Оптоелектронний базовий модуль сенсорних систем метеорологічного та екологічного моніторингу

Розроблено і створено оптоелектронний базовий модуль сенсорних систем метеорологічного та екологічного моніторингу атмосферного середовища, що складається з двох уніфікованих блоків випромінювача і фотоприймача та в своїй побудові базується на об’єднанні нефелометричного та трансмісометричного метод...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2016
Hauptverfasser:	Кретуліс, В.С., Мінакова, І.Є., Олексенко, П.Ф.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України 2016
Schriftenreihe:	Оптоэлектроника и полупроводниковая техника
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/116786
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Оптоелектронний базовий модуль сенсорних систем метеорологічного та екологічного моніторингу / В.С. Кретуліс, І.Є. Мінакова, П.Ф. Олексенко // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника: Сб. научн. тр. — 2016. — Вип. 51. — С. 113-118. — Бібліогр.: 7 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-116786
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1167862025-02-09T23:13:28Z Оптоелектронний базовий модуль сенсорних систем метеорологічного та екологічного моніторингу Optoelectronic basic module of sensor systems for meteorological and ecological monitoring Кретуліс, В.С. Мінакова, І.Є. Олексенко, П.Ф. Розроблено і створено оптоелектронний базовий модуль сенсорних систем метеорологічного та екологічного моніторингу атмосферного середовища, що складається з двох уніфікованих блоків випромінювача і фотоприймача та в своїй побудові базується на об’єднанні нефелометричного та трансмісометричного методів. Реалізовані на основі базового модуля сенсори забезпечують з високими технічними характеристиками визначення і контроль прозорості атмосфери, k-фактора, метеорологічної дальності видимості та масової концентрації у повітрі твердих аерозольних частинок сажі. Optoelectronic base module of the sensor systems for meteorological and ecological atmosphere monitoring that consists of two uniform blocks of emitter and photodetector has been designed and created. The realization of these units is based on combination of nephelometric and transmissometric methods. Implemented through the basic module sensors provide high performance identification and control of atmospheric transparency, k-factor, meteorological visibility and solid aerosol soot particles concentration in air. 2016 Article Оптоелектронний базовий модуль сенсорних систем метеорологічного та екологічного моніторингу / В.С. Кретуліс, І.Є. Мінакова, П.Ф. Олексенко // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника: Сб. научн. тр. — 2016. — Вип. 51. — С. 113-118. — Бібліогр.: 7 назв. — укр. 0233-7577 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/116786 551.508:551.591 uk Оптоэлектроника и полупроводниковая техника application/pdf Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
description	Розроблено і створено оптоелектронний базовий модуль сенсорних систем метеорологічного та екологічного моніторингу атмосферного середовища, що складається з двох уніфікованих блоків випромінювача і фотоприймача та в своїй побудові базується на об’єднанні нефелометричного та трансмісометричного методів. Реалізовані на основі базового модуля сенсори забезпечують з високими технічними характеристиками визначення і контроль прозорості атмосфери, k-фактора, метеорологічної дальності видимості та масової концентрації у повітрі твердих аерозольних частинок сажі.
format	Article
author	Кретуліс, В.С. Мінакова, І.Є. Олексенко, П.Ф.
spellingShingle	Кретуліс, В.С. Мінакова, І.Є. Олексенко, П.Ф. Оптоелектронний базовий модуль сенсорних систем метеорологічного та екологічного моніторингу Оптоэлектроника и полупроводниковая техника
author_facet	Кретуліс, В.С. Мінакова, І.Є. Олексенко, П.Ф.
author_sort	Кретуліс, В.С.
title	Оптоелектронний базовий модуль сенсорних систем метеорологічного та екологічного моніторингу
title_short	Оптоелектронний базовий модуль сенсорних систем метеорологічного та екологічного моніторингу
title_full	Оптоелектронний базовий модуль сенсорних систем метеорологічного та екологічного моніторингу
title_fullStr	Оптоелектронний базовий модуль сенсорних систем метеорологічного та екологічного моніторингу
title_full_unstemmed	Оптоелектронний базовий модуль сенсорних систем метеорологічного та екологічного моніторингу
title_sort	оптоелектронний базовий модуль сенсорних систем метеорологічного та екологічного моніторингу
publisher	Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України
publishDate	2016
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/116786
citation_txt	Оптоелектронний базовий модуль сенсорних систем метеорологічного та екологічного моніторингу / В.С. Кретуліс, І.Є. Мінакова, П.Ф. Олексенко // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника: Сб. научн. тр. — 2016. — Вип. 51. — С. 113-118. — Бібліогр.: 7 назв. — укр.
series	Оптоэлектроника и полупроводниковая техника
work_keys_str_mv	AT kretulísvs optoelektronniibazoviimodulʹsensornihsistemmeteorologíčnogotaekologíčnogomonítoringu AT mínakovaíê optoelektronniibazoviimodulʹsensornihsistemmeteorologíčnogotaekologíčnogomonítoringu AT oleksenkopf optoelektronniibazoviimodulʹsensornihsistemmeteorologíčnogotaekologíčnogomonítoringu AT kretulísvs optoelectronicbasicmoduleofsensorsystemsformeteorologicalandecologicalmonitoring AT mínakovaíê optoelectronicbasicmoduleofsensorsystemsformeteorologicalandecologicalmonitoring AT oleksenkopf optoelectronicbasicmoduleofsensorsystemsformeteorologicalandecologicalmonitoring
first_indexed	2025-12-01T15:20:28Z
last_indexed	2025-12-01T15:20:28Z
_version_	1850319760253779968
fulltext	© В.С. Кретуліс, І.Є. Мінакова, П.Ф. Олексенко, 2016 ISSN 0233-7577. Оптоэлектроника и полупроводниковая техника, 2016, вып. 51 113 УДК 551.508:551.591 В.С. Кретуліс, І.Є. Мінакова, П.Ф. Олексенко ОПТОЕЛЕКТРОННИЙ БАЗОВИЙ МОДУЛЬ СЕНСОРНИХ СИСТЕМ МЕТЕОРОЛОГІЧНОГО ТА ЕКОЛОГІЧНОГО МОНІТОРИНГУ Розроблено і створено оптоелектронний базовий модуль сенсорних систем метеорологічного та екологічного моніторингу атмосферного середовища, що складається з двох уніфікованих блоків випромінювача і фотоприймача та в своїй побудові базується на об’єднанні нефелометричного та трансмісометричного методів. Реалізовані на основі базового модуля сенсори забезпечують з високими технічними характеристиками визначення і контроль прозорості атмосфери, k-фактора, метеорологічної дальності видимості та масової концентрації у повітрі твердих аерозольних частинок сажі. Ключові слова: оптоелектронний сенсор, метеорологічна дальність видимості, нефелометр, трансмісометр, показник розсіяння, моніторинг стану атмосфери. 1. ВСТУП Стан навколишнього атмосферного середовища є одним з найважливіших факторів успішної життєдіяльності людини, при цьому визначення видимості і зорового сприйняття об’єктів є головним фактором безпеки в роботі усіх видів транспортних засобів. Тому моніторинг атмосфери з таких метеорологічних елементів, як прозорість атмосфери, дальність видимості, показник ослаблення оптичного випромінювання і створення ефективних апаратно-приладних інструментів їх визначення становить масштабну науково- технічну задачу. Метою даної роботи є розробка оптоелектронного базового модуля сенсорних систем метеорологічного та екологічного моніторингу, який в своїй реалізації базується на об’єднанні нефелометричного і трансмісометричного методів. У плані екологічного моніторингу результат вимірювання може використовуватись як міра оцінки концентрації твердих аерозольних частинок елементарного вуглецю (сажі) в атмосферному повітрі. 2. ПОБУДОВА БАЗОВОГО МОДУЛЯ У приладній практиці визначення прозорості приземного шару атмосфери широко використовуються два методи: нефелометричний і трансмісометричний [1, 2]. Основою методу трансмісометра є безпосереднє визначення коефіцієнта ослаблення (пропускання) оптичного випромінювання в шарі атмосферного повітря, який іменується вимірювальною базою, що зумовлено процесами розсіяння і поглинання частинками аерозолю потоку світла. Трансмісометричний метод потребує просторового рознесення функціональних блоків випромінювача та фотоприймача і тому реалізується в приладних інструментах визначення обмеженої видимості та виключає їх використання на малих майданчиках, у горах, на морі, на нестійких ґрунтах. Нефелометричний метод базується переважно на вимірюванні частки початкового зондуючого потоку випромінювання, розсіяного в досліджуваному атмосферному середовищі і зумовленого ефектом спрямованого прямого розсіяння. При цьому в переважній більшості метеоситуацій ступінь прозорості середовища визначається головним чином мікроструктурою та концентрацією частинок води у вигляді крапель або кристалів практично незалежно від довжини хвилі зондуючого випромінювання у видимому та ближньому ІЧ діапазоні [3]. 114 Нефелометричний метод може забезпечити широкий (до чотирьох порядків) діапазон вимірювання метеорологічних величин. Однак реалізація цієї можливості пов’язана з нівелюванням (практичним усуненням) методичних та інструментальних похибок. Існуюча концепція нефелометричного методу базується на вимірюванні потоку прямого розсіяння, індукованого у вимірювальному об’ємі зондуючим потоком випромінювання. Вимірювальний об’єм атмосферного середовища, як об’єкт дослідження, формується взаємодією колімованих світових пучків випромінювача та фотоприймача під кутом розсіяння θ і, таким чином, структурний склад нефелометрів містить блок випромінювача БВ, вимірювальний об’єм ВО та блок фотоприймача БФП. У приладній реалізації нефелометричного методу загальновизнано використовується як аналітична модель нефелометричне рівняння [2, 4]: FР = F0 koc βб , (1) де FР – потік розсіяння, що створюється вимірювальним об’ємом і досягає чутливої ділянки фотодетектора у БФП; F0 – потік, зондуючий вимірювальний об’єм; koc – геометричний фактор конструкції оптичної системи БФП; βб – показник розсіяння досліджуваного атмосферного середовища, що задовольняє лінійну модель (1). Зведення рівняння (1) до максимального зареєстрованого фотодетектором потоку розсіяння Fmax надає можливість оперувати відносними величинами, що полегшує процес визначення сталої конкретного зразка нефелометра СДВ: áÄÂ Ð C F F β==χ max , (2) де параметр χ – коефіцієнт зведення потоку розсіяння до максимального значення. Оскільки БФП виконує лінійне фотометричне перетворення потоку розсіяння FР до вихідної змінної напруги діючого значення U, починаючи з порогового рівня Umin/UШЗ ≈ 6 (UШЗ – середньоквадратичне значення вихідної напруги при FР = 0, що забезпечує вірогідність визначення χ більшого за 90%), то áÄÂ ØÇ ØÇ Ñ UU UU β= − − =χ max , (2а) де Umax – вихідна напруга, що відповідає Fmax на фотодетекторі. Рівняння (1) як аналітична модель нефелометричного методу є спрощеною та не враховує ослаблення потоків випромінювання на окремих ділянках траєкторії візування (рис. 1а). Оскільки БВ і БФП зазвичай рівно віддалені від центра вимірювального об’єму, то загальна траєкторія візування дорівнює L, і повна аналітична модель з урахуванням втрат на розсіяння за траєкторією візування має вигляд: ( )LLC L ÄÂ β−β=χ exp1 , (3) де β – скоректований з урахуванням втрат показник розсіяння атмосферного середовища. При β L ≤ 0,23 з похибкою не більшою за 3% виконується рівняння ( ) LL β−=β− 1exp . 115 Рис. 1. Оптичні моделі базового модуля у приладній реалізації нефелометричного (а) і трансмісометричного (б) методів. Тоді визначення β зводиться до рішення квадратного рівняння відносно оптичної густини атмосфери за трасою візування при прямому розсіянні: 0)( 2 = χ +β−β ÄÂC LLL та ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ χ −−=β ÄÂC L L 4 1 2 11 . (4) Використовуючи дані, отримані при налагодженні та калібруванні макетного зразка модуля з використанням середовища штучно-тестового туману в конструкторській побудові нефелометричного сенсора, β = βк = 6,4·10–3 м–1, U = Uк = 0,57 В, Umax = 10 B, UШЗ = 1,3·10–3 В, маємо для сталої нефелометричного сенсора .ì89,8 )( )( max = β− − = ÊØÇ ØÇK ÄÂ UU UUC Таким чином, виконавши процес вимірювання, фіксуємо вихідну напругу U, далі згідно з відомими розрахунковими співвідношеннями визначаємо скоректований показник розсіяння β (k-фактор), прозорість атмосфери Р та метеорологічну дальність видимості МДВ відповідно: Р = ехр (–β) на одиницю L; МДВ = 3/β. Слід підкреслити, що репрезентативність визначення скоректованого показника розсіяння випромінювання в рамках запропонованої аналітичної моделі (4) у порівнянні із загальноприйнятою (1) виявляється вищою, оскільки використовується траєкторія візування L. Як основу структурної побудови БВ і БФП вибрано запропоновану в [5] реалізацію нефелометричного оптоелектронного датчика МДВ. Розроблений базовий модуль метео- та екологічного моніторингу відрізняється конструкцією оптичної системи БВ, використанням у БФП фотодіода Hamamatsu S2386-8K, а також досягнутими за рахунок детального налагодження електронних вузлів покращеними значеннями граничних вихідних параметрів: Umax = 10 В та UШЗ = 1,3·10–3 В. DП VП LП L/2 L/2 БВ БФП б) а) БВ БФП VП 116 Структурну схему оптичної системи оптоелектронного базового модуля наведено на рис. 2. Вона складається з оптичного вузла БВ І та оптичних вузлів БФП в реалізації нефелометричного ІІ і трансмісометричного ІІІ сенсорів і містить ІЧ світлодіод Edixeon EDSI-1LC3-03 (довжина хвилі в максимумі випромінювання λ = 850 нм) з ламбертівською діаграмою випромінювання 2, концентратор випромінювання 3, збиральну лінзу 4, діафрагми 5, 11, 18, конденсори 6, 9, 16, захисне скло 7, 8, 15, ІЧ фільтр 10, 17, фотодіодний приймач 12, 19, поглинаючий нейтральний фільтр НС 14. На рисунку також схематично наведено вимірювальний об’єм IV в конструкторській побудові нефелометричного сенсора та електронні вузли 1, 13 та 20. Проектування оптичної системи оптоелектронного базового модуля в реалізації нефелометричного сенсора виконується на основі вибраного розміру вимірювального об’єму V, конструкційного параметра l = 51 cм – відстані від центра робочого об’єму до головної оптичної площини конденсора 6 БВ, діаметра точкового джерела світла – отвору діафрагми 5 dД = 4 мм, на який концентратор 3 та лінза 4 фокусують випромінювання світлодіода. З припущенням, що світловий потік від випромінювача та розсіяний світовий потік до фотоприймача в області перерізу модулюються циліндрами рівного радіуса R, осі яких лежать в одній площині і перетинаються під кутом θ, розмір вимірювального об’єму (загальна частина перетинання двох циліндрів) визначається за принципом Кавальєрі [6]: θ = sin3 16 3RV . При значеннях V ≈ 102 см3 та θ = 35°, що забезпечують достатньо високу репрезентативність оптичних властивостей атмосферного середовища в широкому діапазоні вимірювань β (МДВ) [5], діаметр світлових пучків DП = 2R ≈ 40 мм. Протяжний колімований пучок потрібного діаметра DП формується оптичною систе- мою блока І (рис. 2) з трилінзовим конденсором 6, який забезпечує у порівнянні з дволінзо- вим конденсором більш рівномірне по перерізу засвічення вимірювального об’єму та склада- ється з однакових короткофокусних встановлених упритул плоско-опуклих лінз. У фокальній площині конденсора із загальною оптичною силою 22 дптр розташована діафрагма 5. Розсія- ний у вимірювальному об’ємі потік випромінювання фокусується оптичною системою БФП з дволінзовим конденсором 9 крізь діафрагму 11 та ІЧ фільтр, що мінімізує фонове засвічен- ня, на чутливу ділянку фотодіода. Для зменшення інтенсивності випромінювання на захисно- му склі 15 ідентичної за виконанням оптичної системи БФП у побудові трансмісометричного сенсора ІІІ встановлено поглинаючий нейтральний фільтр. Для додаткового захисту від фонового засвічення та атмосферного забруднення встановлено металеві бленди. Рис. 2. Оптоелектронний базовий модуль у конструкторській побудові нефелометричного і трансмісометрич- ного сенсорів. 12 4 3 75 6 2 1 І 14 13 ІІ 10 11 8 9 θ=35° ІV ІІІ 15 16 18 19 20 17 117 3. ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ВИПРОБУВАНЬ Наведемо основні параметри макетного зразка базового модуля в реалізації нефелометричного сенсора: 1) показник розсіяння випромінювання (k-фактор) 7,3·10–5…1,3·10–1 м–1; 2) прозорість атмосфери (на 1 км шару повітря) 0…0,93; 3) метеорологічна дальність видимості 23…41000 м; 4) стала нефелометричного сенсора 8,9 м; 5) траєкторія візування 0,91 м. Трансмісометричний сенсор на основі базового модуля вимірює потік FПР, що пройшов шар атмосферного повітря на вимірювальній базі LП, при його зондуванні колімованим пучком діаметра DП (рис. 1б) потоку випромінювання F0. Наявність в шарі повітря виключно твердих аерозольних частинок елементарного вуглецю (сажі) викликає у видимій та ближній ІЧ області спектра ефект абсолютного рівнозначного поглинання випромінювання [7], ступінь якого визначається масовою концентрацією частинок і який характеризується коефіцієнтом пропускання згідно із законом Бугера–Ламберта. Компанією Magee Scientific експериментально встановлено, що осідання частинок сажі, що знаходяться в 1 м3 з масовою концентрацією d = 6·10–8 г/м3, на прозорому оптичному фільтрі у вигляді однорідного шару еквівалентно коефіцієнту пропускання τ1 = 0,99. Звертаючись до рис. 1б, вважаємо, що частинки сажі з масовою концентрацією dx, що знаходяться у вимірювальному об’ємі VП, який обмежується колімованим пучком випромінювання між БВ і БФП, умовно осідають у БФП на оптичний фільтр з діаметром DK, утворюють шар сажі та зумовлюють еквівалентний коефіцієнт пропускання τП. Тоді досить легко показати, що 1 2 1 ln ln4 τ τ ⋅ π = Ï ÏÊ x LD md , (5) де m1 – маса частинок сажі, що припадає на 1 м3 при d = 6·10–8 г/м3. Створюючи у трансмісометричному сенсорі достатньо малу вимірювальну базу LП = 2 м, остаточно отримуємо простий вираз Ïxd τ⋅−= − ln1073,1 3 [г/м3]. (6) Таким чином, трансмісометричний сенсор на основі базового модуля дозволяє шляхом зведення за формулою (2а) поміряного поточного значення вихідної напруги БФП до максимального з урахуванням UШЗ отримати коефіцієнт пропускання τП і наступним кроком згідно з (6) визначити масову концентрацію аерозольних частинок сажі в навколишньому повітрі. Надамо основні параметри, які визначаються базовим модулем у реалізації трансмісометричного сенсора: 1) коефіцієнт пропускання 10–3…0,99; 2) масова концентрація сажі (елементарного вуглецю) 1,73·10–5…1,2·10–2 г/м3; 3) вимірювальна база 2 м. Розроблений на основі базового модуля трансмісометричний сенсор при введенні до складу вимірювально-приладних засобів можна широко використовувати для моніторингу викидів в атмосферу аерозольної сажі, які створюються в результаті горіння дизпалива, вугілля, деревини при русі транспорту, роботі теплоелектроцентралей та інших локальних джерел у міських промислових зонах, у житлових районах, сільській місцевості, у тунелях та автомагістралях з потужним рухом. 118 4. ВИСНОВКИ Розроблено і створено оптоелектронний базовий модуль сенсорних систем метео- та екологічного моніторингу атмосферного середовища. Модуль складається з двох уніфікованих блоків випромінювача і фотоприймача та дозволяє проводити приладну реалізацію нефелометричного і трансмісометричного сенсорів. Сенсори на основі базового модуля забезпечують з високими технічними характеристиками визначення і контроль прозорості атмосфери, k-фактора, МДВ і масової концентрації у повітрі твердих аерозольних частинок сажі. V.S. Kretulis, I.E. Minakova, P.F. Oleksenko OPTOELECTRONIC BASIC MODULE OF SENSOR SYSTEMS FOR METEOROLOGICAL AND ECOLOGICAL MONITORING Optoelectronic base module of the sensor systems for meteorological and ecological atmosphere monitoring that consists of two uniform blocks of emitter and photodetector has been designed and created. The realization of these units is based on combination of nephelometric and transmissometric methods. Implemented through the basic module sensors provide high performance identification and control of atmospheric transparency, k-factor, meteorological visibility and solid aerosol soot particles concentration in air. Keywords: optoelectronic sensor, meteorological visibility, nephelometer, transmissometer, extinction coefficient, atmospheric condition monitoring. 1. Гаврилов В.А. Видимость в атмосфере. Л.: Гидрометеоиздат, 1966. 324 с. 2. Баранов А.М. Видимость в атмосфере и безопасность полетов. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 206 с. 3. Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. М.: Мир, 1986. 660 с. 4. Ковалев В.А. Видимость в атмосфере и ее определение. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 216 с. 5. Кретуліс В.С., Мінакова І.Є., Олексенко П.Ф. Оптоелектронний датчик метеорологічної дальності видимості. Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. 2013. Вып. 48. С. 105−112. 6. Понарин Я.П. Элементарная геометрия. Т.2: Стереометрия, преобразования пространства. М.: Изд. МЦНМО, 2006. 256 с. 7. Грин Х., Лейн В. Аэрозоли: пыли, дымы и туманы. М.: Мир, 1972. 428 с. Інститут фізики напівпровідників Отримано 07.07.2016 ім. В.Є. Лашкарьова НАН України 41, проспект Науки, 03680 Київ, Україна

Оптоелектронний базовий модуль сенсорних систем метеорологічного та екологічного моніторингу

Institution

Ähnliche Einträge