Мухамадиев А.А.

Уфимская государственная академия экономики и сервиса, Россия

Солодовников А.В.

Уфимский государственный нефтяной технический университет, Россия

д.т.н Ураксеев М.А.

Уфимский государственный авиационный технический университет, Россия

Информационно – измерительная система атмосферного

мониторинга на базе акустооптического газоанализатора

В условиях постоянного ухудшения экологической обстановки, особенно в промышленно – развитых регионах, важнейшее значение приобретает создание и совершенствование методов и технических средств мониторинга уровня загрязнения вредными веществами окружающей среды и, в частности, воздушного бассейна.

Проблема создания информационно – измерительных систем атмосферного мониторинга уже многие годы находится в центре внимания разработчиков. Во многих промышленных центрах созданы стационарные и мобильные станции контроля параметров атмосферы. При этом в качестве первичных преобразователей применяются газоанализаторы, выполненные на основе различных физических явлений: механических, тепловых, электрических, магнитных, оптических, на основе методов хроматографии и масс – спектрометрии.

Однако, существующие информационно – измерительные системы атмосферного мониторинга, основанные на перечисленных методах и физических принципах, не в полной мере отвечают непрерывно возрастающим требованиям по точности и динамическому диапазону измерений, номенклатуре контролируемых ингредиентов, обеспечению возможности проведения дистанционных измерений и другим характеристиками. Указанные обстоятельства выдвигают задачу совершенствования применяемой аппаратуры путем разработки новых конструкций газоанализаторов на не традиционных физических принципах, обладающих значительными потенциальными ресурсами улучшения эксплуатационных характеристик.

В связи с этим представляет научный и практический интерес создание информационно – измерительных систем атмосферного мониторинга на базе акустооптических газоанализаторов (рисунок 1).

1 – источник излучения; 2 – исследуемая среда; 3 – акустооптический перестраиваемый фильтр; 4 – фотоприемник; 5 – дифрагированный луч; 6 – звуковые волны; 7 – пьезоэлектрический преобразователь; 8 – управляющий сигнал; 9 - компьютер

Рисунок 1 – Принцип действия акустооптического газоанализатора

Газоанализатор работает следующим образом. Источник излучения 1 создает световое излучение, падающее на исследуемую среду 2. Вышедший луч попадает на акустооптический перестраиваемый фильтр 3, в котором пьезоэлектрическим преобразователем 7 за счет подачи на него управляющего сигнала 8 создается бегущая дифракционная решетка 6. В выходной плоскости акустооптический перестраиваемый фильтр установлен фотоприемник 4, сигнал с которого оцифровывается и поступает в компьютер 9 для дальнейшей обработки. В процессе обработки спектр излучения, сравнивается со спектром источника, в результате чего выявляются изменения, обусловленные поглощением излучения газовыми компонентами атмосферы. Поскольку каждый газ имеет свой индивидуальный спектр поглощения, анализ изменений спектра позволяет идентифицировать поглощающие газы и определять их концентрации.

Основным элементом, благодаря которому достигаются основные преимущества акустооптического газоанализатора, является акустооптический перестраиваемый фильтр.

Акустооптический перестраиваемый фильтр основан на акустооптическом эффекте и используется для выделения из светового луча с широким спектром, составляющей с узким спектральным диапазоном и для перестройки центральной волны этого диапазона в соответствии с управляющим сигналом.

Сравнительный анализ показывает, что акустооптические газоанализаторы по многим параметрам превосходят традиционные устройства газового анализа.

Достоинства акустооптического газоанализатора, связаны с тем, что акустооптический перестраиваемый фильтр [1-3] заменяет движущиеся элементы конструкции (зеркала, призмы и т.п.), очевидны: быстродействие (исключена инерционность механических элементов); надежность (нет перемещений, следовательно, нет трения и вызванных им поломок); точность (нет люфтов, малая чувствительность к вибрации); возможность измерения в реальном масштабе времени; миниатюрность (можно выполнить стационарную систему в переносном варианте); многофункциональность (обладает рядом новых свойств, например, управляемостью характеристик); быстродействие [4].

Важнейшим преимуществом акустооптического монохроматора, в качестве которого используется акустооптический перестраиваемый фильтр, является немеханическая настройка на фиксированные длины волн без каких – либо промежуточных состояний. Это существенно уменьшает время измерений за счет накопления только информационно - значимых данных, и увеличивает достоверность и точность результатов.

Технология измерения, основанная на применении акустооптического монохроматора, обеспечивает решающие преимущества при количественном определении газообразных веществ: возможность измерения до 40 загрязнителей (, , , бензол, толуол, фенол, ксилол и др.); одновременное измерение до 10 загрязнителей; измерение в нескольких точках или на нескольких трассах; оперативная выдача протокола результатов контроля на печать [5].

Таким образом, использование акустооптического газоанализатора в качестве первичного преобразователя позволит улучшить функциональные характеристики информационно – измерительных систем атмосферного мониторинга.

Литература:

1.Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. – М.: Радио и связь, 1985. – 280 с.

2.Клудзин В.В. Акустооптические устройства обработки сигналов. С – Пб.: БГТУ, 1997. - 62 с.

3.Магдич Л.Н., Молчанов В.Я. Акустооптическое устройство и их применение. М.: Советское радио, 1978. - 112 с.

4.Zajtsev A.K., Kludzin V.V., Sokolov V.K. Gas analyzer based on acoustooptic tunable filter // International Workshop "Results of Fundamental Research for Investmen"( IWRFRI’2000),2000,Санкт-Петербург, Россия.

5.Патент РФ № 51742 на ПМ. Газоанализатор / Мухамадиев А.А., Ураксеев М.А. Опубл. 27.02.2006, бюл. изобр. №6.