Курс лекций за 1-ый семестр по Экологическому мониторингу в Word. Общие сведения о системе мониторинга часть Организационная и техническая структура систем мониторинга

• Название: Общие сведения о системе мониторинга часть Организационная и техническая структура систем мониторинга
• Анкор: Курс лекций за 1-ый семестр по Экологическому мониторингу в Word.doc
• Дата: 22.04.2018
• Размер: 0.62 Mb.
• Имя файла: Курс лекций за 1-ый семестр по Экологическому мониторингу в Word.doc
• Тип: Глава; #18372
• Категория: Экология
• страница: 1 из 3

ОГЛАВЛЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМЕ МОНИТОРИНГА

Часть 1. Организационная и техническая структура систем мониторинга

§1. Организационная структура систем мониторинга

§2. Техническая структура систем мониторинга

1. Основные термины и определения средств измерений

2. Типовая структура автоматической системы контроля загрязнений

3. Классификация АСК загрязнений по назначению

4. Основные требования к АСМ любого уровня

5. Требования к средствам измерения

Часть 2. Критерии оценки качества окружающей среды

Часть 3. Мониторинг источников загрязнения

ГЛАВА 2. ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

Часть 1. Измерение температуры окружающей среды

§1. Термометр сопротивления

1. Медные

2. Платиновые

3. Вторичные приборы, работающие с термометрами сопротивления

§2. Термоэлектрические преобразователи (термопары)

§3. Бесконтактные методы

1. Тепловизоры

2. Пирометры

Часть 2. Измерение давления окружающей среды

Изучить самостоятельно

Часть 3. Измерение уровня жидкости

§1. Поплавковые уровнемеры

§2. Электрические уровнемеры

1. Емкостные

2. Кондуктометрические

§3. Бесконтактные уровнемеры

Часть 4. Измерение расхода природных и сточных вод

§1. Ультразвуковые расходомеры

§2. Турбинные расходомеры

Часть 5. Измерение направления движения воздуха

ГЛАВА 3. МОНИТОРИНГ ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД

Часть 1. Измерение общего солесодержания

§1. Контактные методы кондуктометрии

1. Двухэлектродная кондуктометрическая ячейка

2. Четырёхэлектродная кондуктометрическая ячейка

§2. Бесконтактная кондуктометрия

1. Бесконтактная низкочастотная кондуктометрия

2. Бесконтактная высокочастотная кондуктометрия

- с емкостными ячейками

- с индуктивными ячейками

Часть 2. Диэлькометрия (измерение диэлектрической проницаемости)

Часть 3. Измерение мутности воды

§1. Оптические методы и приборы

1. Интегральные методы и приборы – изучить самостоятельно

2. Методы определения счетной концентрации

§2. Счётчики Coulter’a

Часть 4. Потенциометрические методы анализа воды

§1. Измерение pH воды

§2. Анализ воды с помощью иона селективности электрода

Часть 5. Вольт-амперометрия в мониторинге воды

Часть 6. Автоматическое титрование

Часть 7. Оптические методы анализа воды

§1. Фотоколориметрические анализаторы воды

§2. ИК анализаторы

§3. Флюорисцентные приборы

Часть 8. Аппаратное и программное обеспечение систем мониторинга воды

§1. Аппаратное обеспечение системы отбора и подготовки пробы

1. Дозаторы пробы

2. Датчики

3. Анализаторы

4. Средства метрологического обеспечения

5. Вычислительная техника

6. Фитинги

7. Дополнительное оборудование для автономных и автомобильных станций

§2. Программное обеспечение

Часть 9. Примеры систем мониторинга воды

§1. Неклассические системы

§2. Классические системы

§3. Геоинформационные системы

ГЛАВА 4. МОНИТОРИНГ ПОЧВ

ГЛАВА 5. СИСТЕМЫ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ УТЕЧЕК

§1. Периодический контроль утечек

§2. Стационарный контроль

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМЕ МОНИТОРИНГА

Часть 1. Организационная и техническая структура систем мониторинга

Мониторинг – это наблюдение или контроль с помощью технических средств.

Экологический мониторинг (ЭМ) – информационная система, предназначенная для наблюдения за состоянием ОС и её загрязнением жизнедеятельностью человека.

Эта система является чисто информационной и не содержит никаких аспектов управления. Она создана в дополнение к существующим геофизическим службам наблюдения (за погодой, ледниками, гидрология, агрогеохимия, геофизика).

1972 г. «Мониторинг антропогенного загрязнения ОС»

§1. Организационная структура систем мониторинга

Основные направления деятельности:

1. 
   наблюдение за состоянием ОС
   
2. 
   формирование прогноза о состоянии ОС
   
3. 
   выдача информации в соответствующие службы и органы
   

Система построена по иерархическому принципу:

1 УРОВЕНЬ. Станции наблюдения или контроля, где осуществляется сбор информации и её предварительная обработка с привязкой по времени, загрязняющему веществу и месту.

2 УРОВЕНЬ. Региональные станции. Чисто информационные системы (без датчиков), в которых осуществляется анализ информации со станции (1 уровень) и выработка краткосрочных прогнозов.

3 УРОВЕНЬ. Национальная система мониторинга. Базируется на ряде служб и институтов, обрабатывает большие объекты информации и выдает долгосрочные прогнозы.

По уровню срочности вся информация, получаемая в системах мониторинга (СМ) делится на: 1) срочная информация для немедленного использования;

2) оперативная информация – информация за месячный период наблюдений с выдачей краткосрочных прогнозов;

3) стратегическая информация – это информация за годовой период наблюдений с выдачей прогнозов на 20-30 лет.

СМ содержит ряд подсистем:

1. 
   Мониторинг воздуха
   
2. 
   Мониторинг вод суши
   
3. 
   Мониторинг вод морей и океанов
   
4. 
   Мониторинг почв
   
5. 
   Фоновый мониторинг (биосферные заповедники)
   
6. 
   Мониторинг источников загрязнения
   

Фоновый мониторинг – контроль или наблюдение за состоянием ОС на территориях, не подвергнутых урбанизации (50 – 100 лет)

§2. Техническая структура систем мониторинга

Все СМ реализуются на базе автоматических (без человека) или автоматизированных (с человеком) систем контроля загрязнения.

1. Основные термины и определения средств измерения (СИ)



Для получения информации используют СИ, к ним относятся:

1. 
   измерительные преобразователи (X – входная величина,Y- выходная)
   

2. 
   Измерительный прибор
   

3) Мера, эталон или стандарт

2. Типовая структура автоматической системы контроля (АСК) загрязнений

Канал связи:1) кабельные линии

2) телефонные линии (АТЛС)

3) спутниковая связь

4) радиочастотная связь

СП – система пробоподготовки

МП – микропроцессор

АП/ПД – аппаратура приема/передачи данных

ВК – вычислительный комплекс

3. Классификация АСК загрязнений по назначению

1) Промышленные или производственные АСК загрязнения ОС

Установлены на предприятиях и содержат датчиковую аппаратуру для контроля загрязнений, а также приборы для измерения t, p, V.

2) Городская АСК загрязнения ОС

Включает в себя ряд промышленных систем, а также стационарные и подвижные посты наблюдения, распределенный по территории города

3) Региональные АСК загрязнения ОС

Обработка больших объемов информации и выдачи рекомендаций и прогнозов на региональном уровне. Оснащены, как правило, мощными многопроцессорными вычислительными компонентами.

4) Национальная АСК загрязнения ОС



Вся эта система входит в глобальную СМ ОС.

4. Основные требования к АСМ любого уровня

1) Программная совместимость снизу до верха

2) Аппаратурная совместимость

Совместимость по входящим и выходящим сигналам всех устройств, входящих в систему.

Нормированные аналоговые выходные сигналы:


3) Адаптивность. Параметры, которые могут быть адаптивными в системах разного уровня:

а) Нижний уровень (станции контроля или посты наблюдения) – диапазон измерения; периодичность калибровки датчика. (Калибровка (градуировка, поверка) – установление связи выходного сигнала СИ с входным, в качестве которого используется рабочий эталон)

б) Второй уровень – приоритет опроса станции контроля, объем передаваемой информации.

в) Верхний уровень – параметры, как и для второго уровня.

5. Требования к средствам измерения

1) Высокая чувствительность на уровне ПДК

2) Высокая избирательность, позволяющая различать компоненты с близкими физическими свойствами (Избирательность – чувствительность к определяемому компоненту. Она должна быть >> чувствительности к неопределяемому компоненту. Показатель избираемости: )

3) Высокие динамические характеристики - небольшое время реакции прибора на изменение измеряемого компонента (см. рис. справа)

4) Невысокая стоимость получаемой информации

5) Высокий уровень защиты СИ от влияния параметров ОС (t, влажность, ускорение, коррозия и т.д.)
Часть 2. Критерии оценки качества окружающей среды

ПДК, ПДВ, ПДС, ПД нагрузки (повторить самостоятельно)

Признаки, по которым выбираются вредные вещества, подлежащие нормированию:

а) Токсичность – абсолютно низкое значение ПДК

б) Массовость выбросов – выбираются вещества, которые имеют очень большие количества выбросов (Z.B. для атмосферы – СО)

в) Коммулитивность – возможность накопления вредных веществ в организме с течением времени (Z.B. As – мышьяк)

Часть 3. Мониторинг источников загрязнения

Особенности: 1) Возможность заранее знать состав выбрасываемых веществ в ОС;

2) Широкий диапазон концентраций вредных веществ (аварийные выбросы, залповые выбросы).

Это значительно упрощает структуры СМ.

ГЛАВА 2. ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

Для мониторинга используют стандартные системы контроля, которые есть на каждом предприятии.

СМ обязательно измеряют следующие геофизические параметры: температуру, давление (барометрическое), уровень воды природной или сточной, расход воды в открытых протоках, скорость движения воздушных потоков, направление движения воздушных потоков.

Часть 1. Измерение температуры окружающей среды

§1.Термометр сопротивления (датчики температуры)

Принцип действия основан на зависимости активного сопротивления резистора (металлического или полупроводникового) от температуры.

1. Медные термометры сопротивления

Сопротивление растет линейно (см. рис.)

R_t = R₀ (1+ t),

где  = 4,2610^-3[1/ ^оС] – температурный коэффициент расширения

R_t = R₀ при 0 ^оС;

R₀ определяет градуировку датчика (50 М  R₀ = 50 Ом, М - медь)

S_Rt = R₀ [Ом/ ^оС]

Диапазон температур, в котором используются медные термометры сопротивления – 200^оС ÷ +200^оС (при более высоких температурах происходит окисление меди)

2. Платиновые термометры сопротивления

Имеют нелинейную характеристику, описываются полиномом 2 или 3 степени.

Диапазон использования от 0 до 1000 ^оС.

Обозначение 100 Pt (R₀ = 100 Ом)

Схема устройства:

1 – термометр (Cu или Pt проволока, имеющая несколько витков)

2 – защитный металлический чехол, устойчивый к воздействию среды, снижает время реакции датчика

3 – клеммная колодка

Схема преобразования сигнала в датчике температуры:

НП (нормирующий преобразова-тель) – устройство, которое преобразует нестандартный сиг-нал датчика в унифицированный сигнал.

Д – датчик, ВП – вторичный прибор.

3. ВП, работающие с термометрами сопротивления:

1) Четырехплечие мосты.

I – индикатор; U_пит – напряжение питания

Термометр сопротивления может быть включен в одно из плеч моста Z.B. R₃ = R_t; R₁, R₂, R₄ – const

а) уравновешенные мосты: ток в диагонали в момент отсчета показаний равен нулю R₁  R₃ = R₂ R₄ – условие равновесия;

б) неуравновешенные мосты: ток не равен нулю, показание тока связано с показаниями термометра сопротивления I = (R_t); I ≠ 0


2) Логометры – это измеритель отношений.

Это магнитоэлектрический прибор, у которого есть 2 рамки (1 и 2), которые механически жестко связаны между собой. Они установлены между полюсными наконечниками 3. На рамках крепится стрелка 5; 4 – шкала прибора. М₁, М₂ – вращающие моменты.

Равновесие М₁ = М₂;

Угол поворота стрелки

I₁ = E/R₁; I₂ = E/(R₁ + R_t)

Недостаток: приборы имеют нелинейную (неравномерную) шкалу.

3) Компенсаторы.

Основной источник погрешности при использовании термометров сопротивления как датчика температуры заключается в значительном влиянии на результат сопротивления соединительных проводов (линий). Для исключения этой погрешности используют компенсационные схемы.

R₀ – образцовый резистор с известным сопротивлением; П – потенциометр – это прибор, который позволяет компенсировать падение напряжения в цепи путем подачи противонапряжения с обратным знаком.

Измерение проводится в 2 этапа.

I: U_Rt = IR_t; ; II: U₀ = IR₀

В момент измерения падения напряжения с помощью потенциометра ток через соединительные провода термометра сопротивления не идет.

У нормирующих преобразователей, работающих с термометрами сопротивления входная цепь – это либо мост, либо компенсатор.

§2. Термоэлектрические преобразователи (термопары)

Принцип действия основан на возникновении термо-ЭДС в месте спая двух разнородных металлов.

А, В – проводники

(1) – горячий спай

(2) – холодный спай

E = (t) = E_tr - E_tx

Обратный эффект – эффект Плетье.

Конструктивно горячий спай защищен защитным чехлом.

Основной источник погрешности при измерении температуры с помощью термопары – это непостоянство температуры холодного спая. В лабораторных условиях холодный спай помещается в сосуд Дюара.

Для компенсации изменения температуры холодных спаев используются мостовые схемы.

– схема компенсации изменения температуры холодного спая, активный элемент R_t расположен вблизи холодных спаев. Компенсатор вводит соответствующую поправку в ЭДС.

Вторичные приборы, работающие с термопарой



1) Любой милливольтметр

2) Потенциометр

3) Нормирующий преобразователь – входная цепь построена по принципу милливольт-метра

§3. Бесконтактные методы

1. Тепловизоры

Это приборы и системы, которые позволяют определить не только величину температуры, но и распределение температуры по объекту с высокой точностью.

Основаны на регистрации теплового излучения объекта и ИК области объекта.

FLIR systems

Применение в ЭМ:

1) Контроль утечек тепла из магистральных и городских теплотрасс

2) Контроль утечек из магистральных трубопроводов с широкой фракцией углеводородов (ШФЛУ)

_____________________________________________________________________________

Физические основы термографии

Принцип действия основан на законах излучения абсолютно черного тела.

Закон Планка: [Вт/м²m]

W_b – спектральная плотность излучения черного тела при длине волны 

с = 310⁸ м/с – скорость света

h = 6,610^-34 Дж/с – постоянная Планка

k = 1,410^-23 Дж/К – постоянная Больцмана

Закон смещения Вина: [m]

Закон Стефана-Больцмана: W_b=T² [Вт/м²]

 = 5,710^-8 – постоянная Стефана – Больцмана

_____________________________________________________________________________

Устройство тепловизоров.

Тепловой детектор – микроболометр.
Ячейка детектора (справа), как термопара, при нагреве ее сопротивление изменяется.

В этом случае контакт с объектом отсутствует; ячейка нагревается за счет излучения предмета.

Принципиальная схема измерения

Необходимое условие – точный контроль температуры микроболометра.

Микроболометр в сборе.

С FPA детектора сигнал идет в АЦП (аналогово-цифровой преобразователь).

Один 14-битный АЦП на линию пикселей (всего их 320), полностью интегрированный в микросхему детектора, минимизирует риск возникновения «шумов».

Существует 2 вида тепловизоров: измерительные и неизмерительные. Измерительные позволяют получать полную тепловую картину объекта с оцифрованными значениями температуры. Неизмерительные – только цифровую картину.

Функциональная схема преобразования сигнала

КС – коммутатор сигналов

МП – микропроцессор

RS232 порт – стандартный интерфейс передачи сигнала на внешнее устройство

V_порт – порт для выхода видеосигнала

Применение тепловизоров: тепловизионные иммеджеры (кроме теплоизображения имеется сканер в ИК области в узком диапазоне длин волн).

2. Оптические пирометры

Включают: – оптику (объектив);

– один или несколько чувствительных элементов (ЧЭ). В качестве ЧЭ может быть батарея термопар (несколько соединенных последовательно термопар).

– дисплей;

– лазерный целеуказатель для выбора объекта измерений.

Используется несколько видов пирометров:

1) Пирометры с исчезающей нитью. В них определение температуры объекта производится путем сравнения температуры (цвета) объекта с цветом нити лампы накаливания, встроенной в пирометр; сравнивает человек.

2) Радиационные пирометры (пирометры полного излучения). Измерение в соответствии с законом Стефана-Больцмана, регистрируется всё, что идет от объекта. ЧЭ – батарея термопар. Недостаток – необходимость поддерживания температуры холодных спаев постоянной.

3) Пирометры спектрального отношения. Измеряется спектральная плотность при двух близких, но неодинаковых длинах волн. Позволяют измерять с высокой точностью температуру за счет снижения влияния коэффициента нечерноты при различных длинах волн.

Функциональная схема преобразования сигнала

Верхняя часть – цифровые пирометры; нижняя – аналоговые.

ЧЭ – чувствительный элемент

АЦП – Аналогово-цифровой преобразователь

ЦИ – цифровой индикатор

> – усилитель

НП – нормирующий преобразователь

И – стрелочный индикатор

Часть 3. Измерение уровня жидкости

Для измерения уровня жидкости используются следующие приборы:

1. Мерные шесты и рулетки

2. Поплавковые уровнемеры

3. Электрические уровнемеры

4. Бесконтактные уровнемеры

§1. Поплавковые уровнемеры

Используются в системе очистки сточных вод в открытых резервуарах.

1 – поплавок

2 – резервуар

3 – трос

4 – отсчетное устройство

5 – шкала


§2. Электрические уровнемеры

Применение: а) чистые воды, которые близки по свойствам к хорошему диэлектрику;

б) для загрязненных жидкостей (электропроводящие) – вода.

Хороший диэлектрик R   (10¹² – 10¹⁴ Ом): стекло, полиэтилен, керамика, бидистиллированная вода (₀ = 10⁸ Сименс/см; 1 сименс = 1/Ом)

1. Емкостные уровнемеры.

1 – центральный (+) электрод

2 – второй (экранный) электрод

3 – вставка из диэлектрика

4 – рабочая полость датчика

h – текущее значение уровня


Электрическая модель датчика

;

₀ = 8,8510^-12 Ф/м

С_ = С_п +С_г + С_ж – статическая характеристика датчика



Функциональная схема преобразования сигнала

Д – датчик

ИС – измерительная схема

НП – нормирующий преобразователь

hCI или UI_yA_исh

2. Кондуктометрические уровнемеры

Принцип действия – измерение сопротивления между двумя электродами, погруженными в жидкость.

1 – металлические электроды

2 – емкость

hRI или U

§3. Бесконтактные уровнемеры

Принцип локации – регистрация времени прихода у/з отраженного сигнала от дна емкости или водоема. Чаще используются для открытых водоемов.

Принципиальная схема

1 – у/з излучатель и приемник

2 – измерительная схема

3 – у/з генератор

4 – схема регистрации времени

I – зондирующий луч

II – отраженный сигнал

; С_ж – скорость у/з в жидкости.

Часть 4. Измерение расхода природных и сточных вод

Специфика: как правило, расход измеряется в открытых каналах или трубах.

§1. Ультразвуковые расходомеры

30 % объема продаж

Времяимпульсный УЗ расходомер

УП_1,2 – УЗ преобразователи, установленные на трубопроводе; они питаются от генератора 1.

2 – измерительная схема

3 – регистрирующее устройство

УЗ преобразователи вводят акустический сигнал под некоторым углом  к оси трубопровода.

УП работают поочередно: сначала УП₁ излучает, а УП₂ принимает акустический сигнал, потом они меняются местами.

В каждом из этих циклов определяется время прохождения акустического сигала через жидкость. Акустический сигнал распространяется в жидкости с определенной скоростью.

₁ – время измерения по потоку; ₂ – время измерения против потока (₁< ₂)

; V_L – проекция линейной скорости потока на направление L,

с – скорость распространения УЗ в неподвижной жидкости (для воды  1470 м/с).

Q₀  V   (10^-12c)  Q₀^*; Q₀ = VS_{трубопровода} – объемный расход

Точность прибора: 0,5%,  1%

Для измерения в этих расходомерах используются УП:

1) Врезные – врезаются в трубу и контактируют с жидкостью

2) Накладные – устанавливаются сверху трубопровода и УЗ сигнал проходит через стенку трубы;  - а) нет контакта с измеряемой средой; б) простота установки (монтажа)

Используются для измерения расхода газов в различных трубах (D_труб = от 12,3 мм до 5 м);

t^о =- 40^оС  500^оС

Поверка – метрологическая операция, которая позволяет установить соответствие метрологических характеристик средств измерения и его паспортных данных.

§2. Турбинные расходомеры

1 – турбина

2 – преобразователь

3 – измерительная схема

4 – регистрирующий прибор

Q₀  V  V_T  f I или U  Q₀^*

Недостаток: а) возможность загрязнения

б) создают дополнительный перепад давления в месте установки.

Часть 5. Измерение направления движения воздуха

Флюгеры визуальные и с датчиками положения.

1 – флюгер

2 – датчики положения

3 – устройство сбора информации

4 – система (станция, метеостанция)