. Система, основанная на этом способе, позволяет проводить контроль в отдаленных друг от друга областях пространства с последующем объединением в единую сеть мониторинга. Поэтому способ представляет особый интерес при осуществлении экологического и метеорологического мониторинга, создании газоаналитических комплексов, а также изучении распространения микроволн в атмосферных каналах связи.

Наиболее близким по технической сути к предполагаемому изобретению является «Способ определения изменения содержания вредоносных газов в воздухе» (патент РФ №2735058 опубл. в бюл. № 30 от 20.10.2020).

По этому способу определения изменения содержания вредоносных газов в воздухе, который включает генерирование непрерывных микроволновых колебаний с частотой , модулирование этих колебаний по амплитуде низкочастотным сигналом с частотой , полученной от кварцевого опорного генератора путем деления его частоты на коэффициент , первичное излучение этих микроволновых модулированных колебаний, первичный прием модулированных микроволновых колебаний, фильтрацию модулированных микроволновых колебаний, усиление модулированных микроволновых колебаний, амплитудное детектирование этих микроволновых колебаний и получение низкочастотного сигнала с частотой , фазовую автоподстройку частоты кварцевого опорного генератора управляемого напряжением путем сравнения частоты и фазы полученного низкочастотного сигнала с частотой с частотой и фазой сигнала, полученного от кварцевого опорного генератора управляемого напряжением путем деления его частоты на коэффициент , управление сдвигом фазы модулированных микроволновых колебаний частотой сигналом частотой , полученным от кварцевого опорного генератора управляемого напряжением путем деления его частоты на коэффициент , вторичное излучение трансформированных по частоте и фазе модулированных микроволновых колебаний частотой , вторичный прием трансформированных по частоте и фазе модулированных микроволновых колебаний, перемножение вторично принятых трансформированных по частоте и фазе модулированных микроволновых колебаний с частотой и исходных немодулированных микроволновых колебаний частотой , выделение после гомодинного преобразования в смесителе низкочастотного сигнала с частотой , ограничение по амплитуде этого низкочастотного сигнала с частотой , измерение разности фаз между полученным низкочастотным сигналом с частотой и опорным низкочастотным сигналом с частотой , полученным от кварцевого опорного генератора путем деления его частоты на коэффициент , получение на выходе фазового детектора сигнала, пропорционального набегу фазы микроволнового сигнала при его двукратном прохождении измерительной трассы, который отличается тем, что полученный с выхода фазового детектора сигнал подают на первый вход решающего блока, на второй вход которого подают сигнал, пропорциональный влажности контролируемого воздуха, который получают с помощью измерителя влажности воздуха, при этом на третий вход решающего блока подают сигнал, пропорциональный температуре контролируемого воздуха, который получают с помощью измерителя температуры воздуха, после чего в решающем блоке производят вычитание из сигнала, полученного на выходе фазового детектора, значение сигнала, полученного на выходе измерителя влажности воздуха с учетом некоторого приведенного коэффициента, значение которого, в свою очередь, определяют по сигналу, который получают на выходе измерителя температуры воздуха, после чего на выходе решающего блока получают сигнал, пропорциональный изменению содержания вредоносных газов в воздухе, и этот сигнал не зависит от влажности контролируемого воздуха и его температуры.

Однако приведенный способ определения изменения содержания вредоносных газов в воздухе не позволяет организовать сеть мониторинга и контролировать одновременно несколько потенциально опасных участков, что не позволяет анализировать изменение содержания вредоносных газов в больших объемах пространства, покрывающих большие площади, такие как городская производственная и транспортная инфраструктуры. Такой способ применим для контроля изменений интегрального состава воздуха в отдельно взятых районах. Также следует отметить, что при выбросе или утечки вредоносных газов в воздушную среду важными процедурами процесса ликвидации аварии являются оценочный анализ распространения газов в объеме и установления границ аварийной зоны. Выполнения этих задач при использовании одной пары измерительных блоков не представляется возможным.

В основу изобретения поставлена задача увеличения контролируемого объема воздушной среды в пределах производственной и транспортных инфраструктур всего населенного пункта. Поставленная цель достигается за счет того, что по способу контроля изменения состава воздушной среды первоначально в измерительной станции генерируют непрерывные микроволновые колебания с частотой и через первый микроволновый Y-циркулятор подают на микроволновую антенну первичного излучения и вторичного приема измерительной станции, с помощью которой первично излучают эти микроволновые колебания в направлении микроволновой антенны первичного приема и вторичного излучения блока ретранслятора, при этом эти микроволновые колебания первично принимают с помощью микроволновой антенны ретранслятора и первично принятый микроволновый сигнал через второй микроволновый Y-циркулятор подают на микроволновый полосно-пропускающий фильтр, а затем на микроволновый усилитель, после чего усиленный микроволновый сигнал подают на сигнальный вход управляемого микроволнового фазовращателя, на вход управления которого подают низкочастотный сигнал с частотой , который получают на выходе низкочастотного полосно-пропускающего фильтра ретранслятора, на вход которого подают смесь сигналов с выхода демодулятора УКВ-приемника ретранслятора, далее с выхода управляемого микроволнового фазовращателя трансформированные по частоте микроволновые колебания подают через второй микроволновый Y-циркулятор на микроволновую антенну первичного приема и вторичного излучения и излучают в направлении микроволновой антенны первичного излучения и вторичного приема измерительной станции, где эти микроволновые колебания вторично принимают, после чего вторично принятые микроволновые колебания с частотой через первый микроволновый Y-циркулятор подают на микроволновый смеситель измерительной станции вместе с исходными микроволновыми колебаниями с частотой , далее в микроволновом смесителе осуществляют гомодинное преобразование частоты, при этом на выходе микроволнового смесителя измерительной станции получают низкочастотный сигнал с частотой , который ограничивают по амплитуде в избирательном усилителе-ограничителе и подают на сигнальный вход фазового детектора, при этом в блоке управления формируют синхронизирующий сигнал с частотой и сигнал управления субтоновой частоты , после чего в блоке управления эти сигналы аддитивно складывают и подают на вход модулятора УКВ-передатчика, где осуществляют модулирование сигнала несущей частоты аддитивной смесью сигнала синхронизации с частотой и сигнала управления с частотой , и далее с помощью антенны УКВ-передатчика блока управления излучают сигнал несущей частоты модулированный сигналами синхронизации и управления в направлении приемных антенн УКВ-приемников всех измерительных станций и всех ретрансляторов, при этом модулированные колебания с несущей частотой принимают и демодулируют в УКВ-приёмнике измерительной станции и в УКВ-приемнике ретранслятора, после чего путём фильтрации выделяют синхронизирующий сигнал с частотой в измерительной станции и в ретрансляторе, а субтоновый сигнал с частотой выделяют только в измерительной станции, далее выделенный в измерительной станции синхронизирующий сигнал с частотой подают на опорный вход фазового детектора измерительной станции, на выходе которого получают сигнал, пропорциональный набегу фазы микроволнового сигнала, при его двукратном прохождении измерительной трассы, далее в измерительной станции полученный на выходе фазового детектора сигнал подают на первый вход решающего блока, на второй вход которого подают сигнал, пропорциональный влажности контролируемого воздуха, который получают с помощью измерителя влажности воздуха, при этом на третий вход решающего блока подают сигнал, пропорциональный температуре контролируемого воздуха, который получают с помощью измерителя температуры воздуха, после чего в решающем блоке производят вычитание из сигнала, полученного на выходе фазового детектора, значение сигнала, полученного на выходе измерителя влажности воздуха с учетом некоторого приведенного коэффициента, значение которого, в свою очередь, определяют по сигналу, который получают на выходе измерителя температуры воздуха, после чего на выходе решающего блока получают сигнал, пропорциональный изменению содержания вредоносных газов в воздухе, после чего в измерительной станции этот сигнал подают в процессорный блок, который связывают с модулем памяти, при этом в память заносят показания измерительной станции, которые получают на протяжении всего цикла измерений, при этом полученный субтоновый сигнал с частотой подают на субтоновый детектор, настроенный на строго определенную частоту субтонового сигнала, соответствующую номеру измерительной станции, при этом при совпадении частот настройки субтонового детектора измерительной станции и приходящего субтонового сигнала на выходе субтонового детектора формируют сигнал управления и инициализируют тем самым в процессорном блоке измерительной станции режим передачи пакета данных, причем цифровой код, хранящийся в модуле памяти процессорного блока измерительной станции и соответствующий изменению состава воздушной среды, модулируют и при помощи УКВ-передатчика измерительной станции с несущей частотой передают модулированный пакет данных в блок управления, в котором модулированный сигнал принимают УКВ-приемником блока управления, демодулируют и подают на главный процессорный блок блока управления, где этот пакет данных обрабатывают и результаты обработки подают на устройство вывода информации, далее после успешной передачи данных с одной пары измерительных блоков в главном процессорном блоке формируют сигнал, задающий новую субтоновую частоту в генераторе колебаний субтоновой частоты, таким образом, осуществляют запрос данных от другой пары измерительных блоков и повторяют всю процедуру излучения и приема микроволновых колебаний с соответствующим измерением содержания вредоносных газов в воздухе, контролируемом другой парой измерительных блоков, после чего вновь изменяют значение частоты субтонового сигнала и вновь контролируют изменение содержания вредоносных газов в воздухе, контролируемого третей парой измерительных блоков, далее процедуру повторяют до тех пор, пока не осуществят контроль содержания вредоносных газов всеми парами измерительных блоков системы, после чего процесс контроля повторяют сначала.

Сравнение предполагаемого способа с уже известными способами и прототипом показывает, что заявленный способ выявляет новые технические свойства, которые заключаются в возможности организации системы мониторинга изменения состава воздушной среды производственной и транспортной инфраструктур всего населенного пункта. Это позволяет увеличить контролируемую площадь, определить границы аварийной зоны в случае выброса или утечки газа, изменения общей загазованности воздуха в том или ином месте инфраструктуры населенного пункта.

Эти свойства предполагаемого изобретения являются новыми, потому что в способе-прототипе имеются недостатки, которые заключаются в отсутствии синхронизирующего УКВ-канала, разделения каналов связи между измерительными блоками и блоком управления при помощи субтонового сигнала. Эти недостатки сокращают возможные функциональные способности системы.

Указанный способ контроля изменения состава воздушной среды можно реализовать при помощи устройства, приведённого на Фиг. 1 и Фиг.2. Устройство контроля изменения состава воздушной среды состоит из блока управления 1 и n-го числа пар измерительных блоков 2, 3…n. В свою очередь, одна пара измерительных блоков 2 состоит из измерительной станции 5 и блока ретранслятора 6. При этом измерительная станция 5 состоит из генератора микроволновых колебаний 7, измерителя влажности воздуха 8, модуля памяти 9, микроволнового Y-циркулятора 10, смесителя 11, избирательного усилителя-ограничителя 12, фазового детектор 13, решающего блока 14, процессорного блока 15, модулятора 16, УКВ-передатчика с антенной 17, микроволновой антенны первичного излучения и вторичного приёма 18, низкочастотных полосно-пропускающих фильтров 19, 22, измерителя температуры воздуха 20, УКВ-приёмника с антенной 21, субтонового детектора 23. Блок ретранслятора 6 состоит из микроволновой антенны первичного приема и вторичного излучения 24, микроволнового Y-циркулятора 25, управляемого микроволнового фазовращателя 26, микроволнового полосно-пропускающего фильтра 27, низкочастотного полосно-пропускающего фильтра 29, микроволнового усилителя 28, УКВ-приёмника с антенной 30. Блок управления 1 состоит из устройства вывода информации 31, главного процессорного блок 32, демодулятора 33, кварцевого опорного генератора 34, генератора колебаний субтоновой частоты 35, УКВ-приёмника с антенной 36, сумматора низкочастотных сигналов синхронизации и управления 37, УКВ-передатчика с антенной 38.

В измерительной станции выход генератора микроволновых колебаний 7 соединен со вторым входом микроволнового смесителя 11 и с первым выводом микроволнового Y-циркулятора 10 второй вывод которого соединен с микроволновой антенной первичного излучения и вторичного приема 18, а третий вывод микроволнового Y-циркулятора 10 соединен с первым входом микроволнового смесителя 11, выход которого соединен со входом избирательного усилителя-ограничителя 12, выход которого соединен с сигнальным входом фазового детектора 13, опорный вход которого соединен с выходом низкочастотного полосно-пропускающего фильтра 19 сигнала синхронизации, вход которого соединен с выходом УКВ-приёмника с антенной 21, при этом выход УКВ-приёмника с антенной 21 также соединен с входом низкочастотного полосно-пропускающего фильтра 22 сигнала управления, выход которого соединен с входом субтонового детектора 23, при этом выход фазового детектора 13 соединен с первым входом решающего блока 14, второй вход которого соединен с выходом измерителя влажности воздуха 8, при этом третий вход решающего блока 14 соединен с выходом измерителя температуры 20, причем выход решающего блока 14 соединен с первым входом процессорного блока 15, второй вывод которого соединен с выводом модуля памяти 9, а третий вход процессорного блока 15 соединен с выходом субтонового детектора 23, при этом выход процессорного блока 15 соединен с входом модулятора 16, выход которого соединен со входом УКВ-передатчика с антенной 17, при этом в блоке ретранслятора 6 выход микроволновой антенны первичного приема и вторичного излучения 24 соединен с первым выводом микроволнового Y-циркулятора 25, второй вывод которого соединен со входом микроволнового полосно-пропускающего фильтра 27, выход которого соединен со входом микроволнового усилителя 28, выход которого соединен с сигнальным входом управляемого микроволнового фазовращателя 26, управляющий вход которого соединен с выходом низкочастотного полосно-пропускающего фильтра 29 сигнала синхронизации, вход которого соединен с выходом УКВ-приёмника с антенной 30, а выход управляемого микроволнового фазовращателя 26 соединен с третьим выводом микроволнового Y-циркулятора 25, при этом в блоке управления 1 первый выход главного процессорного блока 32 соединен с входом устройства вывода информации 31, а второй выход главного процессорного блока 32 соединен со входом генератора колебаний субтоновой частоты 35, выход которого соединен с первым входом сумматора 37, второй вход которого соединен с выходом кварцевого опорного генератора 34, причем выход сумматора 37 соединен со входом УКВ-передатчика с антенной 38, при этом выход УКВ-приёмника с антенной 36 соединен со входом демодулятора 33, выход которого соединен с входом главного процессорного блока 32.

Механизм определения изменения состава воздушной среды и обмена данными между блоком управления и одной из пар измерительных блоков показан на Фиг. 2.

Работает устройство, реализующее способ контроля изменения состава воздушной среды, следующим образом.

Микроволновые колебания с начальной амплитудой , частотой и начальной фазой , описываемые следующим выражением

, (1)

первоначально генерируют микроволновым генератором 7 в измерительной станции первой пары измерительных блоков 2 и через микроволновый Y-циркулятор 10 подают на микроволновую антенну первичного излучения и вторичного приема 18, с помощью которой первично излучают эти микроволновые колебания в направлении микроволновой антенны первичного приема и вторичного излучения 24, входящей в состав ретранслятора 6. При этом в точке приема микроволновый сигнал приобретает набег фазы равный

, (2)

где - длина измерительной трассы, - относительная диэлектрическая проницаемость исследуемой газовой среды (воздуха), - скорость света в вакууме.

Таким образом, первично принятые микроволновые колебания на входе ретранслятора 6 имеют вид:

, (3)

где - амплитуда принятых микроволновых колебаний.

Далее принятые микроволновые колебания через микроволновый Y-циркулятор 25 ретранслятора 6 подают на вход микроволнового полосно-пропускающего фильтра 27, настроенного на частоту , а потом с выхода микроволнового полосно-пропускающего фильтра 27 на вход микроволнового усилителя 28, с помощью которого микроволновый сигнал усиливают для увеличения дальности работы системы.

Далее в блоке ретранслятора 6 усиленный микроволновый сигнал подают на сигнальный вход управляемого микроволнового фазовращателя 26, на управляющий вход которого через низкочастотный полосно-пропускающий фильтр 29 подают синхронизирующий сигнал с частотой , полученный по УКВ-каналу связи УКВ-приёмником с антенной 30. В результате в управляемом микроволновом фазовращателе 26 в микроволновые колебания с частотой вносят периодический монотонно нарастающий от 0 до (или убывающий) фазовый сдвиг, с периодом равным . При этом можно говорить о сдвиге спектра микроволновых колебаний на так называемую частоту Доплера .

Таким образом, осуществляют сдвиг частоты микроволнового сигнала с частотой на величину равную частоте в ту ли другую сторону, в зависимости от монотонного нарастания или монотонного убывания вносимого фазового сдвига. Трансформированный по частоте микроволновый сигнал, с частотой имеет следующий вид

, (4)

где - амплитуда микроволнового сигнала с учетом усиления в микроволновом усилителе 28 и ослабления в микроволновом полосно-пропускающем фильтре 27 и управляемом фазовращателе 26, - начальная фаза синхронизирующего сигнала с частотой .

Этот сигнал через микроволновый Y-циркулятор 25 подают на микроволновую антенну первичного приема и вторичного излучения 24, с помощью которой вторично излучают эти микроволновые колебания в направлении микроволновой антенны первичного излучения и вторичного приема 18 измерительной станции 5. При этом микроволновый сигнал приобретает набег фазы равный

.

Так как частота низкочастотного опорного сигнала много меньше частоты микроволнового измерительного сигнала, то .

Следовательно, набег фазы микроволнового сигнала с частотой приближённо равен

.

Далее в измерительной станции 5 микроволновые колебания вторично принимают с помощью микроволновой антенны первичного излучения и вторичного приема 18 и через микроволновый Y-циркулятор 10 подают на первый вход смесителя 11, на второй вход которого подают исходные микроволновые колебания с частотой . В смесителе осуществляют гомодинное преобразование частоты. Преобразованный по частоте низкочастотный сигнал описывается следующим выражением

, (5)

где - амплитуда низкочастотного сигнала на выходе смесителя 11. Видно, что этот сигнал не содержит начальной частоты и фазы исходного микроволнового сигнала, но содержит набег фазы микроволнового сигнала, возникающий в результате его распространения по открытой трассе.

Этот сигнал усиливают и ограничивают по амплитуде в избирательном усилителе-ограничителе 12.

При этом в блоке управления 1 формируют синхронизирующий сигнал с амплитудой , частотой и начальной фазой , описываемый следующим выражением:

, (6)

который с выхода кварцевого опорного генератора 34 подают на второй вход сумматора 37 на первый вход, которого подают субтоновый сигнал, который формируют в блоке управления 1 при помощи генератора субтоновой частоты 35.

Причём субтоновый сигнал имеет вид:

, (7)

где - амплитуда субтонового сигнала; - частота сигнала генератора колебаний субтоновой частоты 35; - начальная фаза сигнала генератора колебаний субтоновой частоты 35.

Таким образом, в результате аддитивного сложения сигналов на выходе сумматора 37 результирующий сигнал будет иметь вид:

, (8)

этот сигнал подают на вход модуляции УКВ-передатчика 38, где осуществляют модулирование сигнала несущей частоты , причем вид модуляции не имеет значения, после чего с помощью антенны УКВ-передатчика 38 блока управления излучают модулированный сигнал синхронизации и управления в направлении антенн УКВ приемников всех измерительных станций и всех ретрансляторов.

При этом в измерительной станции 5 при помощи антенны УКВ-приёмника 21 принимают модулированный сигнал синхронизации и управления, после чего этот сигнал демодулируют в приемнике и подают на входы низкочастотного полосно-пропускающего фильтра 19 сигнала синхронизации и низкочастотного полосно-пропускающего фильтра 22 сигнала управления измерительной станции 5. Причем низкочастотный полосно-пропускающий фильтр 19 настраивают на частоту синхронизирующего сигнала. В результате на выходе полосно-пропускающего фильтра 19 получают синхронизирующий сигнал, который подают на опорный вход фазового детектора 13 на сигнальный вход которого подают сигнал с выхода избирательного усилителя-ограничителя 12.

В результате, на выходе фазового детектора 13 получают сигнал пропорциональный разности аргументов сигналов

, (9)

где - коэффициент преобразования фазового детектора 13. При этом сигнал на выходе фазового детектора 13 пропорционален исключительно набегу фазы микроволнового сигнала при его двукратном прохождении измерительной трассы.

Зная длину измерительной трассы , контролируют изменения интегральной относительной диэлектрической проницаемости исследуемой газовой среды.

Однако этот сигнал пропорционален изменению не только содержания в воздухе вредоносных газов, но и влажности воздуха, которая связана с его температурой. Поэтому далее в измерительной станции 5 сигнал с выхода фазового детектора 13 подают на первый вход решающего блока 14, на второй вход которого подают сигнал, пропорциональный влажности воздуха. Этот сигнал получают с выхода измерителя влажности воздуха 8. Одновременно на третий вход решающего блока 14 подают сигнал, пропорциональный изменению температуры воздуха, который получают на выходе измерителя температуры воздуха 20.

В решающем блоке 14 производят вычитание из сигнала, описываемого выражением 9 значение сигнала с выхода измерителя влажности воздуха 8 с учетом некоторого приведенного коэффициента, значение которого, в свою очередь, определяют по сигналу, снимаемому с выхода измерителя температуры воздуха 20. После чего на выходе решающего блока 14 получают сигнал, пропорциональный изменению содержания вредоносных газов в воздухе, и этот сигнал не зависит от метеорологической составляющей исследуемой среды.

Далее сигнал в измерительной станции 5 с выхода решающего блока 14 подают на первый вход процессорного блока 15, где его преобразуют в цифровой код и запоминают в модуле памяти 9 соединённым вторым выводом с процессорным блоком 15.

При этом в измерительной станции 5 сигнал, с выхода низкочастотного полосно-пропускающего фильтра 22 настроенного на диапазон возможных частот субтонового сигнала, подают на субтоновый детектор 23 настроенный на определенную частоту , определяющую очередной порядковый номер пары измерительных блоков. При совпадении частоты субтонового сигнала с настроенной частотой детектора 23 с его выхода на третий вход процессорного блока 9 подают сигнал управления, инициирующий передачу пакета данных в блок управления 1. В результате цифровой код, соответствующий изменению содержания вредоносных газов в воздушной среды с выхода процессорного блока 15, подают на вход модема 16, где цифровой сигнал преобразуют в модулирующий сигнал и подают на вход модулятора УКВ-передатчика 17 с несущей частотой и при помощи его антенны излучают в направлении блока управления 1 модулированный информационный сигнал.

В блоке управления 1 при помощи антенны УКВ-приёмника 36 принимают информационный сигнал от измерительной станции 5 и подают на вход модема 33, с выхода которого демодулированный цифровой сигнал подают на вход главного процессорного блока 32, после чего полученные данные обрабатывают и подают на устройство вывода 31.

Далее в блоке управления 1 со второго выхода главного процессорного блока 32 на вход генератора колебаний субтоновой частоты 35 подают сигнал, задающий другую субтоновую частоту , определяющую другую пару измерительных блоков. Таким образом делают запрос пакета данных из другой пары измерительных блоков, настроенных на частоту этого субтонового сигнала. После чего повторяют всю процедуру получения искомой информации в другом микроволновом канале и передачу полученной информации в блок управления 1.

Причем количество пар измерительных блоков ограничено количеством сигналов субтоновой частоты, в настоящее время используют 50 субтоновых сигналов из частотного диапазона 67,0…254,1 Гц. Представляется, что такого числа пар измерительных блоков достаточно, что покрыть производственную и транспортную инфраструктуры всего населенного пункта, даже достаточно большого.

Народнохозяйственный эффект от использования предполагаемого изобретения связан с созданием системы, которая дает возможность анализировать свойства среды распространения микроволн по результатам измерений флуктуаций набега фазы микроволновых колебаний. Преимущество данного измерителя, по сравнению с прототипом, заключается в организации сети мониторинга изменения состава воздушной среды позволяющей контролировать большие области пространства, находящиеся в удалении друг от друга, и покрывающие все возможные производственные и транспортные инфраструктуры всего населенного пункта. При этом проводимые измерения оказываются чувствительны исключительно к изменению содержания вредоносных газов в воздухе и не чувствительны к изменениям влажности и температуры исследуемой среды.

Преимущество данного измерителя, по сравнению с другими способами измерения заключается в малом времени и высокой точности измерений и возможности проведения контроля изменений содержания вредоносных газов в воздухе на протяжённых трассах и покрывающие большие площади населенного пункта. Эти свойства предполагаемого изобретения особенно важны для применения в системах городского экологического мониторинга воздушной среды, на производствах с токсичной и вредной средой, а также на пожароопасных и взрывоопасных производствах, где существуют потенциально опасные зоны с возможной утечкой или выбросом вредоносных газов в атмосферу. Также стоит отметить, что удаленные друг от друга измерительные блоки, охватывающие большие площади пространства, могут помочь определить и локализовать границы аварийной зоны в случае техногенной катастрофы.

Другой аспект повышения эффективности применения предполагаемого изобретения связан с возможностью его использования в составе аналитическо-измерительных комплексов непрерывного контроля параметров атмосферы в замкнутых пространствах, а также в системах непрерывного метеорологического мониторинга и системах автоматического управления технологическими процессами.

Изобретение относится к относится к измерительной техники, в частности, для контроля состава воздушной среды и может быть использовано в составе систем экологического и метеорологического мониторинга. Техническим результатом изобретения является обеспечение защиты датчиков от пыли, влаги, паров, малом времени установления показаний и возможности проведения контроля изменения состава воздушной среды на протяжённых трассах. Предложен способ контроля изменения состава воздушной среды, в котором осуществляют мониторинг газовой среды в удаленных областях пространства размещения измерительных блоков, включающих каналы распространения радиоволн, которые являются источниками получения искомой информации. Осуществляется синхронизация по УКВ-каналу связи работы всех пар измерительных блоков и объединение локальных данных в общую систему контроля за счет подачи сигналов управления в виде модулирующих колебаний субтоновой частоты. Сигнал излучают на контролируемой трассе и принимают в блоке ретранслятора, где в управляемом фазовращателе, синхронизированном с опорным генератором, трансформируют сигнал по частоте и излучают в направлении измерительной станции. В результате гомодинного преобразования частоты исходного и вторично принятого сигналов получают низкочастотный сигнал, который с помощью фазового детектора, синхронизированного с опорным генератором, преобразуют в сигнал, пропорциональный набегу фазы сигнала, соответствующего изменению состава воздушной среды. Сигнал подают в решающий блок, куда также подают сигналы, пропорциональные изменению влажности и температуры воздуха. В решающем блоке из сигнала с выхода фазового детектора вычитают метеорологическую составляющую исследуемой среды. На выходе решающего блока получают сигнал, пропорциональный исключительно изменению содержанию в воздухе газов, оказывающих вредоносное воздействие на живые организмы. Полученный сигнал подают в процессорный блок, если частота субтонового сигнала совпадает с настроенной частотой измерительной станции, то сигнал, содержащий информацию об изменении состава воздушной среды в исследуемой области, передают в блок управления. 2 ил.

Способ контроля изменения состава воздушной среды, предполагающий, что первоначально в измерительной станции генерируют непрерывные микроволновые колебания с частотой и через первый микроволновый Y-циркулятор подают на микроволновую антенну первичного излучения и вторичного приема измерительной станции, с помощью которой первично излучают эти микроволновые колебания в направлении микроволновой антенны первичного приема и вторичного излучения блока ретранслятора, при этом эти микроволновые колебания первично принимают с помощью микроволновой антенны ретранслятора, при этом измерительная станция и блок ретранслятора представляют собой пару измерительных блоков, далее первично принятый микроволновый сигнал в блоке ретранслятора через второй микроволновый Y-циркулятор подают на микроволновый полосно-пропускающий фильтр, а затем на микроволновый усилитель, после чего усиленный микроволновый сигнал подают на сигнальный вход управляемого микроволнового фазовращателя, на вход управления которого подают низкочастотный сигнал с частотой , который получают на выходе низкочастотного полосно-пропускающего фильтра ретранслятора, на вход которого подают смесь сигналов с выхода демодулятора УКВ-приемника ретранслятора, далее с выхода управляемого микроволнового фазовращателя трансформированные по частоте микроволновые колебания подают через второй микроволновый Y-циркулятор на микроволновую антенну первичного приема и вторичного излучения и излучают в направлении микроволновой антенны первичного излучения и вторичного приема измерительной станции, где эти микроволновые колебания вторично принимают, после чего вторично принятые микроволновые колебания с частотой через первый микроволновый Y-циркулятор подают на микроволновый смеситель измерительной станции вместе с исходными микроволновыми колебаниями с частотой , далее в микроволновом смесителе осуществляют гомодинное преобразование частоты, при этом на выходе микроволнового смесителя измерительной станции получают низкочастотный сигнал с частотой , который ограничивают по амплитуде в избирательном усилителе-ограничителе и подают на сигнальный вход фазового детектора, при этом в блоке управления формируют синхронизирующий сигнал с частотой и сигнал управления субтоновой частоты , после чего в блоке управления эти сигналы аддитивно складывают и подают на вход модулятора УКВ-передатчика, где осуществляют модулирование сигнала несущей частоты аддитивной смесью сигнала синхронизации с частотой и сигнала управления с частотой , и далее с помощью антенны УКВ-передатчика блока управления излучают сигнал несущей частоты модулированный сигналами синхронизации и управления в направлении приемных антенн УКВ-приемников всех измерительных станций и всех ретрансляторов, при этом модулированные колебания с несущей частотой принимают и демодулируют в УКВ-приёмнике измерительной станции и в УКВ-приемнике ретранслятора, после чего путём фильтрации выделяют синхронизирующий сигнал с частотой в измерительной станции и в ретрансляторе, а субтоновый сигнал с частотой выделяют только в измерительной станции, далее выделенный в измерительной станции синхронизирующий сигнал с частотой подают на опорный вход фазового детектора измерительной станции, на выходе которого получают сигнал, пропорциональный набегу фазы микроволнового сигнала, при его двукратном прохождении измерительной трассы, далее в измерительной станции полученный на выходе фазового детектора сигнал подают на первый вход решающего блока, на второй вход которого подают сигнал, пропорциональный влажности контролируемого воздуха, который получают с помощью измерителя влажности воздуха, при этом на третий вход решающего блока подают сигнал, пропорциональный температуре контролируемого воздуха, который получают с помощью измерителя температуры воздуха, после чего в решающем блоке производят вычитание из сигнала, полученного на выходе фазового детектора, значение сигнала, полученного на выходе измерителя влажности воздуха с учетом приведенного коэффициента, значение которого, в свою очередь, определяют по сигналу, который получают на выходе измерителя температуры воздуха, после чего на выходе решающего блока получают сигнал, пропорциональный изменению содержания вредоносных газов в воздухе, после чего в измерительной станции этот сигнал подают в процессорный блок, который связывают с модулем памяти, при этом в память заносят показания измерительной станции, которые получают на протяжении всего цикла измерений, при этом полученный субтоновый сигнал с частотой подают на субтоновый детектор, настроенный на определенную частоту субтонового сигнала, соответствующую номеру измерительной станции и определяющую пару измерительных блоков, при этом при совпадении частот настройки субтонового детектора измерительной станции и приходящего субтонового сигнала на выходе субтонового детектора формируют сигнал управления и инициализируют тем самым в процессорном блоке измерительной станции режим передачи пакета данных, причем цифровой код, хранящийся в модуле памяти процессорного блока измерительной станции и соответствующий изменению состава воздушной среды, модулируют и при помощи УКВ-передатчика измерительной станции с несущей частотой передают модулированный пакет данных в блок управления, в котором модулированный сигнал принимают УКВ-приемником блока управления, демодулируют и подают на главный процессорный блок блока управления, где этот пакет данных обрабатывают и результаты обработки подают на устройство вывода информации, далее после успешной передачи данных с одной пары измерительных блоков в главном процессорном блоке формируют сигнал, задающий новую субтоновую частоту в генераторе колебаний субтоновой частоты, таким образом, осуществляют запрос данных от другой пары измерительных блоков и повторяют всю процедуру излучения и приема микроволновых колебаний с соответствующим измерением содержания вредоносных газов в воздухе, контролируемом другой парой измерительных блоков, после чего вновь изменяют значение частоты субтонового сигнала и вновь контролируют изменение содержания вредоносных газов в воздухе, контролируемом третьей парой измерительных блоков, далее процедуру повторяют до тех пор, пока не осуществят контроль содержания вредоносных газов всеми парами измерительных блоков системы, после чего процесс контроля повторяют сначала.