Результат интеллектуальной деятельности: Система экологического мониторинга атмосферного воздуха

Изобретение относится к области метеорологии. Метеорологические приборы предназначены для эксплуатации в диапазоне от верхнего до нижнего значения климатических факторов, при этом дополнительно могут быть установлены узкие диапазоны климатического исполнения. Приоритетными характеристиками приборов являются надежность при эксплуатации в умеренном и холодном климате, использование в носимых вариантах исполнения.

Аналогом является многопараметрический датчик погоды «Lufft WS600 Multi-Parameter Weather Sensor», выпускаемый фирмой Scientific Sales, Inc., США (http://www.scientificsales.com/Lufft-WS600-Multi-Parameter-Weather-Sensor-p/ws600.htm). Датчик WS600 измеряет температуру и влажность воздуха, атмосферное давление, количество осадков, скорость и направление ветра. Датчик имеет встроенный электромагнитный компас для определения направления ветра при установке датчика на движущейся платформе. Анемометр прибора состоит из 4-х ультразвуковых датчиков, которые производят циклические измерения скорости ветра в различных направлениях. Скорость ветра вычисляют по измеренной разности скорости распространения звука между датчиками. Встроенный электромагнитный компас использую для проверки установки корпуса датчика по направлению на север при измерении направления скорости ветра. Компас также необходим для вычисления направления скорости ветра. Недостатком аналога является то, что прибор не обеспечивает измерения температуры почвы, не определяет вертикальную компоненту скорости ветра, степень вертикальной устойчивости воздуха.

Прототипом является «Прибор метеорологический автоматизированный» (патент RU №2466435 МПК⁸ G01W 1/02 от 10.11.2012). Прибор метеорологический автоматизированный, состоящий из блока датчиков и пульта оператора, при этом блок датчиков содержит датчики температуры воздуха, относительной влажности воздуха, атмосферного давления, трехкоординатный ультразвуковой анемометр, состоящий из трех пар ортогонально расположенных ультразвуковых датчиков, электромагнитный компас, устройство обработки информации, преобразователь напряжения, соединенный с преобразователем напряжения пульта оператора, пульт оператора содержит устройство сопряжения, соединенное каналом связи с устройством обработки информации блока датчиков и имеющее возможность соединения каналом связи с электронно-вычислительной машиной, вычислительное устройство, устройство отображения информации, датчик температуры почвы, соединенный с устройством сопряжения пульта оператора каналом связи, в блок датчиков введены ультразвуковые датчики, каждый из которых работает в двух режимах: излучателя и приемника, располагающиеся в стойках с геометрией, позволяющей определять три ортогональные проекции вектора скорости ветра.

Недостатками прототипа являются:

1. Невозможно четко прогнозировать выпадение кислотных дождей и превышение SO₂ в газовой фазе.

2. Отсутствие датчиков загрязнения окружающей среды, что не дает дополнительной информации об экологической остановке.

3. Устаревшие технологии и отсутствие возможности дистанционно передать данные.

Задачей предлагаемого технического решения является качественная оценка экологической остановки за счет возможности четкого прогнозирования выпадения кислотных дождей.

Система экологического мониторинга атмосферного воздуха, состоящая из блока, включающего датчики температуры воздуха, относительной влажности воздуха, атмосферного давления, трехкоординатный ультразвуковой анемометр, состоящий из трех пар ортогонально расположенных ультразвуковых датчиков, электромагнитный компас, канал связи с ЭВМ, причем в блок датчиков дополнительно введены датчики монооксида углерода (СО), диоксида углерода (СО₂), оксида серы (SO₂), РМ2,5, РМ10, опорный задатчик влажности, индикатор влажности, индикатор жидкой фазы оксида серы (SO₂), опорный задатчик скорости ветра, индикатор скорости ветра, микроконтроллера, локального запоминающего устройства, GPS метки и антенны для передачи данных через Wi-Fi, причем входы микроконтроллера связаны с выходами индикаторов жидкой фазы оксида серы SO₂, газовой фазы оксида серы SO₂ и с выходами датчиков температуры воздуха, атмосферного давления, относительной влажности воздуха, монооксида углерода (СО), диоксида углерода (СО₂), оксида серы (SO₂), частиц РМ2,5, частиц РМ10, с выходом локального запоминающего устройства, выходом электромагнитного компаса, выходом GPS метки, Wi-Fi антенны, а вход индикатора жидкой фазы оксида серы (SO₂) связан с выходами индикатора скорости ветра, индикатора влажности атмосферного воздуха, и техкоординатного ультразвукового анемометра, входы индикатора скорости ветра связан с выходами шести ультразвуковых датчиков и с выходом опорного задатка скорости ветра, вход индикатора влажности связан с выходами опорного задатка влажности воздуха и выходом датчика влажности воздуха, а выход локального запоминающего устройства связан со входом микроконтроллера, выход микроконтроллера связан со входом Wi-Fi антенн, выход Wi-Fi антенн связан со входом ЭВМ.

На фигуре 1 изображена схема связей системы экологического мониторинга атмосферного воздуха. На фигуре 2 изображена система координат О, X', Y', Z', связанная со стойками, в которых установлены ультразвуковые датчики и в которой проводят измерения параметров скорости ветра, расположена в пространстве относительно местной системы координат О, X, Y, Z, в которой определяют магнитный азимут, величины горизонтальной и вертикальной компонент скорости ветра, таким образом, что медиана трехгранного угла О, X', Y', Z' направлена вертикально и совпадает с осью OZ системы координат О, X, Y, Z, а ось ОХ' находится в плоскости XOZ. На фигуре 3 показана схема согласования осей OX, OY системы координат О, X, Y, Z, в которой производят измерения компонент напряженности магнитного поля Н_х, Н_у с помощью электромагнитного компаса, проекции оси ОХ' пары ультразвуковых датчиков, проекций вектора скорости ветра V_x, V_y.

Система экологического мониторинга атмосферного воздуха состоит из блока 1, включающего датчик 2 температуры воздуха, выход которого связан со входом микроконтроллера 3, выход которого связан со входом и выходом антенны 4 для передачи данных через Wi-Fi, выход которой связан со входом и выходом ЭВМ 5, трехкоординатный ультразвуковой анемометр стоящий из трех пар ортогонально расположенных ультразвуковых датчиков 6-11, выходы которых связаны со входами индикатора 12 скорости ветра, выход которого связан со входом индикатора 13 жидкой фазы оксида серы SO2, выход которого связан со входом микроконтроллера 3, опорный задатчик 14 скорости ветра, выход которого связан со входом индикатора 12 скорости ветра, датчик 15 относительной влажности воздуха, выход которого связан со входом индикатора 16 влажности, выход которого связан со входом индикатора 13 жидкой фазы оксида серы SO₂, опорный задатчик 17 влажности воздуха, выход которого связан со входом индикатора 16 влажности, электромагнитный компас 18, выход которого связан со входом микроконтроллера 3, датчик 19 атмосферного давления выход которого связан со входом микроконтроллера 3, индикатор 20 газовой фазы оксида серы SO₂, выход которого связан со входом микроконтроллера 3, датчика 21 частиц РМ 2,5, выход которого связан со входом микроконтроллера 3, датчик 22 частиц РМ 10, выход которого связан со входом микроконтроллера 3, датчик 23 оксида серы SO₂, выход которого связан со входом микроконтроллера 3, датчик 24 монооксида углерода СО, выход которого связан со входом микроконтроллера 3, датчик 25 диоксида углерода СО₂, выход которого связан со входом микроконтроллера 3, локальное запоминающее устройство 26, выход которого связан со входом микроконтроллера 3, GPS метку 27, выход которой связан со входом микроконтроллера 3.

Причем антенна 4 для передачи данных через Wi-Fi, связана входом с выходом микроконтроллера 3, и входом ЭВМ 5, связана входом с выходом микроконтроллера 3, локальное запоминающие устройство 26, связано входом с выходом микроконтроллера 3.

Работает система экологического мониторинга атмосферного воздуха следующим образом, датчик 15 относительной влажности воздуха получает значения, превышающие установленные значения в опорном задатчике 17 влажности атмосферного воздуха, срабатывает индикатор 16 влажности и, если в этот же момент значения полученные 3 парами датчиков 6-11 трехкоординатного ультразвукового анемометра так же совпадают с данными, заданными опорным задатчиком 14 скорости ветра, срабатывает индикатор 12 скорости ветра, то сразу же срабатывает индикатор 13 жидкой фазы оксида серы (SO₂), после чего сигнал поступает в микроконтроллер 3, из него в антенну 4 для передачи данных по Wi-Fi, которая, в свою очередь, передает данные на ЭВМ 5. Таким образом становится заранее известна вероятность кислотных дождей. Если в данный момент предлагаемое устройство не имеет доступа к сети Wi-Fi, то данные сначала записывают на локальное запоминающее устройство 26 и передают через микроконтроллер 3 и Wi-Fi антенны 4 на ЭВМ 5, как только появляется доступ к сети Wi-Fi. Датчик 2 температуры воздуха, датчик 19 атмосферного давления, датчик 21 частиц РМ 2,5, датчик 22 частиц РМ 10, датчик 23 оксида серы (SO₂), датчик 24 монооксида углерода (СО), датчик 25 диоксида углерода (СО₂), индикатор 20 газовой фазы оксида серы (SO₂) и GPS метка 27 передают данные в микроконтроллер 3, который передает данные на локальное запоминающее устройство 26, после чего обратно в микроконтроллер 3, и через Wi-Fi антенны 4 на ЭВМ 5, что дает нам данные о загрязнении атмосферного воздуха самыми распространенными вредными веществами в конкретном месте.

В предлагаемом устройстве система координат О, X', Y', Z', связанная со стойками, в которых устанавливают ультразвуковые датчики и в которой проводят измерения параметров скорости ветра, расположена в пространстве относительно местной системы координат О, X, Y, Z, в которой определяют магнитный азимут, величины горизонтальной и вертикальной компонент скорости ветра, таким образом, что медиана трехгранного угла О, X', Y', Z' направлена вертикально и совпадает с осью OZ системы координат О, X, Y, Z, а ось ОХ' находится в плоскости XOZ (фиг. 2).

Схема согласования осей OX, OY системы координат О, X, Y, Z, в которой производят измерения компонент напряженности магнитного поля H_x, H_y с помощью электромагнитного компаса 18, проекции оси ОХ' пары ультразвуковых датчиков 6, 7, проекций вектора скорости ветра V_x, V_y показана на фиг. 3.

Время распространения сигнала по оси ОХ в положительном и отрицательном направлении

где L_x - расстояние между датчиками по оси ОХ;

с - скорость звука в воздухе;

- проекция вектора скорости воздуха на ось ОХ.

Исходя их этого, сумма времен распространения сигнала в положительном и отрицательном направлениях равна

а разность

в предположении, что .

Отсюда расстояние между датчиками по оси ОХ равно

Известно, что скорость звука в воздухе является функцией температуры, влажности воздуха, атмосферного давления. Зная температуру, влажность воздуха, атмосферное давление, можно расчетным путем определить скорость звука.

где е - давление (упругость) водяного пара в воздухе определяют по формуле

где m=7,665×T/(243.33+Т);

Т, °С - температура воздуха;

H_u - относительная влажность воздуха;

Р - атмосферное давление;

T_k - абсолютная температура воздуха, K.

Вычисляемое значение скорости звука используют для определения расстояния между датчиками Lx в каждом цикле измерения для расчета значения проекции скорости ветра на ось ОХ:

Аналогичным образом могут быть получены данные о проекциях

скорости ветра , на оси OY, OZ.

Переход от системы координат О, X', Y', Z' к системе О, X, Y, Z осуществляют по формулам:

Разность температур воздуха и почвы и горизонтальной компоненты скорости ветра определяет термодинамический критерий N, характеризующий СВУВ:

где Т - температура воздуха;

Т_п - температура почвы;

V - горизонтальная компонента скорости ветра, .

При N≥0,1 СВУВ соответствует конвекции,

при N≤-0,1 СВУВ соответствует инверсии,

при -0,1≥N≤0,1 соответствует изотермии.

Измеренные и вычисленные метеорологические параметры: температура воздуха и почвы, относительная влажность воздуха, атмосферное давление, величина и азимут горизонтальной компоненты скорости ветра, СВУВ отображаются на пульте оператора и могут быть по интерфейсу (например, RS 485) переданы в электронно-вычислительную машину.

Система экологического мониторинга атмосферного воздуха, описанная в настоящей заявке на техническое решение, за счет введения датчиков температуры воздуха, относительной влажности воздуха, атмосферного давления, анемометра, электромагнитного компаса, индикатора жидкой фазы оксида серы (SO₂), опорного задатчика скорости ветра, индикатора скорости ветра, индикатора газовой фазы оксида серы (SO₂), датчика РМ 2,5, датчика РМ 10, датчика оксида серы (SO₂), датчика монооксида углерода (СО), диоксида углерода (СО₂), микроконтроллера, локального запоминающего устройства, GPS метки и антенны для передачи данных через Wi-Fi, обеспечивает измерение и определение широкого перечня метеорологических параметров, в том числе температуры почвы, магнитного азимута скорости ветра, величин горизонтальной и вертикальной компонент скорости ветра, СВУВ, а схема расположения ультразвуковых датчиков и принятый метод получения трех ортогональных компонент скорости ветра с использованием показаний датчиков температуры, относительной влажности воздуха, атмосферного давления позволяют отказаться от процедуры выставления нулевых значений этих компонент перед началом измерений в ветрозащитном бокс-контейнере, что повышает такие эксплуатационные характеристики комплекта, как точность определения метеорологических параметров, оперативность перевода из походного в рабочее положение, и позволяет провести качественную оценку экологической обстановки за счет четкого прогнозирования выпадения кислотных дождей, видеть общую картину загрязнения атмосферного воздуха и позволяет оперативно и беспрепятственно передавать данные на ЭВМ.