автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.11, диссертация на тему:Методы и средства контроля и диагностики вредных веществ в отработавших газах автотранспорта

СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ЗАОЧНЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ Спсциалщпроплнный Сопег К 063.06.0^?

На правах рукописи

ХВАТОВ Владамир Филиппович

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ АВТОТРАНСПОРТА

Специальность 05.02.11. Методы контроля п диатостика в машиностроении

АВТОРЕФЕРАТ диссертации па соискание ученой стснсии кандидата технических паук

РГБ ОД

Санкт-Петербург 1944 год

Работа выполнена на кафедре приборов и методов контроля качества и лазерной техники СЗПИ и в техническом отделе У ГА И г.Санкт-Петербурга.

Научный руководитель - чл.-корр. РИА, доктор технических наук, профессор

А.И.Потапов

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Турубаров В.И.

(СПААП, Санкт-Петербург)

кандидат физико-математических наук, директор Миляев В.Б. (НИИ охраны атмосферного воздуха НИИ "Атмосфера", Санкт-Петербург)

Ведущая организация: Научно-исследовательский центр экологической безопасности РАН.

Защита состоится " 1994г. в 13 часов на заседании

специализированного совета при Северо-Западном заочном политехническом институте по адресу: 1910065, г. Санкт-Петербург, ул. Миллионная 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Северо-Западного заочного политехнического института.

Автореферат разослан 'С^' |^)94Г.

Ученый секретарь

специализированного совета к.т.н., с.н.е. Т.П.Курчавова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Современное состояние окружающей среды ставит неотложные задачи по обеспечению непрерывного контроля за вредными выбросами источников загрязнения окружающей, особенно воздушной, среды. К числу наиболее распространенных и опасных источников загрязнения атмосферного воздуха относятся автомобили. Исследования химического состава отработавших газов (ОГ) двигателей внутреннего сгорания показали,что в них содержится около 200 различных химических соединений, которые оказывают различное воздействие на окружающую среду и живые организмы. Только один I легковой автомобиль за год эксплуатации выделяет в среднем 800 кг окиси углерода, около 40 кг окислов азота, около 200 кг ядовитых углеводородов, потребляя при этом более 4 т кислорода. В среднем за год каждый автомобиль выбрасывает в атмосферу 1 кг свинца в виде аэрозоля. Распространение этих вредных выбросов зависит в значительной мере от скорости перемещения слоев воздуха, его температуры, наличия облачности, тумана, осадков.

В настоящее время мировой автомобильный парк превысил 500 млн. единиц, из которых 83-85 % приходится на легковые автомобили. По прогнозам, к 2000 году он достигнет 700-800 млн. единиц.

Мировой ежегодный выброс вредных веществ от автомобилей п атмосферу составляет 50 млн.т углеводородов, 200 млн.т угарного газа и 20 млн.т окиси азота.

В СССР в 1986г. вредные выбросы от автотранспорта достигли 37,08 млн.т, из них: МОх—1,75, СО—29,19, СН—6,14 млн.т. За 1987 и 1988 гт. они соответственно составляли 36,2 и 35,8 млн.т. Атмосферный воздух около 60 городов СССР насыщен вредными веществами органических и неорганических соединений,концентрации которых значительно превышают предельно допустимые. По Ленинграду вредные выбросы от автотранспорта в 1986г. достигли 365,8 тыс.т, а в 1987г.—уже 371,9 тыс.т.

Объем загрязнений атмосферы автотранспортом в Санкт-Петербурге составляетоколо 60% от общего объема загрязнений другими источниками (энергетика, металлургия, машиностроение и др.). В настоящее время объем вредных выбросов в атмосферу существенно увеличился в связи со значительным увеличением количества старых автомобилей, особенно иностранного происхождения.

Необходимым условием борьбы за чистоту атмосферного воздуха вляется контроль за его состоянием в соответствии с законом "Об хране атмосферного воздуха" от 1 января 1981г. В Российскойфедера-1ии выработаны нормативы предельно допустимых концентраций ПДК) различных токсических химических веществ, содержащихся в иде газов, паров и пыли, которые при ежедневном воздействии не ызывают патологических изменеий или заболеваний человека, обна->уживаемых современными средствами исследования. Данные о вред-[ых выбросах с учетом метеорологических и аэрологических шраметров позволяют установить уровень загрязнения и источники (редных выбросов для проведения целенаправленных мероприятий по »здоровлению воздушного бассейна. Решение этих задач возможно -олько в результате разработки научно-обоснованных методов и редств контроля и диагностики степени загрязнения атмосферы автопильным транспортом.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Целью работы является со-дание научно-обоснованных принципов и методов контроля и диагно-тики степени загрязнения атмосферного воздуха автотранспортом, (ля достижения которой необходимо решить следующие задачи:

- провести анализ и выбор современных методов и средств контроля ОГ автотранспорта;

- создать передвижную экологическую диагностическую лабораторию (ПЭДЛ);

- разработать лазерные методы и средства многопараметрового контроля загрязнения атмосферы;

• разработать методики контроля отработавших газов автотранспорта на приборах в составе ПЭДЛ и проверить их эффективность при обследовании степени загрязнения атмосферы автотранспортом на некоторых магистралях Санкт-Петербурга; ■ разработать карту загрязненности атмосферного воздуха в Санкт-Петербурге автомобильным транспортом;

разработать рекомендации по защите атмосферы Санкт-Петербурга от загрязнения ОГ автотранспорта.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Теоретические и эксперименталь-ые исследования базировались на методах комбинационного рассея-ия, резонансного и дифференциального поглощения, индуцированной шуоресценции, теории Бугера-Ламберта и др.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ. В диссертации получены целующие новые научные результаты:

- получено уравнение, п котором концентрация контролируемою газа пропорциональна отношению амплитуд сигналов в пиках линий комбинационного рассеяния соответствующих искомому газу и и молекулярному азоту, концентрация которого известна;

- получены зависимости, устанавливающие связь между концентрацией контролируемого газа и логарифмом числа облучений и расстояния зондирования;

- разработаны методики расчета лазерного многопараметрового контроля концентрации наиболее распространенных загрязнителей СО, СОг, N0, СН и др. присутствующих в отработавших газах автотранспорта;

- разработаны методики контроля вредных веществе в ОГавтомобиля ^ приборами в составе передвижной диагностической лаборатории; "

- разработана карта загрязнения атмосферы Санкт-Петербурга отработавшими газами автотранспорта.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Результаты экспериментальных исследований использованы при оценке степени загрязнения основных магистралей Санкт-Петербурга и разработке рекомендаций по защите атмосферы от загрязнений.

Разработанные методики по эскпресс-контролю концентрации загрязняющих газов в атмосфере позволяют обеспечить постоянный контроль и диагностику атмосферного воздуха вдоль наиболее оживленных автомобильных магистралей, обеспечить экологический контроль автотранспорта и автотранспортных предприятий.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Результаты диссертационной работы использовались:

- при создании передвижной экологической диагностической лаборатории ГАИ на базе микроавтобуса РАФ;

- при разработке карты загрязненности атмосферного воздуха Санкт-Петербурга;

- при проведении учебного курса "Экологическая безопасность авто-трансорта";

- при выполнениии работ по целевой комплексной научно-технической программе "Неразрушающий контроль и диагностика".

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертации докладывались на Международной конференции "Технические системы и

социально-правовые принципы экологической безопасности" (Ленинград, 1990 г.), на Всероссийской научно-технической конференции "Оптические, радиоволновые и тепловые методы контроля материалов, изделий и окружающей среды" (Ульяновск, 1993 г.), на ряде семинаров Ленинградского Дома научно-технической пропаганды.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 5 работ—брошюра, экологическая карта, тезисы докладов.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы.

Объем диссертации составляет: страниц машинописного текста, страниц с рисунками, страниц с таблицами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

В настоящее время в стране и за рубежом разработан достаточно большой ассортимент различных методов и средств контроля и диагностики вредных вегцеств в отработавших газах (ОГ) автотранспорта. Однако, несмотря йа многообразие данных методов и средств, реализация и проведение контроля вредных веществ в ОГ автомобиля в нашей стране развивается очень слабо. Это вызвано слабой изученностью, сложностью и низкой эффективностью некоторых методов,отсутствием методик контроля конкретных вредных веществ, низкой чувствительностью и высокой стоимостью некоторых приборов, отсутствием подготовленных кадров по контролю и несоответствующим отношением некоторых организаций к этой проблеме.

Так, до 1992 года контроль за экологическим сотоянием автотранс-юрта осуществляло ГАИ при помощи передвижных "Диагностических тбораторий ГАИ", разработанных сотрудниками технической службы "АИ в сотрудничестве с учеными Северо-Западного политехнического [нститута. Данные лаборатории оборудованы средствами контроля

А

экологического состояния автотранспорта. Было создано 7 передвижных лабораторий на базе автомобилей РАФ-2203 и УАЗ-452. Однако с 1993 года ГАИ полностью прекратило работу по контролю за экологическим состоянием автотранспорта на линии и непосредственно в автотранспортных предприятиях, при этом ни одна другая организация, в том числе Комитет мэрии по охране природы, не взяла на себя проведение этой работы.

В настоящее время практически отсутствует какая-либо информация об экологическом состоянии автотранспорта в Санкт-Петербурге. Следует отметить, что в 1120 автохозяйствах имеется около 400 приборов дымомеров и газоанализаторов (СО, СН), при этом около 300 из них в настоящее время неисправны, а большая часть работоспособных приборов не проходила госпроверку, которую они должны проходить дважды в год.

Проблема экологической опасности автотранспорта стоит особенно остро в связи с резким ростом числа автомобилей, в том числе старых иномарок, значительным снижением активности общественных организаций, занимающихся проблемами контроля экологического состояния автотранспорта и атмосферного воздуха, отсутствием государственных органов, ответственных за решение данной проблемы.

В диссертации значительное внимание уделено анализу различных методов и средств контроля ОГ автотранспорта.

Проблема контроля загрязнения атмосферы характеризуется необходимостью измерения ультрамикроконцентраций загрязнителей, что требует от методов контроля высокой чувствительности и избирательности при определении измеряемых компонентов. Контроль вредных выбросов производится как непосредственно у источников их образования, так и замерами их концентраций в атмосферном воздухе.

При контроле загрязнения атмосферы находят применение многие физические, физико-химические и химические методы газового анализа.

В диссертации рассмотрены такие методы как недисперсионный абсорбционный, хемилюминисцентный, пламенно-ионизационный, хро-мотографические, электрохимические, фотоколориметрические, спектрофотометрические (дисперсионные), пламенно-фотометрический, флуоресцентный, массспектрометрический, лазерные, эмиссионные и др. методы.

В результате анализа данных методов показано, что высокой эффективностью при контроле окиси углерода, углеводородов, окислов азота, сернистого ангидрида обладает недисперсионный ИК-метод, при контроле двуокиси азота—хемилюминисцентный метод, при контроле

сложных смесей и выделении из них необходимых составляющих— хромотографические методы. Фотоколориметрический метод рекомендуется для определения микроконцентраций токсичных веществ, для которых нет других анализаторов, а также в прецезионном анализе при проверке газоанализаторов.

При использовании электрохимических методов кондуктометриче-ские могут иметь наибольшую эффективность при контроле БОг, Г^Нз, СБ2 и др. газов, а при контроле сероводорода, хлора, окислов азота более эффективны кулонометрические методы. Дисперсионные спектрофо-тометрические методы эффективны при контроле БОг, N0, N02, СО, СН, Оз и др. газов. Флуоресцентный метод эффективен при контроле БОг, N02, СО. Масс-спектрометрический метод является одним из наиболее точных и чувствительных методов анализа смесей различных веществ на основе разделения ионов с разным соотношением массы иона к его разряду. Из полученного масс-спектра определяются величины масс и относительное содержание компонентов в исследуемой смеси. Метод масс-спектрометрии дает возможность высокоточного анализа веществ на содержание малых примесей. Данный метод эффективен при тарировке промышленных газоанализаторов и при стационарном контроле вредных веществ в ОГ автотранспорта.

Лазерные методы контроля обладают наиболее высокой эффективностью при дистанционном зондировании степени загрязнения атмосферы ОГ автотранспорта. Данные методы контроля газового состава атмосферного воздуха основаны на двух основных принципах: комбинационного рассеяния и резонансного поглощения. При их применении используются уникальные свойства и особенности лазерного электромагнитного излучения, такие как высокая когерентность и монохроматичность, значительная концентрация энергии, а, следовательно, высокая спектральная яркость, возможность управления длительностью импульса и непрерывной перестройкой длины волны излучения в широком спектральном дианазоне, малая расходимость направленного потока излучения. Эти свойства лазера позволили знаительно повысить точность и чувствительность контроля сложных газовых смесей и пбеспечить дистанционный контроль атмосферного воздуха. Для реализации данных методов широкое применение получили лазерные устройства—лидары, содержащие лазерный источник, передатчик с системой контроля интенсивности излучения, приемную систему с оптической и электронной системами приема и обработки поглощенного или рассеянного излучения.

Основным элементом метода является лазер, который может быть твердотелым, жидкостным и газовым. Наибольший интерес представ-

ляют лазеры, обладающие возможностью непрерывной перестройки длины волны излучения в широком спектральном диапазоне. Это твердотельные полупроводниковые и жидкостные лазеры на красителях. Первый тип лазеров не позволяет получить высокие значения мощности, а второй тип имеет невысокую стабильность излучения. В СЗПИ разработаны твердотельные полимерные (на основе кремнийорганики) на красителе лазеры, которые обеспечивают широкополосность и перестройку длины волны в широком спектральном диапазоне, которые могут быть эффективны для большого класса лазерных приборов.

Эмиссионные методы основаны на измерении интенсивности излучения анализируемой газовой смеси. Для анализа используют как спектры теплового излучения, так и молекулярную люминесценцию. Сущность метода состоит в том, что исследуемые молекулы тем или иным способом приводят в состояние оптического возбуждения, а затем регистрируют интенсивность излучения, возникающую при возвращении их в равновесное состояние.

На основе существующих методов контроля вредных выбросов автотранспорта промышленность СНГ и зарубежных стран выпускает различные приборы, необходимые в условиях неблагополучной экологической обстановки. Наиболее перспективными отечественными приборами являются 121ФА01.ФГИ-1, ГАИ-1, ИНА-109, зарубежными— Инфалит-1100,-2000,-4000 (Германия), RI-503AH, GP-450B, RI-412, МЕХА-321 (Япония), Sun 4170 (США). Названные приборы отличаются точностью, простотой обращения, способностью контроля различных газов, компактностью и возможностью использования их в передвижной диагностической лаборатории.

В отечественных приборах для определения СО, СОг и СН в основном используются методы ИК-спектроскопии, для определения концентрации NOx —хемилюнисцентные методы, для контроля дымности пользуются оптическими методами, основанными на снижении интенсивности сигнала, проходящего зону выхлопа в выхлопной трубе автомобиля. Аналогичные методы используются и в зарубежных приборах.

В диссертации проведен анализ и оценка эффективности различных типов газоанализаторов, которые могут быть использованы для контроля вредных веществ в ОГ автотранспорта.

Одним из наиболее эффективных средств контроля и диагностики вредных веществ в ОГавтотранспорта являются передвижные экологические диагностические лаборатории (ПЭДЛ), анализ которых приведен в диссертации.

По результатам анализа современного состояния по контролю вредных веществ в О Г автотранспорта в диссертации были поставлены следующие задачи исследований:

1. Провести выбор и теоретическое обоснование дистанционных и контактных лазеро-оптических методов контроля вредных веществ в ОГ автотранспорта.

2. Создать передвижную экологическую диагностическую лабораторию (ПЭДЛ), разработать методики контроля и диагностики вредных веществ в ОГ автотранспорта для ПЭДЛ.

3. Провести исследования экологического и технического состояния автотранспортных средств по уровню содержания вредных веществ в ОГ, используя ПЭДЛ.

4. Провести экологический контроль транспортных магистралей Санкт-Петербурга по районам.

5. Провести анализ экологического состояния автотранспортных средств различного типа (легкового, грузового, автобусного, карбюраторного, дизельного и др.) по уровню концентрации вредных выбросов в ОГ.

6. Провести анализ экологического состояния транспортных потоков с учетом времени суток и сезона года.

7. Подготовить данные для составления карты загрязнений воздушного бассейна Санкт-Петербурга вредными веществами ОГ автотранспорта.

ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ ОГ АВТОТРАНСПОРТА

Современное состояние средств контроля вредных веществ в атмосфере, как показано в главе 1, характеризуется широким разнообразием и номенклатурой.

Выбор наиболее эффективных средств контроля должен учитывать специфику и особенности источника загрязнения—автомобиля.

При этом, выбор тех или иных средств контроля зависит от следующих видов и этапов контроля:

1. Стационарный контроль автомобиля в условиях автотранспортных предприятий.

2. Полевой контроль автомобиля в эксплуатационных условиях на трассе.

3. Встроенный контроль автомобиля в процессе движения.

4. Интегральный дистанционный контроль загазованности автомагистралей в поперечном направлении.

5. Интегральный дистанционный контроль загазованности автомагистралей в продольном направлении.

Рассмотрим некоторые особенности проведения контроля для данных видов и этапов.

Проведение стационарного контроля позволяет использовать практически любые методы и средства контроля. Наибольщую эффективность по обеспечению точности и достоверности могут дать хроматографические, масспектрометрические, спектральные, лазерные и другие методы и средства, для которых нет необходимости ограничивать массу и габариты, выбор типа источника тока и другое. Стационарный контроль позволяет обеспечить все условия контроля в соответствии с ГОСТом 21393-75 и ГОСТом 17.2.2.03-87. Полевой контроль автомобиля заметно ограничивает выбор методов и средств контроля, при этом основными факторами, которые необходимо учитывать при выборе методов и средств контроля являются следующие:

1. Обеспечение возможности проведения контроля в полевых условиях.

2. Возможность использования автономного питания от аккумулятора.

3. Средства контроля должны быть переносными и транспортабельными.

4. Необходимость периодической калибровки и талировки средств контроля в процессе проведения измерений.

5. Помехозащищенность средств контроля, вызванных сложными и нестабильными климатическими условиями окружающей среды (влажность, температура, солнечная радиация, давление и другое).

6. Наличие эталонных образцов для талировки средств контроля.

Для проведения контроля в полевых условиях наибольшей эффективностью обладают передвижные лаборатории. Которые будут рассмотрены ниже.

В настоящее время в мировой практике все шире начинает использоваться встроенный контроль экологического состояния автотра нспорта. Для решения этой задачи применяются различные сенсорные датчики, которые встраиваются непосредственно в двигатель, топливный бак. в выхлопную трубу и другие части автомобиля, которые ответствен мы за выделение вредных веществ в отработавших газах автомобиля. Все сигналы отдатчиков отрабатываются в встроенной миниЭВМ и в обработанном виде, в цифровой форме выводятся на табло перед водителем, который их анализирует и принимает решение по эффективному управлению подачей топлива в двигатель, составом смеси, скоростью движения автомобиля и другое.

Наибольшей эффективностью для оценки загрязнения атмосферы автомобильным транспортом обладают методы и средства интегрального дистанционного контроля. При этом, контроль может проводится как поперек, так и вдоль автомагистралей. При контроле в поперечном направлении величина дистанции, как правило, имеет неболыцую величину и составляет не более 100 м. (10—100 м). Как было показано в главе 2, наибольшей эффективностью для дистанционного контроля обладают лазерные методы и средства, которые при проведении контроля в поперечном направлении могут иметь в качестве источника излучения маломощные лазеры. Это позволяет создавать малогабаритные и переносные приборы, которые можно использовать для проведения контроля в полевых условиях.

Проведение интегрального дистанционного контроля автомагистралей в продольном направлении требует использования более мощных лазеров, так как величина дистанции при контроле может составлять 1—5 км. Подобные системы контроля могут быть как стационарными, так и передвижными. Стационарные системы могут монтироваться на верхних этажах зданий, расположенных на противоположных концах автомагистралей. Так например, подобную систему можно было бы смонтировать в Санкт-Петербурге на Невском проспекте, Московском проспекте, Вознесенском проспекте и улице Гороховой. При этом, мощное лазерное устройство можно установить на Адмиралтействе, а приемные устройства на верхних этажах зданий, расположенных в противоположных концах от Адмиралтейства на проспектах Невском, Московском, Вознесенском и улице Гороховой. Это позволило бы одновременно определять степень загрязнения атмосферного воздуха практически над всей центральной частью города, а концентрации вредных веществ (СО.СН.СОг.МСЬидругие) показывать в цифровом виде на табло по этим магистралям.

В диссертации основное внимание уделено исследованию полевого и интегрального дистанционного контроля. Данные виды контроля пока не нашли широкого практического применения, поэтому для развития данных видов в диссертации значительное внимание уделяется созданию передвижных экологических диагностических лабораторий для реализации полевого контроля и лазерных методов и средств—для реализации интегрального дистанционного контроля. При этом, полевой контроль направлен на проведение контроля экологического состояния автотранспорта непосредственно на автомагистралях, а интегральный дистанционный контроль направлен на экспрессную оценку степени загрязнения атмосферы ОГ автотранспорта.

ю

Реализация как полевого, так и интегрального дистанционного контроля основана на применении оптических методов контроля.

В приборах полевого контроля для определения концентрации вредных веществ в ОГ используется инфракрасный (ИК) оптический абсорбционный метод. Сущность данного метода основана на прямом поглощении ИК-излучения контролируемым газом.

В соответствии с законом Бугера-Ламберта степень поглощения газом ИК-излучения выражается формулой:

I = Io exp(-acl),

где I—величина прошедшего потока излучения через контролируемую среду на расстоянии 1,1о—величина падающего потока излучения на расстоянии НО, с—концентрация контролируемого газа в исследуемой пробе.

Степень поглощения ИК-излучения зависит от концентрации контролируемой компоненты в газовой смеси (пробе). Каждой компоненте в газовой пробе соответствует своя область поглощения на определенной длине волны излучения, это обеспечивает возможность проведения избирательного контроля отдельных компонентов ОГ, взятых пробоотборником из выхлопной трубы автомобиля. При этом, в приборах реализующих реализующих данный метод, для выделения отдельных спектральных составляющих в ИК-излучении используются интерференционные светофильтры.

Для определения дымности (сажи) ОГ используется метод просвечивания ОГ и измерения их температуры с последующей коррекцией коэфициента пропускания ОГ по значениям температуры и фотометрической базы к нормативным.

В составе передвижной экологической диагностической лаборатории для определения дымности ОГ автотранспорта включен прибор ИНА-109, в котором показания соответствуют значению непрозрачности при фотометрической базе 0,43 м. и температуре ОГ 100*С.

Для контроля окиси углерода СО в состав ПЭДЛ включен прибор ГАИ-1, а для контроля содержания углеводородов СН в ОГ включен прибор ГЛ-1122, в котором с помощью интерференционных фильтров выделяются две длины волны: рабочая— Ар= 3,38 мкм., соответствующая области поглощения СН, и опорная— Ь>= 3,90 мкм., в которой отсутствует поглощение СН и неизмеряемых компонентов.

Для реализации интегрального дистанционного контроля вредных веществ в атмосфере загрязненной ОГ использовались лазерно-оптиче-ские методы и средства контроля. Данные методы основаны на взаимодействии лазерного или оптического излучения в процессе их распространения в атмосферном воздухе.

Распространение оптического излучения в атмосфере сопровождается понижением мощности пучка и появлением рассеянного света. Эти факторы приводят к эффективному ослаблению излучения в направлении распространения, которое описывается законом Бугера. Вводя функцию пропускания участка атмосферы длины И для излучения частоты

где

г) <3г—оптическая толщина участка, этот закон можно представить в виде 1(у,И) = 10(У) Т(уД)

Здесь 1о(у) и 1(у,И)—интенсивность пучка в начале и в конце участка. Величина £(у,г) называется коэффициентом ослабления. Он зависит от природы тех процессов взаимодействия пучка с воздухом, которые приводят к ослаблению излучения. К ним относятся упругое рассеяние лазерного кванта на атмосферном веществе, его неупругие взаимодействия и реакции с химическим составом атмосферы. Коэффициент ослабления определяется в виде

е(У,г) =о(уД)аЬ5+о(г>,11), где а(У,К)аЬ5—коэффициент поглощения излучения газовым составом атмосферы, (2(У,К)—коэффициент рассеяния, характеризующий прозрачность атмосферы в отсутствие поглощения. Важной характеристикой взаимодействия является также коэффициент обратного рассеяния /3(у,г), определяющий долю рассеянной назад ("отраженной") энергии,

/3(у,т) =а(г,г) Ь(г) где Ь(Г)—индикатрисса рассеяния для угла Л или лидарное отношение.

Каждый из упомянутых коэффициентов является аддитивной величиной,

■ 1 г

составляющие которой (Д, Д характеризуются определяющими их процессами, а а*1*—содержанием ^ой газовой компоненты, поглощающей излучение. Информация о концентрации атмосферной составляющей извлекается из результатов измерений соответствующих коэффициентов и данных о микроскопических параметрах таких, как интегральное

сечение 0\ ; о?Ьь и дифференциальное сечение (¿О/бО) для угла 71\ а = N¡01; С^ = N¡0?1* ; Д = ^ {юШ)

Для реализации интегрального дистанционного контроля предлагается лазерное устройство с использованием уголкового отражателя (рис. 1). В зависимости от типа и мощности лазера данное устройство

может быть использовано как в поперечном, так и в продольном направлении относительно автомагистрали.

Рис. 1. Функциональная схема устройства для регистрации загрязнений воздуха по ослаблению лазерного луча с использованием углового отражателя:

1—лазер; 2—полихроматор; 3—оптический многоканальный анализатор; 4—регистрирующее устройство (ЭВМ, самописец и др.); 5—телескоп; б—уголковый отражатель; 7—делительная пластинка.

Используя закон Бугера, интенсивность пучка на приемнике после прохождения расстояния И. до отражателя и обратно, равна

= 1о(ро) т(т) ехрС-^а^оЯ) л-],

где Т(И)И)—функция пропускания участка атмосферы длиной К. В общем случае коефициент поглощения равен

оа>ог) = ^>ог)

и определяется суммарным поглощением всех газовых компонент воздуха. Для того, чтобы определить вклад в поглощение ¿-го вида, необходимо частоту лазерного излучения настроить в резонанс с ее линией поглощения.

Как пассивные методы, так и методы лазерного зондирования в большинстве случаев дают лишь суммарное содержание компоненты вдоль трассы. По характеру измерений такие методы относятся к классу ин-

тегральных методов.При их использовании измеряется количество вещества ¡-го вида на трассе длиной к :

В этом случае получаются статистически достоверные данные о средней плотности контролируемого газа на трассе

Возможная схема эксперимента по данному методу показана на рис. 2. Для улучшения расходимости пучок лазера 1 расширяют при помощи телескопа 5. Уголковый отражатель 6 отражает пучок точно назад. Он попадает на делительную пластинку 7 и с нее через полихроматор 2 на спектрометр (оптический многоканальный анализатор) 3. Результаты измерений выводятся на ЭВМ или на самописец 4. С помощью набора фотодиодов или оптической линейки, установленных в плоскости изображения спектрометра, можно одновременно регистрировать весь спектр лазера, генерирующего на многих линиях. Можно организовать регистрацию таким образом, чтобы одна половина фотодиодов использовалась для регистрации спектра лазера, а другая половина—для регистрации спектра отраженного пучка. Это дает возможность измерять ослабление для всех линий, и следовательно, одновременно получать поданной методике оценки средних концентраций газовых компонент резонансно поглощающих лазерное излучение. Для таких многоцелевых измерений хорошо подходят НР, СОг-СО—лазеры, генерирующие одновременно на многих частотах, а также лазеры на красителях, которые позволяют осуществлять перестройку длины волны или частоты излучения. Подобные твердотельные полимерные лазеры на красителях разработаны в СЗПИ на кафедре приборов и методов контроля качества и лазерной техники.

Активные спектрально-оптические методы дистанционного контроля газового состава ОГоснованы на использовании процессов поглощения, рассеяния и флуоресценции, инициируемых излучением искусственного источника (лампа или лазер) при прохождении через атмосферу. Во многих ситуациях при контроле использовать отражатель не представляется возможным. В этом случае для приема можно использовать отраженный сигнал, возникший в результате взаимодействия лазерного луча с воздушной мишенью—аэрозолем (сажей) или газовой компонентой. Общность геометрии таких измерений, в которых используется импульсный источник излучения и отраженный рассеяный сигнал от контролируемой среды, позволяет выделить данные методы в отдельную группу методов. В данных методах лазер и приемник обратного

Рис. 2. Функциональная схема лидара:

1—импульсное питание; 2—импульсный лазер; 3—оптическая система; 4—телескоп; 5—спектральный анализатор; 6—фотодетекторная система; 7—стробируемый усилитель; 8—линия задержки; 9—стробируемые импульсы; 10—регистрирующее устройство (ЭВМ, самописец и др.); 11—объект контроля (газовая мишень).

сигнала совмещены вместе в лазерном локаторе или лидаре (LIDAR— аббревиатура слов light detection and ranging).

Одним из наиболее эффективных лидарных методов является метод комбинационного рассеяния (КР-метод). Важным преимуществом данного метода является определение абсолютных концентраций газовых компонент путем сравнения интенсивности сигналов обратного рассеяния на контролируемой газовой компоненте и какой-либо основной атмосферной компоненте—азоте (N2) или кислороде (Ог). Это позволяет учитывать геометрический фактор, одинаково влияющий на величину сигналов. Кроме того, коэффициенты ослабления также одинаковы из-за малости величины сдвига комбинационного рассеяния.

В диссертации получено уравнение для определения концентрации конкретной контролируемой компоненты Х(Ю на расстоянии К, которое имеет следующий вид:

^ ' Раз(Я) (сЮ^О)? где РхШ) и Раз(Ю—амплитуды сигналов в пиках КР-линий компоненты X и Ыаз, йСУ^О—значение дифференциального сечения рассеяния.

Использование КР-метода для диагностики атмосферы вдоль автомагистралей весьма перспективно, так как интерпретация данных лазерного зондирования существенно упрощается по сравнению с другими методами, так как позволяет отказаться от калибровки аппаратуры и использования эталонных газов.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ОГ АВТОТРАНСПОРТА НА АТМОСФЕРНЫЙ ВОЗДУХ В САНКТ-ПЕТЕРБУРГЕ

Наибольшее воздействие на экологическое состояние окружающей среды оказывает автотранспорт, при этом основное воздействие он оказывает на атмосферный воздух. Вклад автотранспорта на загрязнение атмосферного воздуха, как установлено многими исследователями в различных странах, составляет более 60% от общего загрязнения промышленными выбросами.

В диссертации приводится краткая характеристика автотранспортных средств, состоящих на учете в Санкт-Петербурге и области, как источника загрязнения атмосферного воздуха. Приводятся количественные и качественные показатели состояния загрязнения воздуха и выбросов в ряде стран и городов мира.

Проанализирована динамика изменения автомобильных выбросов в течение 1985-92 годов в Санкт-Петербурге, экологическое состояние автомобилей, а также результаты экспериментальных исследований по контролю и оценке загрязнения воздуха на автомагистралях города.

Для определения объемов и интенсивности выбросов вредных веществ в атмосферу были проведены исследования состава и интенсивности транспортных потоков на Московском проспекте в декабре 1992 года и в мае-июле 1993 года по результатам которых получена модель распределения интенсивности движения автотранспорта в течение суток, недели и времени года, составлены карты-схемы распределения

транспортных потоков в часы "пик", проведена оценка уровня вредных выбросов автомобилями различных типов. Контроль вредных выбросов проводился по оксиду углерода (СО), диоксиду азота (N0), углеводородам (СН) и сажи в часы максимальной загрузки магистралей автотранспортом. Составлена карта загрязнения атмосферного воздуха в

Рис. 3. Распределение выбросов автотранспорта по территории города.

Санкт-Петербурге вредными выбросами автомобилей на основании результатов контроля и анализа транспортных потоков в течении 19881993 годов (рис. 3).

Для проведения анализа степени загрязнения атмосферного воздуха в городе по уровню предельно-допустимых концентраций (ПДК) были выполнены с использованием ЭВМ расчеты полей максимальных приземных концентраций (рис. 4,5), создаваемых выбросами автотранс-

портных потоков в различных районах города, а также на Московском проспекте и пересечениях улиц Благодатной, Авиационной, Типанова, Ленинском проспекте и др.

: £»С*<»* - ?С1 • г. пзк)

Рис. 4. Распределение максимальных концентраций диоксида азота в районах основных автомагистралей Санкт-Петербурга.

В качестве модели суточного изменения транспортных потоков в городе была принято распределение интенсивности транспортных потоков на Московском проспекте, как наиболее загруженной магистрали города.

Анализ результатов исследований и расчетов интенсивности транспортных потоков на данной магистрали показал, что максимальная

ГМ'ГьСЬ 557 Иг.'ерси егскд

■'-•■.Г:»} Г.!?!« II ' 15000« 1 I С»С! ( I »2» Г

Г

0 '. • !0 20 •120.fi Ьй'Л.1, 2211«!.' ) ^

НОПЕРП ТОЧьК '

" ¿Л СЛ1

с по

¿Т/Т.;:

63

(,0..

?/-'- -

~7 1 |1 с аэк'о.. ЙкйК^

к •■ I . ,

I I Д «. I Ч4 +

I } /г. / ч <— N

' {¡/тЩ^ ¡МтШг-

жш ) ¡\ \\ у/^т*^

04. ^

-0.2 —

I 500О. ,,

К

20

зЬ"

( 2М

ь Ь б! з то

0. С'..)

Рис. 5. Распределение максимальных концентраций оксида углерода в районах основных автомагистралей Санкт-Петербурга.

загруженность магистрали наблюдается в 14-00 часов, в то время как по официально установленным данным считается, что должно быть два пика максимальной нагрузки движения автотранспорта—с 8-00 до 1030 часов и с 16-00 до 18-30 часов. Это объясняется тем, что в расчетах интенсивности движения автотранспорта по часам суток не учитывался индивидуальный транспорт, объем которого в общем объеме автотранспорта составляет около 90%. Также установлено, что по дням недели наиболее загруженный день недели—понедельник, а максимальная нагрузка по месяцам года приходится на июль-август месяцы. В этот период наблюдается максимальное загрязнение атмосферного воздуха в Санкт-Петербурге.

Результаты анализа загрязнения атмосферного воздуха в различных районах Санкт-Петербурга показывают, что загрязнение воздуха оксидом углерода (СО) и диоксидом азота (N02) весьма значительно.

По NO2 общегородская зона с превышением ПДК охватывает более 90% расчетной области и занимает площадь около 300 кв.км., а с превышением 2 ПДК—около 180 кв.км. В центральной части города отмечается зона с превышением 5 ПДК за счет выбросов ОГ автотранспорта на Дворцовом мосту, Невском и Литовском проспектах, ул. Гороховой, наб. Обводного канала, пл. А.Невского. Аналогичные уровни загрязнения характерны для Московского и Ленинского проспектов на расстояниях 200-500 м. от проезжей части магистрали.

Уровни загрязнения воздуха СО меньше, чем NO2, на указанной территории в среднем в 2-2,5 раза. Конфигурация общегородских зон с превышением ПДК совпадают со схемой расположения автомагистралей и распространяются по обе стороны от них до расстояний 0,5-1,0 км. Зона с превышением 2 ПДК по СО располагается в центральной части города и совпадает в основном с зоной превышения 5 ПДК по NO2.

Максимальные значения концентраций отмечаются на проезжей части и тротуарах и достигают 19-24 ПДК по NO2, 9-12 ПДК по СО и 0,3-0,4 ПДК по углеводородам (по бензину).

Выбросы сажи, углеводородов автотранспортом не создают зон с превышением ПДК, однако в непосредственной близости к автомагистрали в отдельных районах достигают 0,3-0,5 ПДК по саже и 0,2 ПДК по СН (пересечение пр. Непокоренных и Пискаревского, мост А.Невского, пр. Обуховской обороны, наб. Обводного канала).

Расчетные величины максимальных приземных концентраций отмечаются в непосредственной близости от проезжей части автомагистралей и достигают по уровню ПДК:

Диоксид азота Оксид углерода Наименование магистрали

12,8 4,5 пр.Энергетиков

21-24 6-8 пересечение пр.Непокоренных и Пискаревского пр.

16-21 10-11 пл.А.Невского

19-23 9-11,5 Краснопутиловская ул.

13-15 8-9 пл. Мужества

26-27,3 7-10 пересечение Большого пр. и Кировского пр.

18-21 5-6 пр.Славы

36-39 8-10 пересечение Московского и Ленинского пр. 1

17-18 11-12 наб. Обводного канала 1

Полученные результаты показывают, что транспортная нагрузка на магистралях города превышает допустимые уровни воздействия на атмосферный воздух и нормативы выбросов автотранспортных потоков на конкретных магистралях могут рассматриваться только как временно согласованные выбросы (ВСВ).

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ АВТОТРАНСПОРТА В САНКТ-ПЕТЕРБУРГЕ

В результате выполненных исследований по контролю состояния атмосферного воздуха в Санкт-Петербурге, анализа результатов работ других организаций (ГГО им.Воейкова, НИИ атмосферного воздуха, НИИ автотранспорта, Центра Экологической безопасности РАН и др.) разработаны следующие рекомендации по обеспечению экологической безопасности автотранспорта. Данные рекомендации разделены на 5 групп по различным направлениям:

1. Совершенствование автомобиля и автомобильных двигателей.

2. Совершенствование топлива, его контроль качества и замена дру-1ми видами энергии.

3. Контроль экологического состояния автомобилей, автопредприя-ш и атмосферного воздуха.

4. Организационно-технические мероприятия.

5. Градостроительные мероприятия и качество городских дорог.

В диссертации рассмотрены рекомендации по всем 5 группам, однако ;есь приведены рекомендации только третьей группы, которые вклю-зют следующее:

создать природоохранное подразделение ГАИ для контроля экологической безопасности автотранспорта, создав в каждом районе города мобильные передвижныеэкологические диагностические лаборатории ГАИ, провести курс обучения персонала данных лабораторий, обеспечить регулярный контроль за токсичностью и дымностью автотранспорта непосредственно на автопредприятиях через сеть постов контроля, на городских автомагистралях, в т.ч. транзитных, проходящих через город,

организовать центры сервисного обслуживания автохозяйств и индивидуальных владельцев автотранспорта по обеспечению экологического контроля, ремонта и регулирования систем автомобиля, по сдаче в аренду, ремонту и поверке газоаналитической аппаратуры, создать постоянно действующие лидарные станции по непрерывному контролю за загрязнением атмосферного воздуха вдоль наиболее напряженных автомагистралей города,

организовать сеть городских постов ГАИ на въезде (выезде) в город по контролю и регулированию автотранспорта по токсичности и дымности,

организовать разработку и выпуск многокомпонентных приборов по контролю вредных веществ в ОГ автотранспорта.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен выбор и теоретическое обоснование контактных и дис-шционных лазерно-оптических методов и средств контроля вредных :ществ в ОГ автотранспорта.

2. Получены расчетные зависимости в которых концентрация конт->лируемого газа пропорциональна отношению амплитуд сигналов в 1ках линий комбинационного рассеяния соответствующих искомому

газу и молекулярному азоту, концентрация которого в атмосфере известна и постоянна.

3. Определены этапы и виды контроля ОГ автотранспорта. Показана важность полевого и интегрального дистанционного контроля для оценки локальной и общей загрязненности атмосферы ОГ автотранспорта.

4. Разработаны методики контроля угарного газа (оксида углерода), углеводородов (бензина) и сажи (дымность) в ОГ автотранспорта при работе в условиях передвижной экологической диагностической лаборатории.

5. Созданы ряд передвижных экологических диагностических лабораторий (ПЭДЛ) для работы на автомагистралях города и сельской местности на базе микроавтобусов РАФ и УАЗ. Данными лабораториями оснащены районные ГАИ, в которых наблюдается наиболее высо-коая интенсивность движения автотранспорта и загрязнение атмосферы.

6. В результате обследования экологического состояния автотранспорта с помощью ПЭДЛ выявлено 35% автомобилей с превышением ' норм токсичности и дымности в О Г.

7. Проведен анализ экологического состояния городских магистралей и транспортных потоков с учетом времени суток, дней недели и месяцев года. Установлено, что максимальная интенсивность транспортных потоков в течение суток наблюдается в 14-00 часов, в течение недели—в понедельник, а в течение года—в июле-августе месяце. Показано, что вместо двухпиковой максимальной суточной интенсивности движения автотранспорта наблюдается только один пик, приходящийся на 14-00 часов.

8. По результатам исследований составлены карты загрязнения атмосферного воздуха в наиболее неблагополучных районах города, а также карта загрязнения атмосферного воздуха автотранспортом в городе Санкт-Петербурге.

9. Выявлены зоны значительного превышения предельно-допустимых концентраций (ПДК) оксида углерода—в 2 раза и диоксида азота—в 5 раз, которые расположены в центральной части города.

10. Максимальные значения концентраций наблюдаются на проезжей части и тротуарах и достигают 19-24 ПДК по диоксиду азота и 9-12 ПДК по оксиду углерода.

11. Выбросы сажи и углеводородов (по бензину) не создают зон с превышением ПДК.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Хватов В.Ф.,Потапов А.И. Методы и приборы контроля вредных выбросов автомобилей в составе передвижной диагностической лаборатории. Л., ЛДНТП, 1990, 32 с.

2. Хватов В.Ф., Шахвердова Т.М., Гармаш C.B. и др. Экологический атлас Санкт-Петербурга. Карта загрязненности атмосферного воздуха. Л., Мониторинг, 1992.

3. Хватов В.Ф. Контроль вредных выбросов автотранспорта. Санкт-Петербург, Изд-во Международного фонда истории науки, 1993, 12 с.

4. Потапов А.И.,Буренин Н.С.,Хватов В.Ф. Экологическая опасность автотранспорта в Санкт-Петербурге. Санкт-Петербург, Изд-во Международного фонда истории науки, 1994.

5. Потапов А.И., Хватов В.Ф. Лазерно-оптические методы и средства контроля и диагностики вредных веществ в отработавших газах автотранспорта. Санкт-Петербург, Изд-во Международного фонда истории науки,1994.