Многокомпонентный газоанализатор для климатических исследований Российский патент 2024 года по МПК G01N27/27 

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а именно, организации системы управления исследованиями по движению климатически активных газов в атмосферном воздухе.

Известно устройство для суммарного определения газообразных углеводородов в газовоздушной смеси, транспортируемой от дегазатора в станцию ГТИ при бурении нефтегазовых скважин. Газоанализатор состоит из системы пробоотбора, комплекса датчиков на углеводороды и метеорологические параметры, микропроцессора. (Патент РФ на полезную модель №50676, опубл. 20.01.2006, бюл. №2).

Недостатком газоанализатора является регистрация только углеводородов в атмосферном воздухе.

Известен многокомпонентный лидарный газоанализатор среднего ИК-диапазона (Патент РФ на полезную модель №181296, опубл. 12.03.2018, бюл. №19.). Система реализована с помощью единой платформы, на которой установлены блок накопления и обработки сигналов, оптически связанный лазер, коллиматор, два глухих зеркала, телескоп, конденсор, матричный фотодетектор, спектрограф. Газоанализатор позволяет проводить замеры концентрации СН₄, N₂O, СО₂.

Недостатком устройства является отсутствие датчиков контроля метеорологических параметров, которые необходимы для проведения исследований по движению газов в атмосферном воздухе.

Известна передвижная лаборатория мониторинга окружающей среды. Система состоит из автомобиля, GPS, контрольно-измерительных приборов, автоматизированного рабочего места, технологического оборудования. Лаборатория позволяет проводить замеры концентрации газов на различных территориях и передавать данные через GPS в центр управления системой мониторинга. (Патент РФ на изобретение №2547742, опубл. 10.04.2015, бюл. №10.)

Недостатком системы является необходимость транспортировки комплекса контрольно-измерительных приборов, а также технологического оборудования на автомобиле, что существенно удорожает систему мониторинга.

Известен газоанализатор горючих газов, реализованный на основе измерения активного сопротивления электрически нагреваемого тела в зависимости от температуры, регистрируемой в результате сгорания или каталитического окисления испытуемого газа (образца). (Патент РФ на полезную модель №186865, опубл. 06.02.2018, бюл. №4.)

Недостатком является узкая область применения устройства. Оно измеряет только горючие газы, в том числе углеводороды.

Известно устройство обнаружения и распознавания многокомпонентных газовых сред «электронный нос». Малогабаритное устройство состоит из матрицы газочувствительных датчиков, блока предварительной обработки с использованием искусственных нейронных сетей, блока распознавания запахов, блока индикации, блока управления нагревом датчиков, блока управления устройством. (Патент РФ на полезную модель №171691, опубл. 09.06.2017, бюл. №16.)

Недостатком технического решения является использование только газовых сенсоров для регистрации газов в многокомпонентной смеси.

Наиболее близким к заявляемому является газоанализатор для проведения мониторинга состояния объектов окружающей среды и способ его работы (Патент РФ на изобретение №2762858, опубл. 23.21.2021, бюл. №36), созданный на основе электрохимических датчиков с длительным сроком службы и высокой точностью измерений. Газоанализатор состоит из шкафа с подогревом, фильтров, датчиков на СО₂, NO, СО, H₂S, NO₂, SO₂, O_X, увлажнителя, воздухопроводов, блока электрохимических сенсоров, радиатора охлаждения, датчика влажности, модулей Пельтье, теплопровода, радиаторов жидкостного охлаждения, датчика давления, воздушного насоса, вентилятора, помпы, измерительной платы, метеостанции, блока питания, реле, блока АЦП, блока управления влажностью воздуха, информационного блока, клапанов регулировки влажности, датчика температуры внутри шкафа, нагревателя шкафа, датчика температуры сенсоров.

Недостатком газоанализатора является использование только электрохимических датчиков. Отсутствует возможность расширения возможностей прибора по измерению иных газов. Не предусмотрена регистрация параметров вертикального потока воздуха.

Технической проблемой изобретения является создание многокомпонентного анализатора для климатических исследований, осуществляющих регистрацию концентрации климатически активных газов, метеорологических параметров, характеристик вертикального движения газов в атмосферном воздухе. Предполагается использование устройства на Карбоновых полигонах для проведения оперативных замеров параметров системы мониторинга.

Техническая проблема решается тем, что многокомпонентный газоанализатор для климатических исследований, выполненный с возможностью дистанционной передачи данных, содержит контроллер с реле, к которому подключены датчики измерения концентрации углекислого газа, метана, закиси азота, датчики измерения влажности, температуры и давления атмосферного воздуха, датчики измерения скорости и направления ветра в горизонтальном направлении, датчики измерения направления и скорости вертикального движения воздуха, при этом контроллер подключен к персональному компьютеру с автоматизированной системой управления.

Сущность изобретения состоит в многокомпонентном замере и регистрации концентрации газов, метеорологических параметров, характеристик движения газов в вертикальном и горизонтальном направлениях на основе единой платформы, реализуемой с помощью контроллера, реле с подключенными датчиками, насоса, блока питания, модуля записи на внешний накопитель, модуля передачи по GSM-каналу с использованием автоматизированной системы управления (SCADA-системы) процессом мониторинга климатически активных газов.

На фигуре представлена схема многокомпонентного газоанализатора.

Многокомпонентный газоанализатор для климатических исследований содержит контроллер 1 (например, Arduino) с модулем 1₁ внешней памяти, реле 2 с подключенными датчиками, блок 3 питания, насос 4 для отбора проб, модуль 5 связи (например, GSM-модем на базе чипа SIM800L) с персональным компьютером (ПК), на котором установлена автоматизированная система управления. На реле 2 установлены датчики: 2₁ - датчик измерения концентрации углекислого газа, 2₂ - датчик измерения концентрации метана, 2₃ - датчик измерения концентрации закиси азота, 2₄ - датчик измерения влажности атмосферного воздуха, 2₅ - датчик измерения температуры атмосферного воздуха, 2₆ - датчик измерения давления атмосферного воздуха, 2₇ - датчик измерения скорости ветра в горизонтальном направлении, 2₈ - датчик измерения направления ветра в горизонтальном направлении, 2₉ - датчик измерения направления вертикального движения воздуха, 2₁₀ - датчик измерения скорости вертикального движения воздуха, к контроллеру 1 подключен модуль \\ внешней памяти (модуль SD-карты).

Многокомпонентный газоанализатор выполнен с возможностью подключения к ПК для управления, визуализации работы прибора. Подключение осуществляется посредством модуля 5 связи. Передача данных на ПК посредством модуля 5 связи может быть реализована с помощью технологии беспроводной локальной сети (Wifi), стандарта цифровой мобильной сотовой связи (GSM).

Выходное напряжения блока 3 питания должно соответствовать требуемому напряжению контроллера и реле 2 (для большинства приборов требуется 7-12 В).

Передача данных от датчиков 2₁, 2₂, …, 2₁₀ на реле 2 осуществляется по интерфейсам I2C, UART, SPI и иным.

Принцип действия устройства следующий.

При работе насоса 4 сигналы с датчиков 2₁, 2₂, …, 2₁₀ подаются на реле 2. Реле 2 осуществляет сбор информации со всех датчиков. С реле 2 экспериментальные данные по интерфейсам I2C, UART, SPI поступают на контроллер 1. Данные записываются в регистры и передаются на ПК. На ПК в системе автоматизированного управления (SCADA-системе) отображаются текущие значения с датчиков 2₁, 2₂, …, 2₁₀, осуществляется их регистрация в базу данных. На ПК осуществляется запись данных в долговременную систему хранения информации - базу данных. Данные замеров датчиков 2₁, 2₂, …, 2₁₀ записываются на внешний накопитель (например, SD-карту) с помощью модуля 1₁ внешней памяти. Массивы данных записываются в виде таблиц. Формат файлов: *.txt, *.csv, *.xls и др. Модуль связи 5 осуществляет передачу информации по стандарту цифровой мобильной сотовой связи Groupe Special Mobile на внешние хранилища информации (например, облачные базы данных).

Возможно использование данного устройства для дистанционного замера и передачи информации, для этого используется квадрокоптер для перемещения прибора в пространстве и регистрации содержания климатически активных газов, метеорологических параметров на различных высотах, в различных точках.

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а именно организации системы исследований управлений по движению климатически активных газов в атмосферном воздухе. Многокомпонентный газоанализатор для климатических исследований, выполненный с возможностью дистанционной передачи данных, содержит контроллер с реле, к которому подключены датчики измерения концентрации углекислого газа, метана, закиси азота, датчики измерения влажности, температуры и давления атмосферного воздуха, датчики измерения скорости и направления ветра в горизонтальном направлении, датчики измерения направления и скорости вертикального движения воздуха, при этом контроллер подключен к персональному компьютеру с автоматизированной системой управления. Техническим результатом является создание многокомпонентного анализатора для климатических исследований, осуществляющих регистрацию концентрации климатически активных газов, метеорологических параметров, характеристик вертикального движения газов в атмосферном воздухе. 1 ил.

Многокомпонентный газоанализатор для климатических исследований, выполненный с возможностью дистанционной передачи данных, содержащий контроллер с реле, к которому подключены датчики измерения концентрации углекислого газа, метана, закиси азота, датчики измерения влажности, температуры и давления атмосферного воздуха, датчики измерения скорости и направления ветра в горизонтальном направлении, датчики измерения направления и скорости вертикального движения воздуха, при этом контроллер подключен к персональному компьютеру с автоматизированной системой управления.