автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Многоканальные переносные инфракрасные газоанализаторы для контроля транспортных выбросов

Введение

1. Актуальность темы

2. Цели работы

3. Научная ценность

4. Практическая ценность

5. Реализация в промышленности

6. Апробация работы

7. Положения, выносимые на защиту

ГЛАВА

Приборы и методы контроля выбросов автотранспорта (обзор)

1.1 Предельно допустимые значения содержания вредных веществ 9 в выбросах автомобильного транспорта

1.2. Общая характеристика оптико - абсорбционного метода газо- 12 вого анализа

1.3 Инфракрасные газоанализаторы с газонаполненными прием- 14 никами излучения

1.4 Инфракрасные газоанализаторы с неселективными приемни- 16 ками излучения

1.5 Характеристики отечественных и зарубежных газоанализато- 27 ров для контроля транспортных выбросов

Выводы главы

ГЛАВА

Моделирование и оптимизация метрологических характеристик аналитических каналов ИК - газоанализаторов для контроля транспортных выбросов

2.1 Анализ статических характеристик оптического канала недис- 41 персионного инфракрасного газоанализатора

2.2 Выбор структурной схемы и методики выбора параметров ана- 61 логического канала газоанализатора для контроля транспортных выбросов.

2.3 Модель погрешности аналитического канала газоанализатора

2.4 Анализ метрологических характеристик аналитического канала

Выводы главы

ГЛАВА

Разработка двухкомпонентного ИК - газоанализатора для контро- 78 ля транспортных выбросов

3.1 Качественные показатели газоанализаторов для контроля 79 транспортных выбросов

3.2 Выбор технического и алгоритмического обеспечения двух- 80 компонентного ИК газоанализатора для контроля транспортных выбросов

3.3 Экспериментальное исследование характеристик двухкомпо- 88 нентного ИК газоанализатора

3.4 Результат разработки двухкомпонентного инфракрасного газо- 92 анализатора

Выводы главы

ГЛАВА 4.

Разработка пятикомпонентного газоанализатора для контроля транспортных выбросов

4.1 Выбор структурной схемы и параметров настройки многокомпонентного ИК газоанализатора

4.2 Выбор параметров спектральной настройки газоанализатора

4.3 Исследование метрологических характеристик газоанализатора

4.4. Результаты разработки многокомпонентного газоанализатора

4.5. Газоанализатор для контроля С02 в дыхательных смесях баро- 130 камер

4.6. Перспективы улучшения метрологических характеристик газоанализаторов для контроля транспортных выбросов.

Выводы главы

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Актуальность темы

Выбросы автотранспортных средств являются в настоящее время одним из основных источников загрязнения воздушной среды. Так, например в московском мегаполисе они обуславливают более 80 % загрязнений атмосферы. В этой связи требования к составу отработанных газов автомобилей постоянно ужесточаются. Так по нормам "EURO-HI" предельные концентрации выбросов токсичных компонентов к 2005г. должны быть ниже действующих в настоящее время в ЕС норм "EURO-II" для углеводородов на 40 %, окиси углерода на 30 %, окислов азота на 40 % и т.д.

Ужесточение требований к источникам загрязнений требует в свою очередь совершенствования метрологических и эксплуатационных характеристик средств контроля выбросов автомобильного транспорта.

2. Цели работы

Основной целью работы является создание многокомпонентных переносных импортозамещающих ИК - газоанализаторов для контроля транспортных выбросов с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками, отвечающих требованиям международных стандартов.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи: S Построить модели метрологических характеристик оптических и аналитических каналов многокомпонентных оптико - абсорбционных газоанализаторов для контроля транспортных выбросов; S Определить и исследовать основные источники погрешностей ИК -газоанализаторов;

S Осуществить структурную и параметрическую оптимизацию аналитических каналов ИК - газоанализатора на основе метрологических показателей;

S Разработать на основе полученных результатов многоканальные переносные микропроцессорные импортозамещающие ИК - газоанализаторы для контроля транспортных выбросов, отвечающих требованиям евростандар-тов.

3. Научная ценность

1) Модели метрологических характеристик оптического и аналитического каналов ИК газоанализаторов, учитывающих влияние основных параметров прибора и неинформативных параметров анализируемой среды.

2) Обоснование выбора структуры и параметров аналитических каналов ИК газоанализаторов для контроля транспортных выбросов на основе точностных показателей.

3) Методика выбора параметров спектральной настройки аналитического канала С02 с центра на край полосы поглощения С02 многокомпонентного ИК газоанализатора, позволяющая уменьшить на порядок нелинейность статической характеристики канала при незначительном уменьшении глубины модуляции зондирующего потока.

4) Методика коррекции функции преобразования аналитического ИК канала газоанализатора без применения поверочных газовых смесей в процессе длительной эксплуатации за счет имитации поглощения излучения анализируемым газом контролируемым изменением яркости ИК источника излучения.

4. Практическая ценность

На основе проведенных исследований осуществлен выбор технического и алгоритмического обеспечения аналитических каналов и разработаны с участием автора следующие многокомпонентные переносные ИК газоанализаторы:

- двухкомпонентный ИК газоанализатор «Автокедр-М» (каналы СО,

СИ), отвечающий требованиям ГОСТ Р 51832-01 и использующийся б для контроля транспортных выбросов и диагностики карбюраторных двигателей органами экологического контроля и станциями техобслуживания;

- пятикомпонентный переносной безобтюраторный импортозамещающий газоанализатор «Инфралайт-МК» (каналы СО, СН, С02), отвечающий требованиям ГОСТ Р 51832-01 и "EURO-II" и предназначенный для контроля транспортных выбросов и диагностики карбюраторных двигателей органами экологического контроля и станциями техобслуживания;

- двухкомпонентный ИК газоанализатор КАГВ (канал С02), сходный по принципу действия с предыдущими двумя приборами, но предназначенный для измерения кислорода и углекислого газа в дыхательных смесях и газовых средах барокамер, и разработанный по заказу ВМФ.

Разработанные газоанализаторы позволяют осуществить контроль и диагностику карбюраторных двигателей автомобилей, что имеет большое значение для мегаполисов.

5. Реализация в промышленности

1) Изготовлена опытная партия газоанализаторов «Автокедр-М» в количестве 60 шт. Изготовленные газоанализаторы эксплуатировались органами Московской Экологической Полиции в качестве проверочного средства и в жестких условиях эксплуатации работали достаточно стабильно. Этот прибор также продавался частным порядком различным организациям. Прибор включен в Госреестр под №16965-98.

2) Изготовлена опытная партия пятиканальных газоанализаторов «Инфралайт-МК» в количестве 10 шт. Прибор включен в Госреестр под №2062300.

3) Изготовлено 3 опытных образца газоанализатора КАГВ. Прибор прошел успешно Госиспытания, принят на снабжение в ВМФ РФ и запланирован к выпуску на 2003г. Прибор включен в Госреестр под №22379-02.

6. Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Конференции молодых специалистов НПО «Химавтоматика» имени академика Феста Н.Я. (Москва, 2001 г) и на Международной конференции по вопросам инженерной экологии МГУИЭ (Москва, 2002г).

7. Положения, выносимые на защиту

1) Модели метрологических характеристик аналитических каналов ИК газоанализаторов для контроля транспортных выбросов и их экспериментальное подтверждение;

2) Выбор структуры и параметров аналитических каналов, а также технического и алгоритмического обеспечения ИК газоанализаторов для контроля транспортных выбросов на основе точностных показателей;

3) Многокомпонентные переносные ИК газоанализаторы для контроля транспортных выбросов «Автокедр-М» и «Инфралайт-МК» и их внедрение в народное хозяйство.

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

В работе изложены научно-обоснованные технические решения по созданию методического, аппаратурного, алгоритмического и метрологического обеспечения газоаналитических средств контроля выбросов автотранспорта, разработаны и внедрены в народное хозяйство многокомпонентные переносные микропроцессорные ИК газоанализаторы с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками. В том числе:

1) Построены модели метрологических характеристик оптического и аналитического каналов ИК газоанализаторов, учитывающие влияние основных параметров прибора и неинформативных параметров анализируемой среды.

2) Обоснован выбор структурной схемы аналитического канала, сочетающей свойства дифференциальной схемы и схемы отношения и позволяющей эффективно (более чем на порядок) подавлять аддитивные и мультипликативные составляющие погрешности.

3) Осуществлена параметрическая оптимизация аналитического канала на основе метрологических показателей.

4) Теоретически и экспериментально обоснованна методика выбора параметров спектральной настройки аналитического канала С02 многокомпонентного ИК газоанализатора, заключающаяся в перестройке спектральной характеристики канала с центра на край полосы поглощения С02, что позволяет на порядок уменьшить нелинейность статической характеристики канала при незначительном уменьшении глубины модуляции зондирующего потока.

5) Обоснованна методика коррекции функции преобразования аналитического ИК канала газоанализатора за счет имитации поглощения излучения анализируемым газом контролируемым изменением яркости ИК источника излучения, что позволяет в процессе длительной эксплуатации обходиться без применения поверочных газовых смесей в баллоне.

6) На основе проведенных исследований осуществлен выбор технического и алгоритмического обеспечения аналитических каналов и разработаны с участием автора следующие многокомпонентные переносные ИК газоанализаторы:

- двухкомпонентный ИК газоанализатор «Автокедр-М» (каналы СО, СН), отвечающий требованиям ГОСТ Р 51832-01 и использующийся для контроля транспортных выбросов и диагностики карбюраторных двигателей органами экологического контроля и станциями техобслуживания;

- пятикомпонентный переносной безобтюраторный импортозамещающий газоанализатор «Инфралайт-МК» (каналы СО, СН, С02), отвечающий требованиям ГОСТ Р 51832-01 и "EURO-II" и предназначенный для контроля транспортных выбросов и диагностики карбюраторных двигателей органами экологического контроля и станциями техобслуживания;

- двухкомпонентный ИК газоанализатор КАГВ (канал С02), сходный по принципу действия с предыдущими двумя приборами, но предназначенный для измерения кислорода и углекислого газа в дыхательных смесях и газовых средах барокамер, и разработанный по заказу ВМФ.

7) Разработанные газоанализаторы выдержали все виды испытаний и включены в Госреестр («Автокедр-М» включен в Госреестр под №16965-98, «Инфралайг-МК» включен в Госреестр под №20623-00, КАГВ включен в Госреестр под №22379-02). Газоанализаторы изготавливаются опытными партиями в количестве от 10 до 60 шт. в зависимости от типа прибора.

1. BurchD.E., GryvnakD.A., Williams D. Total absorption of Carbon Dioxid in Infrared. Applied Optics, N 6, 1972, vol.1.

2. Burch D.E., Singleton E.B., Williams D. Absorption in the Infrared. Applied Optics, N3, 1962, vol. 1, p.359.

3. International Recommendation OIML R99. Edition 1998 (E).

4. A.B. Бурыкин, В.П. Агафонов, В.В. Зайкин, И.В. Кораблев. Инфракрасные газоанализаторы для контроля выбросов автотранспорта.//Труды МГУ-ИЭ: Сборник статей аспирантов и студентов. М.: МГУИЭ, 1999 - Том IV. с. 45-51.

5. Арутюнов В.О. Электрические измерительные приборы и измерения. -Л.: Госэнергоиздат, 1958.-248 с.

6. Бойко В.В., Кораблев И.В., Рылов В.А. О повышении стабильности од-нолучевого ИК газоанализатора. М.: НИИТЭХИМ, в сб.ст. «Автоматизация химических производств», вып. 5, 1969. - стр. 86-97.

7. Борисович Н.А. и др. Инфракрасные фильтры Минск.: Наука и техника, 1971.

8. Бреслер П.И. Поглощение радиации в колебательно-вращательных полосах некоторых газов. М.: «Оптика и спектроскопия», 1958,- стр.135.

9. Бреслер П.И. Элементы теории и расчета оптико-акустических газоанализаторов на основе некоторых закономерностей поглощения инфракрасной радиации газами. -М.: ЦИНТИЭлектропром, в кн. "Автоматические газоанализаторы", 1961. стр.21.

10. Бурыкин А.В. Основные источники погрешностей и способы их компенсации в инфракрасных газоанализаторах для контроля выбросов авто-транспорта.//Конференция молодых специалистов НПО «Химавтомати-ка», посвященная памяти Фесты Н.Я. М. 2001.

11. Бурыкин А.В., Кораблев И.В. Оптимизация метрологических погрешностей характеристик многокомпонентного газоанализатора для контроля транспортных выбросов.//Международная конференция по вопросам инженерной экологии. МГУИЭ; 2002г, г. Москва.

12. В.К. Новик, Н.Д. Гаврилова, Н.Б. Фельдман. Пироэлектрические преобразователи. -М.: Сов. Радио, 1979, 176с., ил.

13. Герасимов Б.И. Проектирование аналитических приборов для контроля состава и свойств веществ. М.: Машиностроение, 1984,- 36с.

14. Герасимов Б.И., Кораблев И.В., Козлов В.Р., Мищенко С.В. Методы и приборы экологического мониторинга. Тамбов: 1996. - стр.39.

15. Горе лик Д.О. Метрологическое обеспечение газоаналитических измерений. М.: Изд-во стандартов, 1976,- 72 с.

16. ГОСТ 13320-81. Приборы газоаналитические промышленные автоматические непрерывного действия. Типы и основные параметры. Технические требования. М.: Изд-во стандартов: 1981.

17. ГОСТ Р 51832-2001. Экологические требования к автомобилям с бензиновыми двигателями. М.: Изд-во стандартов: 2001.

18. Гуди P.M. Атмосферная радиация .4 5. Основы теории М.: Мир, 1966.

19. Зуев В.Е., Творогов С.Д. Некоторые замечания о моделях спектров поглощения. -М.: Изв.ВУЗов, Физика, : т.4, 1966. стр.25-30.

20. Исследование нелинейных статических характеристик газоаналитических преобразователей: Методические указания / Сост. Рылов В.А., Гальцова Г.А., Анцупова Н.Ю.; Под ред. Кораблева И.В. М. МГУИЭ, 1999.

21. Каталог "Dallas Semiconductor" (США), 1996.

22. Коллеров Д.К. Метрологические основы газоаналитических измерений. -М.: Изд-во стандартов, 1965. 172 с.

23. Контроль химических и биологических параметров окружающей среды. Под редакцией Исаева JI.K. С-Пб, Эколого-аналитический информационный центр «Союз», 1998, 896с.

24. Кораблев И.В. Расчет и проектирование автоматических средств контроля технологических процессов. Уч. пособие М.: МИХМ, 1985, 84с.

25. Ъ2.Крикскунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. -М.: Сов. Радио, 1987. 400с., ил.

26. Моделирование метрологических характеристик о дно лучевых оптико-акустических газоанализаторов: Методические указания / Сост.: Рылов В.А., Гальцова Г.А., Анцупова Н.Ю.; Под ред. Кораблева И.В. М.: МГУИЭ. 1998.

27. Новицкий П.В. Основы информационной теории измерительных устройств. JL: Энергия, 1968. - 348 с.

28. ЗЗ.Онигценко A.M. Оптимизация приборов для контроля состава веществ. -М.: «Машиностроение», 1990,- 304 с.

29. Павленко В.А. Газоанализаторы. -М.: "Машиностроение", 1965,- 112 с.

30. Проспект фирмы "S.A. Environment" (Франция), 2000.

31. Проспект фирмы "Оптэк" (Россия), 2001.

32. Салль А.О. Инфракрасные газоаналитические измерения. -М.: Издательство стандартов, 1971. 100 с.41 .Солодов А.В. Теория информации и ее применение к задачам автоматического управления и контроля. М.: "Наука", 1967,- 75 стр.

33. СташинВ.В., Урусов А.В., Мологонцева О.Ф. Проектирование цифровых устройств на однокристалльных микроконтроллерах. М.: "Энергоатом-издат", 1990.