Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка мобильной мультисенсорной системы мониторинга атмосферного воздуха (его приземного слоя) для качественного и количественного обнаружения газов основных приоритетных загрязнителей атмосферного воздуха (ОПЗАВ)

Докладчик: Сажин Сергей Григорьевич

Должность: профессор по кафедре

Цель проекта:
В настоящее время в России существует проблема создания недорогих мобильных станций атмосферного мониторинга, позволяющих в реальном времени осуществлять контроль качества воздуха населенных мест (его приземного слоя) на предмет наличия в нем основных приоритетных загрязнителей атмосферного воздуха (ОПЗАВ). К ним относятся аммиак, диоксид серы и сероводород. По словам начальника управления мониторинга загрязнения окружающей среды, полярных и морских работ Росгидромета Ю.В. Пешкова, "в России в настоящее время автоматизированные системы наблюдений широкого распространения не получили и наиболее широко используются методы отбора проб на сорбционные трубки и жидкостные поглотители с последующим анализом в аккредитованных лабораториях". Наблюдательная сеть Государственного мониторинга загрязнений атмосферы (МЗА) в городах России насчитывает 683 станции, хотя по требованиям РД 52.04.186-89 количество таких станций должно быть не менее 3000 штук. Существующие аналоги, выполненные на базе автомобилей "Камаз" и "Газель", представляют собой набор газоанализаторов на различные компоненты с ручным пробоотбором. Недостатками таких систем являются необходимость передвижной платформы, высокая цена (от 3 млн. руб), наличие квалифицированного персонала, временные задержки, связанные с пробоотбором и пробоподготовкой. Цель реализуемого проекта: Разработка первой отечественной мобильной (переносной) мультисенсорной системы мониторинга атмосферного воздуха (его приземного слоя) для количественного и качественного обнаружения газов, входящих в перечень основных приоритетных загрязнителей атмосферного воздуха ОПЗАВ (аммиак, диоксид серы и сероводород) в воздухе населенных мест. Конечным продуктом ПНИЭР является создание экспериментального образца (ЭО) мобильной мультисенсорной системы, представляющего собой аппаратно-программный комплекс (АПК) для обнаружения газов-ОПЗАВ в диапазоне концентраций 0,5-10,0 ПДКсс (среднесуточная). По мнению ведущих специалистов Росгидромета и Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова, разработка данной системы внесет существенный вклад в расширение и модернизацию наблюдательной сети государственного мониторинга загрязнения атмосферы.

Основные планируемые результаты проекта:
Планируемые результаты проекта:

1. Обзор и анализ современной промышленно-экономической, научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИЭР, включая маркетинговую информацию по мировому и отечественному рынкам приборов для экологического мониторинга.
2. Результаты исследования влияния газов - ОПЗАВ на электронные спектры поглощения органических красителей, для определения индикаторных звеньев для последующего синтеза функциональных полимеров.
3. Методика синтеза функциональных полимеров, модифицированных катионами органических красителей.
4. Методика исследования газоадсорбционных и газодиффузионных свойств тонких полимерных пленок на предмет возможности их использования в качестве чувствительных слоев (ЧС) мультисенсора, в конструкциях чувствительных элементов (ЧЭ):
а) плосковолноводного оптического сенсора (ПВО-сенсор).
б) сенсора на поверхностно–акустических волнах (ПАВ-сенсор).
5. Лабораторный регламент для конструирования мультисенсорной системы, состоящей из матрицы, состоящей из шести ЧЭ с нанесенными чувствительными слоями.
6. Методика исследования суммарного отклика ЭО в присутствии газо-возушной смеси, содержащей газы – ОПЗАВ.
7. Алгоритм обработки сигналов от шести ЧЭ, объединенных в мультисенсорную матрицу с целью выделения аналитического сигнала (АС) – концентрации газов ОПЗАВ в газо-воздушной смеси.
8. Проект технического задания на ОКР по теме: «Мультисенсорная система для экологического мониторинга воздуха населенных мест».
9. ЭО, представляющий собой АПК, позволяющий проводить количественные измерения содержания газов-ОПЗАВ в газо-воздушной среде и состоящий из:
9.1 матрицы из шести ЧЭ с нанесенными на них ЧС на основе функциональных полимеров,
9.2 системы пробоподготовки, реализующей подачу исследуемого газа или газовой смеси на матрицу ЧЭ,
9.3 измерительной схемы, предназначенной для получения сигналов от матрицы ЧЭ и дальнейшей передачи в блок обработки сигналов,
9.4 блока обработки, реализующего алгоритм обработки сигналов от ЧЭ с целью выделения аналитического сигнала (АС),
9.5 интерфейса для вывода результатов измерений.

Основные характеристики планируемых результатов:

1. В ходе разработки конструкции ЭО должны быть выполнены оптимизации:
1.1 Скорости потока в системе пробоподготовки газовой смеси исследуемого газа или газовой смеси с целью повышения точности измерений;
1.2 Габаритных размеров АПК в целях их уменьшения для достижения заявленных в цели ПНИЭР показателя – мобильной (переносной) системы.
2. Алгоритм выделения АС с целью достижения показателей ПНИЭР – количественного и качественного обнаружения газов ОПЗАВ в атмосферном воздухе.
3. В ходе выполнения ПНИЭР должен быть создан ЭО мультисенсорной системы мониторинга воздуха населенных мест в виде АПК, состоящего из аппаратной части – матрицы ЧЭ с ЧС, измерительной системы и программной реализации алгоритма выделения АС, обеспечивающего количественное и качественное обнаружение газов – ОПЗАВ в соответствии со следующими критериями:
Диапазон измерений: 0,5 – 10,0 от предельно допустимой среднесуточной концентрации (ПДКсс) по каждому газу:
а) аммиак: 0,020 - 0,400 мг/м3;
б) сероводород: 0,004 - 0,080 мг/м3;
в) диоксид серы: 0,025 - 0,500 мг/м3;
4. Погрешность измерений не более 25%.
5. Полимерные пленки, применяющиеся в качестве чувствительных слоев должны обеспечивать быстрый (время полного цикла измерения не более 20 мин), многократно обратимый (не менее 1000 напусков в год без деградации сенсорных характеристик) и соразмерный (необходимое условие для создания мультисенсора типа «электронный нос») отклик в присутствии всех перечисленных газов - ОПЗАВ.
6. Разработанная конструкция мультисенсора должна обеспечивать количественный и качественный анализ воздуха населенных мест (в отношении газов - ОПЗАВ) при естественных условиях эксплуатации (температура, влажность, давление).
7. К конструкции ЭО не предъявляются эстетические и эргономические требования.

В работе будут обоснованы новые решения поставленных задач, разработаны новые принципы решения задач, исследованы новые явления, представлены новые методики. Новизна элементов будет подтверждена патентными исследованиями.

Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень, будет выполнено на основании обзора и анализ современной промышленно-экономической, научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему и патентных исследований.

Пути и способы достижения заявленных результатов.
1. Должен быть выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИЭР, в том числе обзор научных информационных источников: статьи в ведущих зарубежных и (или) российских научных журналах, монографии и (или) патенты) - не менее 15 научно-информационных источников за период 2009 – 2013 гг.
2. Должны быть выполнены патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96.
3. Должны быть проведены исследования спектров поглощения поликристаллических красителей в присутствии газов – ОПЗАВ.
4. Должен быть выполнен синтез функциональных полимеров нескольких классов.
5. Должны быть разработаны испытательные стенды для исследования свойств тонких пленок функциональных полимеров модифицированных катионами органических красителей на основе оптических и акустических методов исследований в присутствии газовоздушных смесей, содержащих газы – ОПЗАВ.
6. Должна быть разработана методика нанесения тонких полимерных пленок на поверхность ЧЭ.
7. Должна быть разработана автоматизированная система нанесения тонких полимерных пленок на поверхность ЧЭ.
8. Должны быть разработаны конструкции ЧЭ (ПВО- и ПАВ-сенсор), и представлены результаты экспериментальных исследований их по оптимизации, с целью увеличения чувствительности сенсоров, уменьшения размеров и энергопотребления, а также возможности их интеграции в матрицу мультисенсорной системы.
9. Должны быть проведены экспериментальные исследования газоадсорбционных и газодиффузионных свойств тонких пленок функциональных полимеров в присутствии газов-ОПЗАВ.
10. Должен быть проведен обзор алгоритмов обработки информации с целью определения оптимального для обработки группового отклика ЧЭ, с целью выделения АС.
11. По результатам экспериментальных исследований должен быть разработан алгоритм выделения АС – концентрации газов ОПЗАВ в газо-воздушной смеси.
12. Должно быть разработано программное обеспечение для ЭО, реализующее алгоритм выделения АС.
13. Должно быть разработано программное обеспечение для ЭО, обеспечивающее визуализацию и обработку полученной информации, в удобном для конечного пользователя виде.
14. Должны быть разработаны программы и методики экспериментальных исследований (ПМЭИ) ЭО.
15. Должны быть разработаны конструкции ПВО- и ПАВ-сенсоров для использования в качестве основных элементов мультисенсорной системы.
16. Должна быть разработана конструкция ЭО (мультисенсорной системы).
17. Должны быть проведены экспериментальные исследования ЭО согласно программам и методикам экспериментальных исследований (ПМЭИ).
18. Должны быть проведены оптимизационные работы, включая проверку адекватности алгоритма выделения АС и оптимизацию алгоритма выделения АС с целью повышения точности измерений.
19. Должно быть выполнено обобщение и оценка полученных результатов, в том числе: обобщение результатов исследований, сопоставление анализа научно-информационных источников и результатов теоретических и экспериментальных исследований, оценка эффективности полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем, анализ выполнения требований ТЗ на ПНИЭР, оценка полноты решения задач и достижения поставленных целей ПНИЭР.
20. Должна быть проведена технико-экономическая оценка рыночного потенциала полученных результатов.
21. Должны быть разработаны рекомендации по использованию результатов проведенных ПНИЭР в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках.
22. Должен быть разработан проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Мультисенсорная система для экологического мониторинга воздуха населенных мест».

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты проведенной ПНИЭР могут быть использованы:
1. В исследовательской практике как информативный и незаменимый инструмент исследования тонких полимерных пленок с целью определения их газоадсорбционных и газодиффузионных свойств, что может явиться основой создания мультисенсорной системы для исследования жидких сред.
2. При создании новых мультисенсорных систем, так называемых «электронных носов» для использования их в различных отраслях производств (табачная, парфюмерная и др.).
3. В учебно-методическом процессе для подготовки молодых квалифицированных кадров, специализирующихся в области приборостроения, автоматизации технологических процессов и аналитической химии.

Конечный продукт разработки по проекту – это портативная, переносная станция мониторинга газов - ОПЗАВ в приземном слое атмосферного воздуха, которую предполагается использовать в следующих сегментах рынка, связанных:
1. с потребностями Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, ее межрегиональных территориальных управлений.
2. с потребителями – промышленными предприятиями нефтехимической промышленности, химической и пищевой промышленности (особо холодильная отрасль промышленности), и нацелен на контроль качества воздуха промышленных предприятий, так называемой, рабочей зоны.
3. с потребителями – контролирующими органами Санэпиднадзора и Роспотребнадзора.
4. с потребителями служб ФСБ и МЧС: таможенные посты и противодействие терроризму; предупреждение экологических катастроф и мониторинг атмосферного воздуха в зоне стихийных бедствий и техногенных катастроф.
Кроме этого, при вариации чувствительных слоев данная система может быть использована для решения широкого круга задач газового анализа и атмосферного мониторинга.


Текущие результаты проекта:
Ведется подготовка к началу выполнения проекта.
На текущий момент проведен обзор сенсорных методов анализа параметров химического состава окружающей среды и рекомендовано использование ПВО- и ПАВ-сенсоров в качестве основных ЧЭ мультисенсорной системы