Контроль загрязнений атмосферы.

Для дистанционного (неконтактного) глобального контроля загрязнений и состава атмосферы используются способы радиолокационного, акустического и лидарного (лазерного) зондирования. Это довольно сложные и дорогостоящие установки. Для контроля воздуха в приземном слое в отдельных точках планеты обычно используются более простые установки. Мы здесь рассмотрим только два принципа контроля состава воздуха: оптико-акустический и термохимический.

Известно, что интенсивность излучения (радиация) света в инфракрасном диапазоне изменяется по закону I=I0·e-·cr·d, где I0 — интенсивность падающей радиации; I — интенсивность радиации, прошедшей через поглощающий слой;  — коэффициент поглощения инфракрасной радиации определенным газом; Сr — концентрация этого газа; d — толщина поглощающего слоя.

Видимо, зная , d и изменение радиации можно определить концентрацию контролируемого газа — Сr. Из инфракрасных анализаторов наибольшее распространение получили приборы с акустическим преобразователем (оптико-акустические преобразователи).

На рисунке представлена схема простейшего газоанализатора с селективным лучеприемником акустического типа.

Газоанализатор состоит: из источника инфракрасного излучения 1; обтюратора 2; рабочей камеры 4; лучеприемника 7; оптически прозрачных для инфракрасного излучения окон 3, 5, 6; микрофона 8. Поток инфракрасной радиации, излучаемый источником и периодически прерываемый обтюратором с определенной частотой, сначала поступает в рабочую камеру, через которую проходит анализируемая смесь, а потом в лучеприемник, заполненный газом, концентрация которого определяется. Под действием прерывистого потока инфракрасной радиации газ в лучеприемнике будет периодически нагреваться и охлаждаться и внутри лучеприемника будут возникать периодические колебания температуры газа T, вызывающие колебания давления величиной Р (на том же рисунке – часть "б"). Амплитуда этих колебаний будет пропорциональна концентрации анализируемого газа. (чем больше концентрация, тем большая часть радиации поглощается в рабочей камере, тем меньше будет амплитуда колебаний.

Рассмотренная схема оптоакустического газоанализатора дает представление о сущности метода анализа, но обладает рядом недостатков, среди главных из которых неизбирательность, а также зависимость от параметров смеси (температура, давление, плотность и т.д.). В реальных случаях используют многоканальные дифференциальные оптические схемы с устройствами подготовки и фильтрации газовой смеси (как оптической, так и механической).

Другим очень перспективным в наше время является термохимический (термокаталитический) метод контроля газовых смесей, применяемый для обнаружения и измерения концентраций горючих газов и паров воздуха.

В основе этого метода лежит использование специальных чувствительных элементов, представляющих собой микроспираль из микропровода в термостойкой изоляции, на которой сформирован шарик из‑окиси алюминия. Рабочий чувствительный элемент покрыт сверху еще катализатором на основе платино-паладиевой черни, сравнительный элемент этого покрытия не имеет. Работает газоанализатор следующим образом: обычно рабочий и сравнительный элементы включаются в одну ветвь мостовой электрической схемы, и помещается в одну пористую реакционную камеру. Сравнительный элемент используется для компенсации влияния неизмеряемых параметров газовой смеси. При подключении к мостовой схеме определенного напряжения, под влиянием протекающего тока спираль нагревается до определенной величины, нагревая шарики из‑окиси алюминия. Анализируемая газовая смесь попадает через поры реакционной камеры в ее внутреннюю полость и, подходя к шарикам, начинает процесс беспламенного горения на рабочем чувствительном элементе, в ходе которого выделяется тепло, которое дополнительно разогревает спираль рабочего чувствительного элемента. Материалы микропровода обычно используются с большим положительным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС ). Сопротивление спирали рабочего элемента резко увеличивается, и на диагонали выхода мостовой схемы появляется напряжение, пропорциональное концентрации горючей составляющей в воздухе.

Такие схемы отличаются большой надежностью, избирательностью и простотой. Для избирательного определения горючих компонентов газовой смеси необходимо менять температуру первоначального нагрева спирали.

На приведенном ниже рисунке изображен чувствительный элемент (часть рисунка "а") и общая мостовая схема первичного преобразователя, термохимического газоанализатора (часть "б").

На этом рисунке : 1 – платино-паладиевый катализатор; 2 – g-окись алюминия; 3 – микроспираль; Рчэ – рабочий чувствительный элемент; Счэ – сравнительный чувствительный элемент; R1 и R2 – сопротивления плеч отношения; Uпит – напряжение питания; Uвых – выходное сопротивление первичного преобразователя, пропорциональная концентрации горючего компонента, Р.К. – пористая реакционная камера.

Количество вредностей, выделяющихся из оборудования определяется по следующим формулам:

а) Для оборудования работающего под давлением:

Gg=m·rн·V (кг/час), где rн – плотность газа при рабочем давлении и температуре, кг/м3; V – объем газовой фазы в оборудование, м3; m – показатель (коэффициент) негерметичности, час-1 (является функцией давления газовой фазы, вида газовой смеси, конструкции оборудования — берётся из справочных таблиц).

б) Для оборудования, работающего под разрежением (вынос вредных веществ происходит молекулярной диффузией навстречу потоку воздуха):

Gp=F··Co·exp(г/с), где F – площадь отверстий в корпусах оборудования, м2;  – скорость, входящего через отверстия воздуха, м/с; а – длинна канала, м; С – концентрация газа внутри оборудования, г/м3; D – коэффициент диффузии газа в воздухе, м2/с.

Концентрация газовой смеси при авариях от точечного (размер разрушений мал, по сравнению с расстоянием от источника) источника, определяется по формуле:

 мг/м3, где М – мощность выброса, мг/с; t – продолжительность аварии, с; х – расстояние от источника аварии, м; А – константа (А=0,11).