РАЗРАБОТКА НЕДИСПЕРГИРУЮЩЕГО ИНФРАКРАСНОГО ГАЗОАНАЛИЗАТОРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДИНАМИКИ КОНЦЕНТРАЦИЙ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ

Контроль концентраций парниковых газов и измерение динамики концентраций является одной из фундаментальных и ключевых задач в области экологического мониторинга. Такие газы как водяной пар, диоксид углерода, метан и др. попадают в атмосферу вследствие как естественных природных процессов, так и антропогенной деятельности. Накопление этих газов в атмосфере усиливает парниковый эффект, который в свою очередь негативно влияет как на здоровье людей и аграрную деятельность, так и на всю окружающую среду в целом. Именно поэтому важной задачей является разработка устройств, способных определять концентрации парниковых газов в атмосфере. Оптические методы измерений, в том числе методы недиспергирующей инфракрасной спектроскопии (Nondispersive infrared, NDIR), позволяют бесконтактно и в автоматическом режиме измерять концентрации составляющих газовых смесей. Представленный в данной работе NDIR‑газоанализатор регистрирует излучение на длине волны 4.26 мкм для определения концентрации диоксида углерода (также предусмотрена возможность регистрации паров воды). Полученный сигнал нормируется с помощью опорного канала, который настроен на длину волны 3.95 мкм. Для обработки экспериментальных данных была разработана математическая модель, позволяющая определять концентрации диоксида углерода в воздухе. Данная модель основывается на методах программы MATLAB и языка программирования Python. Разработанный прибор является газоанализатором открытого типа. Это позволяет использовать его в различных условиях, благодаря сниженному энергопотреблению. Представленное устройство применимо для использования на карбоновых полигонах для контроля качества работы низкоорбитальных спутников, проводящих мониторинг парниковых газов в атмосфере.

1. Mikhaylov A., Moiseev N., Aleshin K., Burkhardt T. Global climate change and greenhouse effect. // Entrepreneurship and Sustainability Issues, 2020. V. 7. № 4. P. 2897-2913. http://doi.org/10.9770/jesi.2020.7.4(21)

2. Забураева Х.Ш., Керимов И.А., Романова О.С., Широкова В.А. Аналитический обзор: причины и последствия глобальных изменений климата. // Труды Института геологии Дагестанского научного центра РАН, 2021. № 4. С. 103-111. http://doi.org/10.33580/2541-9684-2021-87-4-103-111

3. Керимов И.А., Эльжаев А.С., Додуев А.А. Геофизические исследования на карбоновом полигоне Чеченской Республики. // Геология и Геофизика Юга России, 2023. Т. 13. № 3. С. 49-62. https://doi.org/10.46698/VNC.2023.42.75.004

4. Виролайнен Я.А. Методические аспекты определения содержания углекислого газа в атмосфере с помощью ИК-Фурье-спектроскопии. // Журнал прикладной спектроскопии, 2018. Т. 85. № 3. С. 453-460.

5. Асташкин А.А., Карелин А.В., Комиссарова И.Н., Кузьмин Ю.А., Шувалов В.А., Яковлев А.А. Обзор орбитальных группировок космических аппаратов оперативного метеонаблюдения // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ, 2021. Т. 181. № 2. С. 24-55.

6. Mayorova V., Morozov, A., Golyak, I., Golyak, I., Lazarev, N., Melnikova, V., Rachkin D., Svirin V., Tenenbaum S., Vintaykin I., Anfimov D., Fufurin I. Determination of greenhouse gas concentrations from the 16U cubesat spacecraft using fourier transform infrared spectroscopy // Sensors, 2023. V. 23. № 15. P.6794. https://doi.org/10.3390/s23156794

7. Петров Д.В., Матросов И.И., Сединкин Д.О., Зарипов А.Р. Определение концентрации углекислого газа в атмосферном воздухе с помощью спектроскопии кр. // Двенадцатое Сибирское совещание и школа молодых ученых по климато-экологическому мониторингу, 2017. С. 225-226.

8. Ким Д.В., Зеневич С.Г., Газизов И.Ш., Спиридонов М.В., Родин, А.В. Разработка портативного газоанализатора для проведения измерений потоков CO2, CH4 и H2O методом турбулентных пульсаций. // Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы, 2022. С. B186-B189. http://doi.org/10.56820/OAOPA.2022.25.48.001

9. Мальцев А.А. Молекулярная спектроскопия. // Изд-во Московского университета, 1980. С. 272.

10. Dinh T.V., Lee J.Y., Ahn J.W., Kim J.C. Development of a wide-range non-dispersive infrared analyzer for the continuous measurement of CO2 in indoor environments. // Atmosphere, 2020. V. 11. № 10. P. 1024. https://doi.org/10.3390/atmos11101024

11. Vincent T.A., Gardner J.W. A low cost MEMS based NDIR system for the monitoring of carbon dioxide in breath analysis at ppm levels // Sensors and Actuators B: Chemical, 2016. V. 236. С. 954-964. https://doi.org/10.1016/j.snb.2016.04.016

12. Xu M., Xu Y., Tao J., Li Y., Kang Q., Shu D., Li T., Liu Y. A design of an ultra-compact infrared gas sensor for respiratory quotient (qCO2) detection // Sensors and Actuators A: Physical, 2021. V. 331. P. 112953. https://doi.org/10.1016/j.sna.2021.112953

13. Li Q., He Y., Zhao K., Ji J., Li. H., Bewley J. Development and Testing of NDIR-Based Rapid Greenhouse Gas Detection Device for Dairy Farms. // Sustainability, 2024. V. 16. № 5. P. 2131. https://doi.org/10.3390/su16052131

14. Fu L., You S., Li G., Fan Z. Enhancing methane sensing with NDIR technology: Current trends and future prospects. // Reviews in Analytical Chemistry, 2023. V. 42. № 1. P. 20230062. https://doi.org/10.1515/revac-2023-0062

15. Ab Latif F.N.B., Yaacob M. Detection of Methane Gas Using Absorption Spectroscopy Technique in Non-Dispersive Infrared (NDIR) Region. // Evolution in Electrical and Electronic Engineering, 2022. V. 3. № 2. P. 25-34. https://doi.org/10.30880/eeee.2022.03.02.004

16. Karacan C.Ö., Ruiz F.A., Cotè M., Phipps S. Coal mine methane: a review of capture and utilization practices with benefits to mining safety and to greenhouse gas reduction. // International journal of coal geology, 2011. V. 86. № 2-3. P. 121-156. https://doi.org/10.1016/j.coal.2011.02.009

17. Бурба Г.Г., Курбатова Ю.А., Куричева О.А., Авилов В.К., Мамкин В.В. Метод турбулентных пульсаций. // Краткое практическое руководство. Москва: ИПЭЭ им. АН Северцова РАН, 2016, С. 11-27.