способ определения загрязнения окисью углерода приземного слоя атмосферы автотранспортными средствами

Формула изобретения

Способ определения загрязнения окисью углерода в приземном слое атмосферы автотранспортными средствами, включающий создание опорного и измерительного каналов, измерение их параметров путем зондирования оптическим потоком приземного слоя атмосферы и последующую обработку измерений, отличающийся тем, что в опорном канале с помощью математической модели идеальной атмосферы рассчитывается проекция на земную поверхность траектории наблюдения

L ₀=(е, Р, Т, h₀, ₀),

где е - парциальное давление водяного пара, Р - атмосферное давление, Т - температура воздуха в приземном слое, h₀ - высота наблюдателя, ₀ - угол наблюдателя; в измерительном канале при тех же метеорологических и технических условиях измеряется проекция на земную поверхность траектории наблюдения в реальной атмосфере, а величина концентрации окиси углерода находится из разности между проекциями на земную поверхность траекторий наблюдения.

Описание изобретения к патенту

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

Известен способ определения наличия газов в атмосфере, в частности, окиси углерода [1]. Способ осуществляется путем зондирования эталонной пробы атмосферы с известным содержанием концентрации газа СО (опорный канал) и пробы исследуемой атмосферы (измерительный канал) лучами инфракрасного диапазона фиксированной мощности с последующим контролем уровня их поглощения в обеих средах. Наличие газа СО в измеряемой атмосфере вычисляется по разности измеряемых величин поглощения мощности зондирующего оптического потока в эталонной и исследуемой атмосферах.

Недостатком известного способа является сложность формирования проб эталонной и исследуемой атмосфер. Повышение чувствительности данного способа требует создания определенного соотношения концентраций в пробах. Кроме этого способ отличается малой оперативностью в производстве.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ измерения дальности видимости в приземном слое атмосферы, реализуемый в устройстве для измерения прозрачности атмосферы [2], в котором одновременно измеряется замутненность атмосферы на двух фиксированных базах L₁ и L₂.

Способ осуществляется путем зондирования приземного слоя атмосферы оптическим потоком фиксированной мощности, который отражается специальными отражателями на двух фиксированных базах L₁ и L₂, причем L₁<L₂. Изменения интенсивности потока зондирующего луча на большой базе L₂ дает информацию о степени замутненности атмосферы и наличия СО, как наиболее сильно влияющего на потери оптической мощности зондирующего сигнала из газов, выбрасываемых автотранспортными средствами. Фактически реализуется измерительный канал способа. Результаты обработки измерений на малой базе L₁, которые фактически реализуют опорный измерительный канал, при сравнении с результатами на большой базе L₂ позволяют оценить наличие СО в приземном слое атмосферы.

К недостатку способа следует отнести низкую его точность при малых концентрациях СО в атмосфере, поскольку степень его влияния на замутненность атмосферы достаточно мала по сравнению, например, с водяным паром в условиях большой влажности.

Общим недостатком известных способов является сложность в организации измерительной схемы и низкая чувствительность к измеряемому параметру - окиси углерода.

Следовательно, задача изобретения состоит в достижении оперативности в производстве способа измерения параметра окиси углерода и обеспечении достаточной его чувствительности.

Предлагаемый способ определения загрязнения окисью углерода приземного слоя атмосферы автотранспортными средствами состоит в том, что первоначально по данным метеорологических наблюдений и технических условий зондирования наклонной дальности видимости с помощью математической модели идеальной атмосферы рассчитывается проекция на земную поверхность траектории наблюдения

где е - парциальное давление водяного пара; Р - атмосферное давление; Т - температура воздуха в приземном слое; h₀ - высота наблюдателя; ₀ - угол наблюдателя. Данные вычисления по результатам измерений определяют опорный канал в заявляемом способе.

На втором этапе при тех же метеорологических и технических условиях измеряется проекция на земную поверхность траектории наблюдения с учетом влияния окиси углерода на показатель преломления приземного слоя атмосферы. Данные измерения определяют измерительный канал в заявляемом способе. По экспериментальным данным [3] именно окись углерода оказывает доминирующее влияние на показатель преломления приземного слоя атмосферы.

Величину концентрации окиси углерода находят из разности между значениями проекции на земную поверхность траектории наблюдения при идеальной и реальной атмосферах.

Общими для заявляемого способа и прототипа являются следующие признаки:

- наличие опорного и измерительного каналов в приземном слое атмосферы, параметры которых определяются путем зондирования оптическим потоком;

- последующая обработка измерений.

Отличительными от прототипа являются следующие признаки:

- в опорном канале с помощью математической модели идеальной атмосферы рассчитывается проекция на земную поверхность траектории наблюдения

где е - парциальное давление водяного пара; Р - атмосферное давление; Т - температура воздуха в приземном слое; h₀ - высота наблюдателя; ₀ - угол наблюдателя;

- в измерительном канале при тех же метеорологических и технических условиях измеряется проекция на земную поверхность траектории наблюдения в реальной атмосфере;

- величина концентрации окиси углерода находится из разности между проекциями на земную поверхность траекторий наблюдения.

Сущность заявляемого способа определения загрязнения окисью углерода в приземном слое атмосферы автотранспортными средствами раскрывает чертеж.

Известно, что в идеальной атмосфере (концентрация окиси углерода С_СO=0) преломляющие свойства приземного слоя атмосферы определяются водяным паром. При этом проекция на земную поверхность траектории наблюдения 1 будет равна L₀, если наблюдатель располагается на высоте h₀ и осуществляет наблюдение под углом ₀, и имеет следующую функциональную зависимость:

где n₀ - показатель преломления атмосферы в приземном слое; е - парциальное давление водяного пара; Р - атмосферное давление; Т - температура воздуха в приземном слое.

Наличие окиси углерода в атмосфере приземного слоя (С_СО 0) существенно влияет на показатель преломления атмосферы, что вносит соответствующие изменения в проекцию на земную поверхность траектории наблюдения. Фактическая проекция на земную поверхность траектории наблюдения 2 будет равна L_изм и при этом имеет следующую функциональную зависимость:

где n - показатель преломления атмосферы в приземном слое с учетом влияния окиси углерода, С_СО - концентрация окиси углерода в атмосфере приземного слоя.

Информация о наличии окиси углерода в приземном слое может быть вычислена из разности между проекциями на земную поверхность траекторий наблюдения:

при условии, что параметры е, Р, Т, h₀, ₀ - в процессе исследований не изменялись и являлись постоянными.

В итоге найденная разность L~С_СО, т.е. пропорциональна величине концентрации окиси углерода, которая может быть откалибрована в соответствующих единицах измерения.

Рассмотрим пример конкретного осуществления предлагаемого способа.

Для проверки способа использовалась измерительная схема в составе лазерного теодолита, размещенного на штативе высотой 1,0 метр с таким углом наблюдения, что проекция на земную поверхность траектории наблюдения составляла 100,0 метров при отсутствии загрязнения окисью углерода (С_CO =0). При этом фиксировались метеорологические параметры Р и Т у поверхности земли и на высоте 1 метр.

В качестве источника загрязнения окисью углерода использовался грузовой автомобиль с бензиновым двигателем, который располагался на удалении 105,0 метров от наблюдателя так, что выхлопные газы автомобиля направлялись по ветру в сторону наблюдателя.

Измерения выполнялись в полном соответствии с заявляемым способом. При этом проекция на земную поверхность траектории наблюдения уменьшилась на конкретную величину L=0,863 метра.

Контрольная проба загрязнений, создаваемых работающим автомобилем с помощью газоанализаторов 121 ФА-01 и 123 ФА-01, показала, что доля окиси углерода во много раз превышает составляющую углеводородов на номинальных режимах работы бензинового двигателя. Последнее подтверждает возможность выявления искомой зависимости с помощью заявляемого способа.

Использование заявляемого способа позволяет оперативно получать информацию о наличии загрязнений окисью углерода приземного слоя атмосферы автомобильным транспортом на базе стандартных приборов и применять, например, при организации экологического мониторинга автомобильных трасс и дорог в крупных промышленных центрах.

Источники информации

1. Федорова А.И., Никольская А.Н. Практикум по экологии и охране окружающей среды: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. - М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2001. - 288 с. - с.196.

2. SU 382037 “Устройство для измерения прозрачности атмосферы”, МКИ G 01 W 1/00, G 01 N 21/22, заявл. 23.08.1971, опубл. 22.05.1973, Бюл. №22. Авторы изобретения: В.Е.Карпуша, Р.А.Круглов, М.С.Стернзат и С.Д.Плинте. Заявитель - Главная геофизическая обсерватория им. А.И.Воейкова.

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