Помощь студентам в учебе
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ АКУСТИЧЕСКИЕ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО И МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА АТМОСФЕРЫ
|
Введение 9
1 Современное состояние проблемы инструментального обеспечения экологического и метеорологического мониторинга атмосферы 28
1.1 Автоматизированные информационно-измерительные системы
мезомасштабного ЭММ АПС 28
1.1.1 АИИС метеорологического мониторинга 28
1.1.2 АИИС авиационного обеспечения 31
1.1.3 АИИС для метеорологического обеспечения автомобильных
дорог 37
1.1.4 Агрометеорологические АИИС 39
1.1.5 АИИС экологического мониторинга 41
1.2 Технические средства контроля метеорологических характеристик и газового состава приземной атмосферы и возможность их применения в составе АИИС ЭММ АПС 45
1.2.1 Технические средства для метеорологического мониторинга
приземного слоя атмосферы 45
1.2.2 Технические средства измерения атмосферных осадков 57
1.2.3 Приборы контроля газового состава приземной атмосферы 61
1.3 Технические средства дистанционного контроля
метеорологических параметров АПС и возможность их применения в составе АИИС ЭММ АПС 66
1.3.1 Локационные и аэрологические методы определения
метеорологических параметров АПС 66
1.3.2 Дистанционные контактные методы контроля
метеорологических параметров АПС с использованием беспилотных летательных аппаратов 69
1.4 Концепция измерительно-вычислительной системы для
исследований новых алгоритмов, методов и технологий контроля АПС 73
1.5 Выводы по главе 1 77
2 Акустические и оптические приборы и комплексы для контроля метеорологических характеристик приземной атмосферы 78
2.1 Метод акустической термоанемометрии и его использование в
задачах контроля АПС 78
2.1.1 Физические основы метода акустической термоанемометрии 78
2.1.2 Технические аспекты реализация метода акустической
термоанемометрии в задачах контроля метеорологических и турбулентных характеристик приземной атмосферы 81
2.1.3 Программное обеспечение УАМС 94
2.2 Оптический метод измерения осадков и его использование в задачах контроля АПС 105
2.2.1 Физические основы оптического метода измерения осадков 105
2.2.2 Технические аспекты реализации теневого метода измерения
осадков в задачах контроля АПС 112
2.2.3 Оптические измерители осадков ОДИО и ОПТИОС 118
2.2.4 Метрологическое обеспечение и результаты испытаний
оптических измерителей осадков 123
2.3 Ультразвуковые автоматические метеорологические станции нового поколения 136
2.3.1 Стационарные ультразвуковые автоматические
метеорологические станции 136
2.3.2 Переносные метеорологические комплексы специального
назначения 145
2.3.3 Бортовые метеорологические комплексы специального
назначения 152
2.3.4 Метрологическое обеспечение и результаты испытаний УАМС... 156
2.4 Технические средства для диагностики и повышения
метрологической надежности УАМС АМК-03 167
2.4.1 Портативный комплекс контроля ультразвукового
термоанемометра ПККУТ 167
2.4.2 Автоматическая система контроля и калибровки
технологических параметров УАМС 177
2.5 Выводы по главе 2 180
2 Акустические и оптические комплексы для дистанционных измерений характеристик АПС 184
3.1 Дистанционный контактный метод контроля характеристик АПС на основе использования портативных автоматических метеостанций
и беспилотных летательных аппаратов 184
3.1.1 Методологические основы технологий дистанционного
контактного измерения метеорологических и турбулентных характеристик АПС 184
3.1.2 Техническая реализация метода дистанционного контактного
измерения метеорологических и турбулентных характеристик АПС ... 194
3.1.3 Портативные автоматические метеостанции на платформе
БПЛА 203
3.2 Дистанционный оптический пробой и его использование в задачах контроля АПС 212
3.2.1 Физические основы метода контроля АПС на основе эффекта
дистанционного оптического пробоя 212
3.2.2 Реализация метода контроля экологического и
метеорологического состояния АПС на основе эффекта дистанционного оптического пробоя 225
3.2.3 Спектрохимический лидар 230
3.3. Выводы по главе 3 236
4 Оптические газоанализаторы для контроля загрязнений приземной атмосферы 238
4.1 Оптические газоанализаторы на основе метода дифференциальной
спектроскопии 238
4.1.1 Физические основы метода дифференциальной спектроскопии ... 238
4.1.2 Оптические газоанализаторы ДОГ -1М 241
4.1.3 Оптические газоанализаторы ДОГ-4 244
4.1.4 Метрологическое обеспечение и результаты испытаний
газоанализаторов ДОГ-1 и ДОГ-4 247
4.2 Оптические газоанализаторы на основе эффекта Зеемана 256
4.2.1 Физические основы применения эффекта Зеемана в методе
ДААС 256
4.2.2 Технические аспекты реализация метода ДААС для определения
содержания паров ртути в воздухе 261
4.2.3 Ртутный газоанализатор РГА-15 267
4.2.4 Метрологическое обеспечение и способы диагностики
газоанализатора РГА-15 в процессе эксплуатации 271
4.3 Оптический газоанализатор на основе метода ультразвуковой
термометрии 280
4.3.1 Физические основы применения ультразвуковой термометрии в
методе дифференциальной спектроскопии 280
4.3.2 Термоакустический фотоприемник 287
4.3.3 Оптический газоанализатор на основе термоакустического
фотоприемника 290
4.4 Оптические газоанализаторы на основе эффекта спонтанного комбинационного рассеяния света 295
4.4.1 Физические основы применения эффекта СКР в задачах
контроля состава многокомпонентных газовых сред 294
4.4.2 Технические аспекты реализации метода СКР в
газоанализаторах для контроля загрязнения приземной атмосферы ... 299
4.4.3 Экспериментальный образец СКР-газоанализатора 307
4.4.4 Метрологическое обеспечение и результаты испытаний СКР-
газоанализатора 311
4.5 Выводы по главе 4 321
5 Автоматизированные системы для мезомасштабного экологического и метеорологического мониторинга атмосферного пограничного слоя
5.1 Методическое обеспечение системы мезомасштабного
экологического и метеорологического мониторинга АПС 323
5.1.1 Метод статистической пространственно-временной экстраполяции метеорологических данных и его апробация на сети
УАМС АМК-03 323
5.1.2 Корреляционные свойства приземных метеорологических
данных измерений сети УАМС АМК-03 330
5.1.3 Методы определения типа стратификации в приземном слое
атмосферы на основе данных УАМС АМК-03/3у 337
5.1.4 Методы восстановления высотных профилей метеорологических
величин в приземном слое атмосферы с использованием трехуровневой УАМС АМК-03/3У 345
5.2 Технические аспекты реализации системы мезомасштабного экологического и метеорологического мониторинга АПС 348
5.2.1 Измерительно-вычислительная система ИМС-МЕТЕО-3 348
5.2.2 Программное обеспечение системы ИМС-МЕТЕО 351
5.3 Автоматизированная система ЭО ИВС для реализации технологии мезомасштабного экологического и метеорологического мониторинга состояния АПС 356
5.3.1 Архитектура и состав автоматизированной системы ЭО ИВС .... 356
5.3.2 Программное обеспечение системы ЭО ИВС 365
5.4 Выводы по главе 5 371
Заключение 374
Список сокращений и условных обозначений 377
Список литературы 379
Приложения 413
Приложение А1. Метрологическая документация изделия «Автоматическая метеорологическая станция АМК-03»: Свидетельство об утверждении типа средств измерений. Описание типа средств измерений 413
Приложение А2. Метрологическая документация изделия «Метеокомплект переносной автоматизированный 1Б65»: Свидетельство об утверждении типа средств измерений. Описание типа средств измерений 426
Приложение А3. Метрологическая документация изделия ГО.1.26.02:
Свидетельство об утверждении типа средств измерений. Описание типа средств измерений 431
Приложение А4. Метрологическая документация изделия ДОГ-1: Свидетельство об утверждении типа средств измерений. Описание типа средств измерений 435
Приложение А5. Метрологическая документация изделия ДОГ-4: Свидетельство об утверждении типа средств измерений. Описание 440 типа средств измерений
Приложение Б1. Акт внедрения автоматических метеорологических комплексов серии АМК-03 445
Приложение Б2. Акт внедрения ультразвуковых автоматических метеорологических станций АМК-03 и ее модификаций 448
Приложение Б3. Акт внедрения автоматических метеорологических комплексов серии АМК-03 и ее модификаций 462
Приложение Б4. Акт внедрения в эксплуатацию автоматических
метеорологических комплексов серии АМК-03 464
Приложение В1. Приказ министра обороны РФ №173 от 03.05.2007 .. 465
Приложение В2. а) Письмо НПО «ЛЭМЗ» (Концерн ПЭО «АЛМАЗ-
АНТЕЙ». б) Письмо ЦНН ВС Республики Казахстан 466
Приложение В3. Заключение ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» 468
1 Современное состояние проблемы инструментального обеспечения экологического и метеорологического мониторинга атмосферы 28
1.1 Автоматизированные информационно-измерительные системы
мезомасштабного ЭММ АПС 28
1.1.1 АИИС метеорологического мониторинга 28
1.1.2 АИИС авиационного обеспечения 31
1.1.3 АИИС для метеорологического обеспечения автомобильных
дорог 37
1.1.4 Агрометеорологические АИИС 39
1.1.5 АИИС экологического мониторинга 41
1.2 Технические средства контроля метеорологических характеристик и газового состава приземной атмосферы и возможность их применения в составе АИИС ЭММ АПС 45
1.2.1 Технические средства для метеорологического мониторинга
приземного слоя атмосферы 45
1.2.2 Технические средства измерения атмосферных осадков 57
1.2.3 Приборы контроля газового состава приземной атмосферы 61
1.3 Технические средства дистанционного контроля
метеорологических параметров АПС и возможность их применения в составе АИИС ЭММ АПС 66
1.3.1 Локационные и аэрологические методы определения
метеорологических параметров АПС 66
1.3.2 Дистанционные контактные методы контроля
метеорологических параметров АПС с использованием беспилотных летательных аппаратов 69
1.4 Концепция измерительно-вычислительной системы для
исследований новых алгоритмов, методов и технологий контроля АПС 73
1.5 Выводы по главе 1 77
2 Акустические и оптические приборы и комплексы для контроля метеорологических характеристик приземной атмосферы 78
2.1 Метод акустической термоанемометрии и его использование в
задачах контроля АПС 78
2.1.1 Физические основы метода акустической термоанемометрии 78
2.1.2 Технические аспекты реализация метода акустической
термоанемометрии в задачах контроля метеорологических и турбулентных характеристик приземной атмосферы 81
2.1.3 Программное обеспечение УАМС 94
2.2 Оптический метод измерения осадков и его использование в задачах контроля АПС 105
2.2.1 Физические основы оптического метода измерения осадков 105
2.2.2 Технические аспекты реализации теневого метода измерения
осадков в задачах контроля АПС 112
2.2.3 Оптические измерители осадков ОДИО и ОПТИОС 118
2.2.4 Метрологическое обеспечение и результаты испытаний
оптических измерителей осадков 123
2.3 Ультразвуковые автоматические метеорологические станции нового поколения 136
2.3.1 Стационарные ультразвуковые автоматические
метеорологические станции 136
2.3.2 Переносные метеорологические комплексы специального
назначения 145
2.3.3 Бортовые метеорологические комплексы специального
назначения 152
2.3.4 Метрологическое обеспечение и результаты испытаний УАМС... 156
2.4 Технические средства для диагностики и повышения
метрологической надежности УАМС АМК-03 167
2.4.1 Портативный комплекс контроля ультразвукового
термоанемометра ПККУТ 167
2.4.2 Автоматическая система контроля и калибровки
технологических параметров УАМС 177
2.5 Выводы по главе 2 180
2 Акустические и оптические комплексы для дистанционных измерений характеристик АПС 184
3.1 Дистанционный контактный метод контроля характеристик АПС на основе использования портативных автоматических метеостанций
и беспилотных летательных аппаратов 184
3.1.1 Методологические основы технологий дистанционного
контактного измерения метеорологических и турбулентных характеристик АПС 184
3.1.2 Техническая реализация метода дистанционного контактного
измерения метеорологических и турбулентных характеристик АПС ... 194
3.1.3 Портативные автоматические метеостанции на платформе
БПЛА 203
3.2 Дистанционный оптический пробой и его использование в задачах контроля АПС 212
3.2.1 Физические основы метода контроля АПС на основе эффекта
дистанционного оптического пробоя 212
3.2.2 Реализация метода контроля экологического и
метеорологического состояния АПС на основе эффекта дистанционного оптического пробоя 225
3.2.3 Спектрохимический лидар 230
3.3. Выводы по главе 3 236
4 Оптические газоанализаторы для контроля загрязнений приземной атмосферы 238
4.1 Оптические газоанализаторы на основе метода дифференциальной
спектроскопии 238
4.1.1 Физические основы метода дифференциальной спектроскопии ... 238
4.1.2 Оптические газоанализаторы ДОГ -1М 241
4.1.3 Оптические газоанализаторы ДОГ-4 244
4.1.4 Метрологическое обеспечение и результаты испытаний
газоанализаторов ДОГ-1 и ДОГ-4 247
4.2 Оптические газоанализаторы на основе эффекта Зеемана 256
4.2.1 Физические основы применения эффекта Зеемана в методе
ДААС 256
4.2.2 Технические аспекты реализация метода ДААС для определения
содержания паров ртути в воздухе 261
4.2.3 Ртутный газоанализатор РГА-15 267
4.2.4 Метрологическое обеспечение и способы диагностики
газоанализатора РГА-15 в процессе эксплуатации 271
4.3 Оптический газоанализатор на основе метода ультразвуковой
термометрии 280
4.3.1 Физические основы применения ультразвуковой термометрии в
методе дифференциальной спектроскопии 280
4.3.2 Термоакустический фотоприемник 287
4.3.3 Оптический газоанализатор на основе термоакустического
фотоприемника 290
4.4 Оптические газоанализаторы на основе эффекта спонтанного комбинационного рассеяния света 295
4.4.1 Физические основы применения эффекта СКР в задачах
контроля состава многокомпонентных газовых сред 294
4.4.2 Технические аспекты реализации метода СКР в
газоанализаторах для контроля загрязнения приземной атмосферы ... 299
4.4.3 Экспериментальный образец СКР-газоанализатора 307
4.4.4 Метрологическое обеспечение и результаты испытаний СКР-
газоанализатора 311
4.5 Выводы по главе 4 321
5 Автоматизированные системы для мезомасштабного экологического и метеорологического мониторинга атмосферного пограничного слоя
5.1 Методическое обеспечение системы мезомасштабного
экологического и метеорологического мониторинга АПС 323
5.1.1 Метод статистической пространственно-временной экстраполяции метеорологических данных и его апробация на сети
УАМС АМК-03 323
5.1.2 Корреляционные свойства приземных метеорологических
данных измерений сети УАМС АМК-03 330
5.1.3 Методы определения типа стратификации в приземном слое
атмосферы на основе данных УАМС АМК-03/3у 337
5.1.4 Методы восстановления высотных профилей метеорологических
величин в приземном слое атмосферы с использованием трехуровневой УАМС АМК-03/3У 345
5.2 Технические аспекты реализации системы мезомасштабного экологического и метеорологического мониторинга АПС 348
5.2.1 Измерительно-вычислительная система ИМС-МЕТЕО-3 348
5.2.2 Программное обеспечение системы ИМС-МЕТЕО 351
5.3 Автоматизированная система ЭО ИВС для реализации технологии мезомасштабного экологического и метеорологического мониторинга состояния АПС 356
5.3.1 Архитектура и состав автоматизированной системы ЭО ИВС .... 356
5.3.2 Программное обеспечение системы ЭО ИВС 365
5.4 Выводы по главе 5 371
Заключение 374
Список сокращений и условных обозначений 377
Список литературы 379
Приложения 413
Приложение А1. Метрологическая документация изделия «Автоматическая метеорологическая станция АМК-03»: Свидетельство об утверждении типа средств измерений. Описание типа средств измерений 413
Приложение А2. Метрологическая документация изделия «Метеокомплект переносной автоматизированный 1Б65»: Свидетельство об утверждении типа средств измерений. Описание типа средств измерений 426
Приложение А3. Метрологическая документация изделия ГО.1.26.02:
Свидетельство об утверждении типа средств измерений. Описание типа средств измерений 431
Приложение А4. Метрологическая документация изделия ДОГ-1: Свидетельство об утверждении типа средств измерений. Описание типа средств измерений 435
Приложение А5. Метрологическая документация изделия ДОГ-4: Свидетельство об утверждении типа средств измерений. Описание 440 типа средств измерений
Приложение Б1. Акт внедрения автоматических метеорологических комплексов серии АМК-03 445
Приложение Б2. Акт внедрения ультразвуковых автоматических метеорологических станций АМК-03 и ее модификаций 448
Приложение Б3. Акт внедрения автоматических метеорологических комплексов серии АМК-03 и ее модификаций 462
Приложение Б4. Акт внедрения в эксплуатацию автоматических
метеорологических комплексов серии АМК-03 464
Приложение В1. Приказ министра обороны РФ №173 от 03.05.2007 .. 465
Приложение В2. а) Письмо НПО «ЛЭМЗ» (Концерн ПЭО «АЛМАЗ-
АНТЕЙ». б) Письмо ЦНН ВС Республики Казахстан 466
Приложение В3. Заключение ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» 468
Актуальность темы и состояние вопроса
Контроль за экологическим состоянием окружающей среды и сокращение ее загрязнения является на сегодня одной из важнейших задач человеческого общества, напрямую связанной с возможностью его дальнейшего технологического развития и безопасностью. В связи с особой актуальностью проблемы указом Президента 2017 год объявлен в России Годом экологии [1].
Одним из определяющих экологических факторов территории является состояние воздушной среды, которое определяется характеристиками атмосферного пограничного слоя (АПС), в особенности его приземной части. При этом мезомасштабная экологическая ситуация, формирующаяся на локальной территории в тот или иной период времени, определяется не только загрязнением АПС источниками выбросов, но и складывающейся метеорологической обстановкой. Существенную роль в этом играют метеорологические факторы - скорость и направление ветра, температура и влажность воздуха, параметры осадков, присутствие вертикальных ветровых потоков и потоков тепла, наличие особых состояний АПС (инверсии, конвекции), другие статистические и динамические метеорологические характеристики. Поэтому анализ и прогнозирование экологического состояния АПС требуют осуществления комплексного контроля его параметров, в том числе, не входящих в стандартный перечень величин, контролируемых гидрометеорологической службой.
Обеспечение контроля экологической и метеорологической ситуации в режиме мониторинга и реализация технологий мезомасштабного и краткосрочного прогнозирования состояния АПС требует применения новых инструментальных средств и использования созданных на их основе программно¬аппаратных систем для определения метеорологических параметров атмосферы и контроля количественного состава поллютантов в атмосферном воздухе.
На 7-м Всероссийском метеорологическом съезде в дискуссиях «за круглым столом» было отмечено, что особую актуальность в задаче инструментального обеспечения мониторинга приобретает использование в основе измерительных сетей полностью автоматизированных измерительных станций («станций- роботов»), способных работать в течение длительного времени без участия человека. К таким «станциям-роботам» предъявляются дополнительные эксплуатационные требования, основными из которых являются полная автоматизация процессов измерения, регистрации и передачи информации, а также длительность автономной работы без обслуживания человеком (не менее 0.5 - 1 года), повышенный межповерочный интервал и возможность дистанционного контроля работоспособности станции.
Автоматические метеорологические станции нового поколения, кроме работы в составе наблюдательной гидрометеорологической сети, могут быть использованы непосредственно в технологических системах для решения задач оптимизации метеорологически зависимых технологических процессов на предприятиях различных отраслей промышленности. К области специальных задач, выполнение которых решается с помощью автоматических метеорологических комплексов, относятся, в гражданской сфере, обеспечение метеорологической безопасности населения и объектов хозяйственной инфраструктуры посредством оперативного обнаружения возникновения и прогнозирования эволюции опасных метеорологических явлений, а в военной сфере - оперативное метеорологическое обеспечения театра военных действий с целью повышения эффективности выполнения боевых задач различными видами вооруженных сил.
Мониторинг газовых загрязнений АПС, контроль источников выбросов и технологических процессов осуществляется посредством газоанализаторов различных типов. Для анализа многокомпонентных газовых сред приходится использовать датчики, работа которых основана на различных физических и химических методах: оптическом, акустическом, электрохимическом, хемилюминесцентном, хроматографическом и др. Однако, несмотря на свое разнообразие, существующие газоаналитические приборы и комплексы в настоящее время не обеспечивают, в полной мере, решения проблем экологического мониторинга и контроля технологических процессов.
Существующее отставание отечественного приборостроения в области метеорологического мониторинга, создания метеорологических комплексов специального назначения, газоаналитического оборудования для экологического контроля и контроля технологических процессов привело к вынужденному использованию преимущественно импортных приборов, что влечет за собой технологическую зависимость от зарубежных компаний, недопустимую в сфере деятельности, имеющей важное значение для экономики и обороноспособности страны. Актуальность создания новых приборов и комплексов, использующих новые способы измерений в области метеорологического мониторинга, анализа загрязнения атмосферного воздуха и контроля связанных с ними технологических процессов, определена в документе Министерства образования и науки РФ «Прогноз научно-технического развития Российской Федерации на период до 2030 года» [2], составленном при участии Российской академии наук и ведущих научно-исследовательских институтов различных министерств и ведомств, и являющимся одним из основополагающих документов системы стратегического планирования развития Российской Федерации. В нем определены наиболее перспективные направления научных исследований, в том числе:
- разработка новых технологий инструментального контроля выбросов загрязнений в атмосферу и создание систем раннего обнаружения и прогнозирования чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, разработка технологий обеспечения безопасности производственных объектов;
- создание систем мониторинга, оценки и прогнозирования состояния окружающей среды, включая разработку автоматизированных систем контроля состояния атмосферы, а также разработка оборудования для мониторинга, контроля риска возникновения и уменьшения последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера и т.п.
Данная проблематика соответствует приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники Российской Федерации «Рациональное природопользование» и «Перспективные виды вооружения, военной и специальной техники», а так же входит в перечень критических технологий Российской Федерации («Технологии мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, предотвращения и ликвидации ее загрязнения», «Технологии предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера», «Базовые и критические военные и промышленные технологии для создания перспективных видов вооружения, военной и специальной техники»).
Настоящая работа выполнялась в рамках государственных заданий по программам:
1. ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы». Направление «Рациональное природопользование», мероприятие 1.3. Проект «Разработка и создание измерительно-вычислительной системы для реализации технологии мезомасштабного мониторинга и прогнозирования состояния атмосферного пограничного слоя» (шифр ПНИ «2014-14-579-0004-034», идентификатор RFMEFI60714X0030) (2014-2016 гг.);
2. Программы СО РАН и ФНИ ГАН:
а) Базовый проект СО РАН 28.2.3 Разработка новых методов, технологий и приборов на основе оптических, радиоволновых и акустических эффектов для контроля природных и техногенных систем, а также для решения спецзадач (2004-2006 гг.);
б) Базовый проект СО РАН 7.13.1.2 "Развитие методов и технических средств на основе оптических, радиоволновых и акустических эффектов для изучения природных и техногенных систем" (2007-2009 гг.);
в) Базовый проект СО РАН № VII.66.1.2 "Развитие физических методов и технических средств для мониторинга окружающей среды и обеспечения безопасности населения" (2010-2012 гг.);
г) Проект VIII.80.1.2 "Научные основы создания новых газоаналитических приборов и методик их использования для мониторинга окружающей среды и специального контроля" (2012-2016 гг.);
д) Проект VIII.80.2.2 "Научные основы создания оптических, акустических и электронных приборов, комплексов и систем для метеорологических измерений и технологии их применения в задачах мониторинга окружающей среды" (2012¬2016 гг.);
3. Проекты РФФИ:
а) № 09-05-99014/р_офи "Разработка научных основ технологии и создание измерительно-вычислительной системы для регионального прогноза опасных метеорологических явлений" (2009-2010 гг.);
б) № 11-05-98062/ р_сибирь_а "Разработка и исследование алгоритмов пространственно-временного прогнозирования возникновения и развития опасных метеорологических ситуаций и создание макета региональной измерительно-вычислительной системы для их реализации" (2011-2012 гг.);
4. В ОКР специального назначения (заказчик - МО РФ): "Городище-СО-М", "Борисполь-2", "Трасса-М", "Ринг-2/15-ВДВ", "Механизм", "Фальцет", "Канонада", "Броненосец" и др.;
5. В двенадцати проектах Приборной программы СО РАН «Импортозамещение» (2005 - 2012 гг.).
6. По планам работ СКБ НП "Оптика" СО АН СССР, КТИ "Оптика" СО РАН и ИОМ СО РАН в период 1980-2003 гг.
В настоящей диссертационной работе описаны результаты разработки новых способов и реализующих их технических устройств экологического и метеорологического мониторинга для решения различных задач в гражданской и военной областях. Общим для этих разработок являются область их применения: мониторинг окружающей среды (а именно, контроль экологических и метеорологических характеристик АПС), и физические принципы, на которых основывается работа приборов: в основе разработок газоанализаторов и метеорологических измерительных приборов использованы оптические и акустические методы измерений и их сочетание в одном измерительном комплексе. Это позволило разработать новые способы измерений и создать новые измерительные средства с улучшенными техническими характеристиками и широкими функциональными возможностями.
Целью диссертационной работы является разработка методологических основ и создание инструментальной базы для обеспечения экспериментальных натурных исследований новых алгоритмов, методов и технологий контроля атмосферного пограничного слоя, а также решение проблемы импортозамещения в области экологического и метеорологического приборостроения.
Основные задачи диссертационной работы:
- разработка, создание, испытания и организация производства новых автоматических приборов и комплексов на основе использования оптических и акустических методов;
- разработка метрологического обеспечения разрабатываемых технических средств;
- разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных сигналов и представление результатов в приборах для экологического и метеорологического мониторинга атмосферного пограничного слоя и в средствах контроля технологических процессов;
- разработка методов повышения информационной и метрологической надежности разрабатываемых приборов и средств контроля в процессе эксплуатации, обеспечение диагностики приборов контроля.
Научная новизна:
1. Разработаны новые схемотехнические и конструктивные решения для ультразвуковых 3Э-термоанемометров (3Э-УТА), обеспечивающие малое затенение электроакустических преобразователей (ЭАП) и жесткость несущей конструкции. На основе разработанных 3Э-УТА создан ряд модификаций ультразвуковых автоматических метеорологических станций (УАМС) с улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками. Новые технические решения защищены патентом РФ № 147970 [3].
2. Разработаны новые способы и реализующие их устройства для контроля и диагностики 30-УТА, позволяющие оперативно выполнять эти операции непосредственно на месте эксплуатации измерительных приборов. Новые технические решения защищены двумя патентами РФ № 2319987 [4] и № 2568993 [5].
3. Разработаны новые схемотехнические и конструктивные решения, алгоритм работы и методика калибровки оптического измерителя осадков, использующего теневой метод, и создан опытный образец осадкомера. Новые технические решения защищены двумя патентами РФ № 2575181 [6] и № 119898 [7].
4. Предложены и апробированы в натурных условиях новые методы и технологии дистанционного контроля метеорологических параметров АПС посредством портативных автоматических метеостанций, устанавливаемых на борту беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), а также разработаны способы и технические решения для комплексного контроля метеорологических параметров АПС и содержания поллютантов в воздухе посредством измерения характеристик оптического и акустического излучения плазмы дистанционного оптического пробоя. Новые технические решения защищены 11 авторскими свидетельствами СССР №№ [8 - 18] и 2 патентами РФ №№ 246936, 2251096 [19, 20].
5. Впервые предложен и обоснован новый термоакустический метод определения энергии излучения инфракрасного диапазона, обладающий малой инерционностью (~10 мс), и разработан новый оптико-акустический способ измерения этой энергии с помощью ультразвукового термоанемометра, показана возможность использования предложенного способа для детектирования оптических сигналов в абсорбционных ИК-газоанализаторах. Новые технические решения защищены 3 патентами РФ №№ 2208224, 2207546, 2460990 [21, 22, 23].
6. Разработаны новые схемотехнические и конструктивные решения автоматических оптических газоанализаторов на основе метода дифференциального атомного абсорбционного анализа (ДААС) в ближней ультрафиолетовой и видимой области оптического спектра, а также метода спонтанного комбинационного рассеяния света (СКР), что позволило создать ряд модификаций приборов для непрерывного мониторинга дымовых выбросов и определения загрязнений воздушной среды токсичными газами и парами ртути Новые технические решения защищены 4 патентами РФ №№ 126136, 2244291, 2469281, 2474796 [24 - 27] и свидетельством РФ на полезную модель № 19169 [28].
7. Разработана, создана и введена в опытную эксплуатацию мезомасштабная автоматизированная система для обеспечения экспериментальных исследований и натурной апробации новых алгоритмов, методов и технологий контроля состояния АПС.
Разработки, выполненные при участии и под руководством автора в период с 1997 по 2015 гг., десять раз включались в годовые отчетные доклады РАН и СО РАН в качестве важнейших научных достижений:
- 1997 г. (СО РАН) - разработка газоанализатора "Оксид-1М" (прототип ДОГ);
- 2000 г. (СО РАН) - разработка газоанализатора ДОГ (модификация ДОГ-1М);
- 2003 г. (РАН) - разработка бортового метеокомплекса БМК-01 (в составе бортовой системы прогнозирования дальности и качества звукового вещания);
- 2008 г. (СО РАН) - разработка мобильного варианта УАМС АМК-03Б;
- 2009 г. (РАН) - разработка переносного метеокомплекса ЭКСМЕТЕО (аналог ПАМК 1Б65 военного назначения);
- 2009 г. (РАН) - разработка оптического измерителя осадков;
- 2010 г. (РАН) - разработка прототипа региональной информационно-измерительной системы для мониторинга опасных метеорологических явлений;
- 2012 г. (РАН) - разработка СКР-газоанализатора;
- 2013 г. (СО РАН) - разработка оптического измерителя осадков;
- 2014 г. (РАН) - разработка оптического измерителя осадков ОПТИОС.
Практическая значимость и реализация результатов работы
Практическая значимость результатов работы определяется прикладным характером выполненных исследований и подтверждается внедрением разработанных способов измерений и реализующих их устройств в различных отраслях экономики и оборонного комплекса страны:
1) Сертифицированы в качестве средств измерений гражданского и военного назначения УАМС АМК-03, ПАМК 1Б65 и бортовой метеокомплекс АМК-Б (в составе изделия ГО.1.26.02) (см. Приложения А1, А2, А3). Метеокомплексы 1Б65, 1Б65Б и АМК-Б (в составе изделия ГО.1.26.02) приняты на снабжение Вооруженных Сил РФ (см. Приложение В1). Организовано опытное и промышленное производство УАМС АМК-03 и ее модификаций гражданского и военного назначения: УАМС АМК-03, 1Б65, 1Б65Б, АМК-Б выпускаются серийно, метеокомплексы БМК-01, АМК-03/3у АМК-03Б - в виде опытных и экспериментальных образцов (см. Приложения Б1 - Б4).
Основными потребителями метеокомплексов являются Минобороны России, МВД России, МЧС России, промышленные предприятия и государственные спецобъекты России (космодром «Восточный» (см. Приложение В2), космодром «Байконур»), а также зарубежные пользователи - Северо¬западный институт ядерных исследований (NINT) (Китайская народная республика), ЗАО «Завод им. Кирова» (Республика Казахстан), Центр парашютной подготовки Вооруженных Сил Республики Казахстан (см Приложение В2), вооруженные силы иностранных государств (АО «Рособоронэкспорт) (см. Приложения Б1 - Б4).
Метеокомлексы АМК-03 и их модификации (включая системы метеорологического мониторинга на основе АМК-03), а также ртутный газоанализатор ДОГ-5, используются для выполнения научных исследований в научно-исследовательских институтах Сибирского отделения РАН и ВУЗах Сибирского региона: БНЦ СО РАН (г. Улан-Уде) (внедрены в рамках Приборной программы СО РАН «Импортозамещение - 2005, 2006, 2007, 2011»); ИМ СО РАН (г. Якутск), ИГ СО РАН (г. Иркутск), ИВЭП СО РАН (г. Барнаул) (внедрены в рамках Приборной программы СО РАН «Импортозамещение - 2009»); ИЛ СО РАН (г. Красноярск), ИКФИА СО РАН (г. Якутск), (внедрены в рамках Приборной программы СО РАН «Импортозамещение - 2010»); ТувИКОПР СО РАН (г. Кызыл), ИБПК СО РАН (г. Якутск) (внедрены в рамках Приборной программы СО РАН «Импортозамещение - 2011»); ИВТ СО РАН (г. Нововсибирск) (внедрен в рамках Приборной программы СО РАН «Импортозамещение - 2012»); а также ИМКЭС СО РАН (г. Томск), ИОА СО РАН (г. Томск), Томский государственный университет, Сургутский государственный университет, Нижневартовский педагогический институт и др.
Производителями УАМС АМК-03 и ее модификаций являются предприятия и организации г. Томска - ООО «Сибаналитприбор», ЗАО «Томский приборный завод» и ИМКЭС СО РАН (годовой объем выпуска изделий в 2015 - 2016 гг. превысил 100 штук, всего за время выпуска изготовлено и отправлено заказчикам около 700 метеокомплексов всех модификаций) (см. Приложения Б1 - Б4).
2) Опытный образец оптического измерителя осадков ОПТИОС входит в состав комплекса аппаратуры для обеспечения безопасности взлетно-посадочной полосы аэродромов, разрабатываемого ООО «БАНС» (г. Москва) по заказу МО РФ, а также в состав измерительно-вычислительной системы ЭО ИВС, разрабатываемой в рамках ФЦП МОН РФ [29].
3) Способ дистанционного определения элементного состава атмосферных газов и аэрозолей и реализующее его устройство (спектрохимический лидар) разработаны и изготовлены в СКБ НП «Оптика» СО АН СССР и в 1982-1985 гг. использовались для обеспечения научно-исследовательских работ по спецтематике в НПО «Астрофизика» (ОКБ «Радуга», г. Владимир).
4) Сертифицированы в качестве средств измерений РФ газоанализаторы ДОГ-1М и ДОГ-4 (см. Приложения А4 - А5). Организовано промышленное производство газоанализаторов ДОГ-1М, партия которых в количестве 70 шт. внедрена на теплоэнергетических предприятиях ОАО «Тюменьэнерго». Опытный образец двухкомпонентного газоанализатора ДОГ-4 прошел промышленные испытания на ГРЭС-2 г. Томска и готовится к внедрению на предприятиях теплоэнергетики.
5) Экспериментальный образец СКР-газоанализатора прошел испытания во ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева» с целью получения рекомендации на внедрение метода СКР-газоанализа на предприятиях ПАО «Газпром» в качестве штатного средства контроля компонентного состава природного газа, транспортируемого по магистральным газопроводам (см. Приложение В3).
6) Опытные образцы автоматизированной системы метеорологического мониторинга мезомасштабной территории «ИВС-МЕТЕО-3», ИВС-МЕТЕО-5» и ЭО ИВС изготовлены в ООО «Сибаналитприбор» (г. Томск) и внедрены в ИМКЭС СО РАН (г. Томск) и в ОАО «Ванкорнефть» (г. Красноярск).
Контроль за экологическим состоянием окружающей среды и сокращение ее загрязнения является на сегодня одной из важнейших задач человеческого общества, напрямую связанной с возможностью его дальнейшего технологического развития и безопасностью. В связи с особой актуальностью проблемы указом Президента 2017 год объявлен в России Годом экологии [1].
Одним из определяющих экологических факторов территории является состояние воздушной среды, которое определяется характеристиками атмосферного пограничного слоя (АПС), в особенности его приземной части. При этом мезомасштабная экологическая ситуация, формирующаяся на локальной территории в тот или иной период времени, определяется не только загрязнением АПС источниками выбросов, но и складывающейся метеорологической обстановкой. Существенную роль в этом играют метеорологические факторы - скорость и направление ветра, температура и влажность воздуха, параметры осадков, присутствие вертикальных ветровых потоков и потоков тепла, наличие особых состояний АПС (инверсии, конвекции), другие статистические и динамические метеорологические характеристики. Поэтому анализ и прогнозирование экологического состояния АПС требуют осуществления комплексного контроля его параметров, в том числе, не входящих в стандартный перечень величин, контролируемых гидрометеорологической службой.
Обеспечение контроля экологической и метеорологической ситуации в режиме мониторинга и реализация технологий мезомасштабного и краткосрочного прогнозирования состояния АПС требует применения новых инструментальных средств и использования созданных на их основе программно¬аппаратных систем для определения метеорологических параметров атмосферы и контроля количественного состава поллютантов в атмосферном воздухе.
На 7-м Всероссийском метеорологическом съезде в дискуссиях «за круглым столом» было отмечено, что особую актуальность в задаче инструментального обеспечения мониторинга приобретает использование в основе измерительных сетей полностью автоматизированных измерительных станций («станций- роботов»), способных работать в течение длительного времени без участия человека. К таким «станциям-роботам» предъявляются дополнительные эксплуатационные требования, основными из которых являются полная автоматизация процессов измерения, регистрации и передачи информации, а также длительность автономной работы без обслуживания человеком (не менее 0.5 - 1 года), повышенный межповерочный интервал и возможность дистанционного контроля работоспособности станции.
Автоматические метеорологические станции нового поколения, кроме работы в составе наблюдательной гидрометеорологической сети, могут быть использованы непосредственно в технологических системах для решения задач оптимизации метеорологически зависимых технологических процессов на предприятиях различных отраслей промышленности. К области специальных задач, выполнение которых решается с помощью автоматических метеорологических комплексов, относятся, в гражданской сфере, обеспечение метеорологической безопасности населения и объектов хозяйственной инфраструктуры посредством оперативного обнаружения возникновения и прогнозирования эволюции опасных метеорологических явлений, а в военной сфере - оперативное метеорологическое обеспечения театра военных действий с целью повышения эффективности выполнения боевых задач различными видами вооруженных сил.
Мониторинг газовых загрязнений АПС, контроль источников выбросов и технологических процессов осуществляется посредством газоанализаторов различных типов. Для анализа многокомпонентных газовых сред приходится использовать датчики, работа которых основана на различных физических и химических методах: оптическом, акустическом, электрохимическом, хемилюминесцентном, хроматографическом и др. Однако, несмотря на свое разнообразие, существующие газоаналитические приборы и комплексы в настоящее время не обеспечивают, в полной мере, решения проблем экологического мониторинга и контроля технологических процессов.
Существующее отставание отечественного приборостроения в области метеорологического мониторинга, создания метеорологических комплексов специального назначения, газоаналитического оборудования для экологического контроля и контроля технологических процессов привело к вынужденному использованию преимущественно импортных приборов, что влечет за собой технологическую зависимость от зарубежных компаний, недопустимую в сфере деятельности, имеющей важное значение для экономики и обороноспособности страны. Актуальность создания новых приборов и комплексов, использующих новые способы измерений в области метеорологического мониторинга, анализа загрязнения атмосферного воздуха и контроля связанных с ними технологических процессов, определена в документе Министерства образования и науки РФ «Прогноз научно-технического развития Российской Федерации на период до 2030 года» [2], составленном при участии Российской академии наук и ведущих научно-исследовательских институтов различных министерств и ведомств, и являющимся одним из основополагающих документов системы стратегического планирования развития Российской Федерации. В нем определены наиболее перспективные направления научных исследований, в том числе:
- разработка новых технологий инструментального контроля выбросов загрязнений в атмосферу и создание систем раннего обнаружения и прогнозирования чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, разработка технологий обеспечения безопасности производственных объектов;
- создание систем мониторинга, оценки и прогнозирования состояния окружающей среды, включая разработку автоматизированных систем контроля состояния атмосферы, а также разработка оборудования для мониторинга, контроля риска возникновения и уменьшения последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера и т.п.
Данная проблематика соответствует приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники Российской Федерации «Рациональное природопользование» и «Перспективные виды вооружения, военной и специальной техники», а так же входит в перечень критических технологий Российской Федерации («Технологии мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, предотвращения и ликвидации ее загрязнения», «Технологии предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера», «Базовые и критические военные и промышленные технологии для создания перспективных видов вооружения, военной и специальной техники»).
Настоящая работа выполнялась в рамках государственных заданий по программам:
1. ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы». Направление «Рациональное природопользование», мероприятие 1.3. Проект «Разработка и создание измерительно-вычислительной системы для реализации технологии мезомасштабного мониторинга и прогнозирования состояния атмосферного пограничного слоя» (шифр ПНИ «2014-14-579-0004-034», идентификатор RFMEFI60714X0030) (2014-2016 гг.);
2. Программы СО РАН и ФНИ ГАН:
а) Базовый проект СО РАН 28.2.3 Разработка новых методов, технологий и приборов на основе оптических, радиоволновых и акустических эффектов для контроля природных и техногенных систем, а также для решения спецзадач (2004-2006 гг.);
б) Базовый проект СО РАН 7.13.1.2 "Развитие методов и технических средств на основе оптических, радиоволновых и акустических эффектов для изучения природных и техногенных систем" (2007-2009 гг.);
в) Базовый проект СО РАН № VII.66.1.2 "Развитие физических методов и технических средств для мониторинга окружающей среды и обеспечения безопасности населения" (2010-2012 гг.);
г) Проект VIII.80.1.2 "Научные основы создания новых газоаналитических приборов и методик их использования для мониторинга окружающей среды и специального контроля" (2012-2016 гг.);
д) Проект VIII.80.2.2 "Научные основы создания оптических, акустических и электронных приборов, комплексов и систем для метеорологических измерений и технологии их применения в задачах мониторинга окружающей среды" (2012¬2016 гг.);
3. Проекты РФФИ:
а) № 09-05-99014/р_офи "Разработка научных основ технологии и создание измерительно-вычислительной системы для регионального прогноза опасных метеорологических явлений" (2009-2010 гг.);
б) № 11-05-98062/ р_сибирь_а "Разработка и исследование алгоритмов пространственно-временного прогнозирования возникновения и развития опасных метеорологических ситуаций и создание макета региональной измерительно-вычислительной системы для их реализации" (2011-2012 гг.);
4. В ОКР специального назначения (заказчик - МО РФ): "Городище-СО-М", "Борисполь-2", "Трасса-М", "Ринг-2/15-ВДВ", "Механизм", "Фальцет", "Канонада", "Броненосец" и др.;
5. В двенадцати проектах Приборной программы СО РАН «Импортозамещение» (2005 - 2012 гг.).
6. По планам работ СКБ НП "Оптика" СО АН СССР, КТИ "Оптика" СО РАН и ИОМ СО РАН в период 1980-2003 гг.
В настоящей диссертационной работе описаны результаты разработки новых способов и реализующих их технических устройств экологического и метеорологического мониторинга для решения различных задач в гражданской и военной областях. Общим для этих разработок являются область их применения: мониторинг окружающей среды (а именно, контроль экологических и метеорологических характеристик АПС), и физические принципы, на которых основывается работа приборов: в основе разработок газоанализаторов и метеорологических измерительных приборов использованы оптические и акустические методы измерений и их сочетание в одном измерительном комплексе. Это позволило разработать новые способы измерений и создать новые измерительные средства с улучшенными техническими характеристиками и широкими функциональными возможностями.
Целью диссертационной работы является разработка методологических основ и создание инструментальной базы для обеспечения экспериментальных натурных исследований новых алгоритмов, методов и технологий контроля атмосферного пограничного слоя, а также решение проблемы импортозамещения в области экологического и метеорологического приборостроения.
Основные задачи диссертационной работы:
- разработка, создание, испытания и организация производства новых автоматических приборов и комплексов на основе использования оптических и акустических методов;
- разработка метрологического обеспечения разрабатываемых технических средств;
- разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных сигналов и представление результатов в приборах для экологического и метеорологического мониторинга атмосферного пограничного слоя и в средствах контроля технологических процессов;
- разработка методов повышения информационной и метрологической надежности разрабатываемых приборов и средств контроля в процессе эксплуатации, обеспечение диагностики приборов контроля.
Научная новизна:
1. Разработаны новые схемотехнические и конструктивные решения для ультразвуковых 3Э-термоанемометров (3Э-УТА), обеспечивающие малое затенение электроакустических преобразователей (ЭАП) и жесткость несущей конструкции. На основе разработанных 3Э-УТА создан ряд модификаций ультразвуковых автоматических метеорологических станций (УАМС) с улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками. Новые технические решения защищены патентом РФ № 147970 [3].
2. Разработаны новые способы и реализующие их устройства для контроля и диагностики 30-УТА, позволяющие оперативно выполнять эти операции непосредственно на месте эксплуатации измерительных приборов. Новые технические решения защищены двумя патентами РФ № 2319987 [4] и № 2568993 [5].
3. Разработаны новые схемотехнические и конструктивные решения, алгоритм работы и методика калибровки оптического измерителя осадков, использующего теневой метод, и создан опытный образец осадкомера. Новые технические решения защищены двумя патентами РФ № 2575181 [6] и № 119898 [7].
4. Предложены и апробированы в натурных условиях новые методы и технологии дистанционного контроля метеорологических параметров АПС посредством портативных автоматических метеостанций, устанавливаемых на борту беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), а также разработаны способы и технические решения для комплексного контроля метеорологических параметров АПС и содержания поллютантов в воздухе посредством измерения характеристик оптического и акустического излучения плазмы дистанционного оптического пробоя. Новые технические решения защищены 11 авторскими свидетельствами СССР №№ [8 - 18] и 2 патентами РФ №№ 246936, 2251096 [19, 20].
5. Впервые предложен и обоснован новый термоакустический метод определения энергии излучения инфракрасного диапазона, обладающий малой инерционностью (~10 мс), и разработан новый оптико-акустический способ измерения этой энергии с помощью ультразвукового термоанемометра, показана возможность использования предложенного способа для детектирования оптических сигналов в абсорбционных ИК-газоанализаторах. Новые технические решения защищены 3 патентами РФ №№ 2208224, 2207546, 2460990 [21, 22, 23].
6. Разработаны новые схемотехнические и конструктивные решения автоматических оптических газоанализаторов на основе метода дифференциального атомного абсорбционного анализа (ДААС) в ближней ультрафиолетовой и видимой области оптического спектра, а также метода спонтанного комбинационного рассеяния света (СКР), что позволило создать ряд модификаций приборов для непрерывного мониторинга дымовых выбросов и определения загрязнений воздушной среды токсичными газами и парами ртути Новые технические решения защищены 4 патентами РФ №№ 126136, 2244291, 2469281, 2474796 [24 - 27] и свидетельством РФ на полезную модель № 19169 [28].
7. Разработана, создана и введена в опытную эксплуатацию мезомасштабная автоматизированная система для обеспечения экспериментальных исследований и натурной апробации новых алгоритмов, методов и технологий контроля состояния АПС.
Разработки, выполненные при участии и под руководством автора в период с 1997 по 2015 гг., десять раз включались в годовые отчетные доклады РАН и СО РАН в качестве важнейших научных достижений:
- 1997 г. (СО РАН) - разработка газоанализатора "Оксид-1М" (прототип ДОГ);
- 2000 г. (СО РАН) - разработка газоанализатора ДОГ (модификация ДОГ-1М);
- 2003 г. (РАН) - разработка бортового метеокомплекса БМК-01 (в составе бортовой системы прогнозирования дальности и качества звукового вещания);
- 2008 г. (СО РАН) - разработка мобильного варианта УАМС АМК-03Б;
- 2009 г. (РАН) - разработка переносного метеокомплекса ЭКСМЕТЕО (аналог ПАМК 1Б65 военного назначения);
- 2009 г. (РАН) - разработка оптического измерителя осадков;
- 2010 г. (РАН) - разработка прототипа региональной информационно-измерительной системы для мониторинга опасных метеорологических явлений;
- 2012 г. (РАН) - разработка СКР-газоанализатора;
- 2013 г. (СО РАН) - разработка оптического измерителя осадков;
- 2014 г. (РАН) - разработка оптического измерителя осадков ОПТИОС.
Практическая значимость и реализация результатов работы
Практическая значимость результатов работы определяется прикладным характером выполненных исследований и подтверждается внедрением разработанных способов измерений и реализующих их устройств в различных отраслях экономики и оборонного комплекса страны:
1) Сертифицированы в качестве средств измерений гражданского и военного назначения УАМС АМК-03, ПАМК 1Б65 и бортовой метеокомплекс АМК-Б (в составе изделия ГО.1.26.02) (см. Приложения А1, А2, А3). Метеокомплексы 1Б65, 1Б65Б и АМК-Б (в составе изделия ГО.1.26.02) приняты на снабжение Вооруженных Сил РФ (см. Приложение В1). Организовано опытное и промышленное производство УАМС АМК-03 и ее модификаций гражданского и военного назначения: УАМС АМК-03, 1Б65, 1Б65Б, АМК-Б выпускаются серийно, метеокомплексы БМК-01, АМК-03/3у АМК-03Б - в виде опытных и экспериментальных образцов (см. Приложения Б1 - Б4).
Основными потребителями метеокомплексов являются Минобороны России, МВД России, МЧС России, промышленные предприятия и государственные спецобъекты России (космодром «Восточный» (см. Приложение В2), космодром «Байконур»), а также зарубежные пользователи - Северо¬западный институт ядерных исследований (NINT) (Китайская народная республика), ЗАО «Завод им. Кирова» (Республика Казахстан), Центр парашютной подготовки Вооруженных Сил Республики Казахстан (см Приложение В2), вооруженные силы иностранных государств (АО «Рособоронэкспорт) (см. Приложения Б1 - Б4).
Метеокомлексы АМК-03 и их модификации (включая системы метеорологического мониторинга на основе АМК-03), а также ртутный газоанализатор ДОГ-5, используются для выполнения научных исследований в научно-исследовательских институтах Сибирского отделения РАН и ВУЗах Сибирского региона: БНЦ СО РАН (г. Улан-Уде) (внедрены в рамках Приборной программы СО РАН «Импортозамещение - 2005, 2006, 2007, 2011»); ИМ СО РАН (г. Якутск), ИГ СО РАН (г. Иркутск), ИВЭП СО РАН (г. Барнаул) (внедрены в рамках Приборной программы СО РАН «Импортозамещение - 2009»); ИЛ СО РАН (г. Красноярск), ИКФИА СО РАН (г. Якутск), (внедрены в рамках Приборной программы СО РАН «Импортозамещение - 2010»); ТувИКОПР СО РАН (г. Кызыл), ИБПК СО РАН (г. Якутск) (внедрены в рамках Приборной программы СО РАН «Импортозамещение - 2011»); ИВТ СО РАН (г. Нововсибирск) (внедрен в рамках Приборной программы СО РАН «Импортозамещение - 2012»); а также ИМКЭС СО РАН (г. Томск), ИОА СО РАН (г. Томск), Томский государственный университет, Сургутский государственный университет, Нижневартовский педагогический институт и др.
Производителями УАМС АМК-03 и ее модификаций являются предприятия и организации г. Томска - ООО «Сибаналитприбор», ЗАО «Томский приборный завод» и ИМКЭС СО РАН (годовой объем выпуска изделий в 2015 - 2016 гг. превысил 100 штук, всего за время выпуска изготовлено и отправлено заказчикам около 700 метеокомплексов всех модификаций) (см. Приложения Б1 - Б4).
2) Опытный образец оптического измерителя осадков ОПТИОС входит в состав комплекса аппаратуры для обеспечения безопасности взлетно-посадочной полосы аэродромов, разрабатываемого ООО «БАНС» (г. Москва) по заказу МО РФ, а также в состав измерительно-вычислительной системы ЭО ИВС, разрабатываемой в рамках ФЦП МОН РФ [29].
3) Способ дистанционного определения элементного состава атмосферных газов и аэрозолей и реализующее его устройство (спектрохимический лидар) разработаны и изготовлены в СКБ НП «Оптика» СО АН СССР и в 1982-1985 гг. использовались для обеспечения научно-исследовательских работ по спецтематике в НПО «Астрофизика» (ОКБ «Радуга», г. Владимир).
4) Сертифицированы в качестве средств измерений РФ газоанализаторы ДОГ-1М и ДОГ-4 (см. Приложения А4 - А5). Организовано промышленное производство газоанализаторов ДОГ-1М, партия которых в количестве 70 шт. внедрена на теплоэнергетических предприятиях ОАО «Тюменьэнерго». Опытный образец двухкомпонентного газоанализатора ДОГ-4 прошел промышленные испытания на ГРЭС-2 г. Томска и готовится к внедрению на предприятиях теплоэнергетики.
5) Экспериментальный образец СКР-газоанализатора прошел испытания во ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева» с целью получения рекомендации на внедрение метода СКР-газоанализа на предприятиях ПАО «Газпром» в качестве штатного средства контроля компонентного состава природного газа, транспортируемого по магистральным газопроводам (см. Приложение В3).
6) Опытные образцы автоматизированной системы метеорологического мониторинга мезомасштабной территории «ИВС-МЕТЕО-3», ИВС-МЕТЕО-5» и ЭО ИВС изготовлены в ООО «Сибаналитприбор» (г. Томск) и внедрены в ИМКЭС СО РАН (г. Томск) и в ОАО «Ванкорнефть» (г. Красноярск).
1. На основе метода акустической термоанемометрии с использованием новых технических решений разработана линейка модификаций стационарных, переносных и бортовых отечественных ультразвуковых АМС типа АМК-03 гражданского (АМК-03, АМК-03/3у, АМК-03П, ЭКСМЕТЕО, АМК-03Б) и военного (1Б65Б, АМК-Б, БМК-01) назначений. УАМС обеспечивают измерение мгновенных значений основных метеорологических величин - 3Б-вектора скорости ветра (в диапазоне от 0 до 50 м/с) и температуры воздуха (в диапазоне от минус 70 до плюс 55 °С) с постоянной времени до 1.25*10-2с, а также атмосферного давления и влажности воздуха.
2. Созданные УАМС представляют собой программно-аппаратные комплексы и способны в режиме реального времени, без участия оператора, в условиях арктического, умеренно-холодного и тропического климата осуществлять метеорологический мониторинг приземного слоя атмосферы, а также решать специальные задачи метеорологического обеспечения военных действий. Базовые модификации УАМС внесены в Государственный реестр средств измерения РФ гражданского и военного назначения, метеокомплексы 1Б65, 1Б65Б и АМК-Б приняты на снабжение ВС РФ. Разработаны и введены технические условия, в соответствии с которыми организовано промышленное производство УАМС.
Разработанные УАМС используются в силовых структурах, на специальных государственных объектах и в научных учреждениях страны (МО РФ, МВД РФ, МЧС РФ, космодромы «Восточный» и «Байконур», Российская академия наук и др.), а также за рубежом (Северо-западный институт ядерных исследований (NINT) (Китайская народная республика), ЗАО «Завод им. Кирова» (республика Казахстан) и др.)
3. Разработаны новые автоматизированные технические средства диагностики УАМС, позволяющие проводить поверку и калибровку 30-УТА в полевых условиях. Автоматизированная система диагностики АСКФ внедрена в состав бортового метеокомплекса военного назначения 1Б65Б.
4. На основе теневого метода с использованием новых технических решений разработаны двухканальная (ОДИО) и одноканальная (ОПТИОС) модификации оптических осадкомеров, которые обеспечивают измерение интегральных (сумма и интенсивность осадков с чувствительностью до 2 10-4 мм) и структурных (размеры частиц и скорость падения частиц) характеристик атмосферных осадков (дождя, снега и града). Разработана и экспериментально апробирована методика калибровки осадкомеров, опытный образец ОПТИОС подготовлен к сертификации в Росстандарте.
5. На основе использования созданных портативных АМС (электронных и ультразвуковых) и БПЛА (дронов и привязных аэростатов) разработаны новые технологии и реализующие их устройства для дистанционных контактных и бесконтактных измерений вертикальных профилей метеорологических и турбулентных характеристик АПС (до высоты 2 км с пространственным разрешением до 10 м).
6. На основе использования эффекта дистанционного оптического пробоя атмосферного воздуха, возникающего при распространении мощного лазерного излучения, разработаны новые способы и реализующее их устройство (спектрохимический лидар) для дистанционного бесконтактного определения химического состава атмосферных поллютантов и метеорологических характеристик АПС. Лидар использовался при полигонных испытаниях силовых лазерных установок специального назначения.
7. На основе метода ультразвуковой термометрии разработан и экспериментально апробирован новый способ и реализующее его устройство для детектирования излучения инфракрасного и терагерцового диапазонов, обоснована возможность применения такого фотоприемника в оптических газоанализаторах. Экспериментально определенная чувствительность измерения энергии СО2-лазера составляет 7-10-3Дж.
8. На основе метода дифференциального поглощения в УФ диапазоне с использованием новых технических решений разработаны газоанализаторы ДОГ - 1М и ДОГ-4 для измерения концентрации окиси азота NO и двуокиси серы SO2в дымовых выбросах ТЭС. Газоанализаторы ДОГ-1М внедрены в системах АСУ ТП тепловых электростанций АО «Тюменьэнерго».
9. На основе метода СКР с использованием новых технических решений создан экспериментальный образец газоанализатора для контроля состава многокомпонентных молекулярных газовых смесей на уровне ПДК - СКР/м. Одна из модификаций СКР-газоанализатора рекомендована ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева к использованию для анализа компонентного состава природного газа, продуктов его технологической переработки и газовых смесей аналогичного состава.
10. На основе поперечного эффекта Зеемана созданы экспериментальные образцы анализатора концентрации паров ртути в атмосферном воздухе на уровне 30 нг/м3 (0,1 ПДК): ДОГ-05 (в качестве источника излучения использована ртутная капиллярная изотопная лампа) и РГА/м (в качестве источника излучения - ртутная капиллярная лампа с естественным изотопным составом).
11. Разработана и введена в опытную эксплуатацию автоматизированная измерительно-вычислительная система ЭО ИВС, позволяющая осуществлять в режиме реального времени мониторинг экологических, метеорологических и турбулентных параметров АПС, а также выполнять экспериментальные исследования и натурную апробацию новых методов контроля характеристик атмосферы.
12. Разработанные измерительные приборы и комплексы, составившие инструментальную основу ЭО ИВС (АМК-03, АМК-03/3у(О), «ЭКСМЕТЕО», АМК-03Б, ОПТИОС, ПУМС-БПЛА, ПЭМС-БПЛА, РГА/м, СКР/м), обладают более высокими техническими и эксплуатационными характеристиками по сравнению с большинством зарубежных аналогов и могут заместить их в различных отраслях хозяйства и оборонного комплекса страны.
2. Созданные УАМС представляют собой программно-аппаратные комплексы и способны в режиме реального времени, без участия оператора, в условиях арктического, умеренно-холодного и тропического климата осуществлять метеорологический мониторинг приземного слоя атмосферы, а также решать специальные задачи метеорологического обеспечения военных действий. Базовые модификации УАМС внесены в Государственный реестр средств измерения РФ гражданского и военного назначения, метеокомплексы 1Б65, 1Б65Б и АМК-Б приняты на снабжение ВС РФ. Разработаны и введены технические условия, в соответствии с которыми организовано промышленное производство УАМС.
Разработанные УАМС используются в силовых структурах, на специальных государственных объектах и в научных учреждениях страны (МО РФ, МВД РФ, МЧС РФ, космодромы «Восточный» и «Байконур», Российская академия наук и др.), а также за рубежом (Северо-западный институт ядерных исследований (NINT) (Китайская народная республика), ЗАО «Завод им. Кирова» (республика Казахстан) и др.)
3. Разработаны новые автоматизированные технические средства диагностики УАМС, позволяющие проводить поверку и калибровку 30-УТА в полевых условиях. Автоматизированная система диагностики АСКФ внедрена в состав бортового метеокомплекса военного назначения 1Б65Б.
4. На основе теневого метода с использованием новых технических решений разработаны двухканальная (ОДИО) и одноканальная (ОПТИОС) модификации оптических осадкомеров, которые обеспечивают измерение интегральных (сумма и интенсивность осадков с чувствительностью до 2 10-4 мм) и структурных (размеры частиц и скорость падения частиц) характеристик атмосферных осадков (дождя, снега и града). Разработана и экспериментально апробирована методика калибровки осадкомеров, опытный образец ОПТИОС подготовлен к сертификации в Росстандарте.
5. На основе использования созданных портативных АМС (электронных и ультразвуковых) и БПЛА (дронов и привязных аэростатов) разработаны новые технологии и реализующие их устройства для дистанционных контактных и бесконтактных измерений вертикальных профилей метеорологических и турбулентных характеристик АПС (до высоты 2 км с пространственным разрешением до 10 м).
6. На основе использования эффекта дистанционного оптического пробоя атмосферного воздуха, возникающего при распространении мощного лазерного излучения, разработаны новые способы и реализующее их устройство (спектрохимический лидар) для дистанционного бесконтактного определения химического состава атмосферных поллютантов и метеорологических характеристик АПС. Лидар использовался при полигонных испытаниях силовых лазерных установок специального назначения.
7. На основе метода ультразвуковой термометрии разработан и экспериментально апробирован новый способ и реализующее его устройство для детектирования излучения инфракрасного и терагерцового диапазонов, обоснована возможность применения такого фотоприемника в оптических газоанализаторах. Экспериментально определенная чувствительность измерения энергии СО2-лазера составляет 7-10-3Дж.
8. На основе метода дифференциального поглощения в УФ диапазоне с использованием новых технических решений разработаны газоанализаторы ДОГ - 1М и ДОГ-4 для измерения концентрации окиси азота NO и двуокиси серы SO2в дымовых выбросах ТЭС. Газоанализаторы ДОГ-1М внедрены в системах АСУ ТП тепловых электростанций АО «Тюменьэнерго».
9. На основе метода СКР с использованием новых технических решений создан экспериментальный образец газоанализатора для контроля состава многокомпонентных молекулярных газовых смесей на уровне ПДК - СКР/м. Одна из модификаций СКР-газоанализатора рекомендована ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева к использованию для анализа компонентного состава природного газа, продуктов его технологической переработки и газовых смесей аналогичного состава.
10. На основе поперечного эффекта Зеемана созданы экспериментальные образцы анализатора концентрации паров ртути в атмосферном воздухе на уровне 30 нг/м3 (0,1 ПДК): ДОГ-05 (в качестве источника излучения использована ртутная капиллярная изотопная лампа) и РГА/м (в качестве источника излучения - ртутная капиллярная лампа с естественным изотопным составом).
11. Разработана и введена в опытную эксплуатацию автоматизированная измерительно-вычислительная система ЭО ИВС, позволяющая осуществлять в режиме реального времени мониторинг экологических, метеорологических и турбулентных параметров АПС, а также выполнять экспериментальные исследования и натурную апробацию новых методов контроля характеристик атмосферы.
12. Разработанные измерительные приборы и комплексы, составившие инструментальную основу ЭО ИВС (АМК-03, АМК-03/3у(О), «ЭКСМЕТЕО», АМК-03Б, ОПТИОС, ПУМС-БПЛА, ПЭМС-БПЛА, РГА/м, СКР/м), обладают более высокими техническими и эксплуатационными характеристиками по сравнению с большинством зарубежных аналогов и могут заместить их в различных отраслях хозяйства и оборонного комплекса страны.