Приборы. Приборы и методы контроля энергетических загрязнений окружающей среды Приборы и методы измерения шумов
 Скачать 4.92 Mb.
|
 Рис. 17. Универсальный метеометр МЭС-200 Приборы и методы контроля энергетических загрязнений окружающей среды Приборы и методы измерения шумов   а) б) Рис. 18. Измеритель шума и вибрации ВШВ-003-М3: а) упрощенная схема; б) внешний вид прибора Измерение уровня шума производится приборами, называемыми шумомерами. В настоящее время в России наиболее распространен неавтоматизированный шумомер типа ВШВ-003 из-за его невысокой стоимости. На рис. 18а приведена иллюстрирующая принцип действия шумомера схема прибора, а на рис. 18б – его внешний вид. Принцип работы шумомера состоит в следующем. Микрофон М преобразует звуковые колебания в электрическое напряжение. Это напряжение усиливается электронным усилителем У. Коэффициент передачи усилителя регулируется двумя переключателями К1 таким образом, чтобы показания стрелочного индикатора И находились в центральной части шкалы, которая градуирована в децибелах (дБ). Результат измерений получается суммированием положений переключателей К1, выраженных в дБ, с показаниями индикатора И. При помощи переключателей К2 производят выбор одного из фильтров Ф, обеспечивающих следующие режимы работы прибора: ▫ измерение уровня звукового давления с частотными характеристикам А, В, С (зависят от типа используемого микрофона и целей измерений) в диапазоне частот от 20 Гц до 18 кГц. Диапазон измерений от 22 до 140 дБА; ▫ частотный анализ уровня звукового давления с использованием октавных фильтров со средними геометрическими частотами 1; 2; 4; 8; 16; 31, 5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000; 16000 Гц; ▫ частотный анализ уровня звукового давления с использованием третьоктавных фильтров в диапазоне частот от 2 Гц до 16 кГц; ▫ для любого из перечисленных режимов в случае непостоянных и импульсных шумов переключателем “F” (быстро) – “S” (медленно) можно изменять постоянную времени измерений (скорость движения стрелки индикатора И). Данный прибор не способен измерять уровни звукового давления одновременно в нескольких полосах частот. Поэтому частотный анализ шумов проводится серией последовательных разнесенных во времени измерений. В случае частотного анализа непостоянных шумов время измерения на каждой из частот, согласно нормативной документации, может достигать 4 часов, а полное время анализа – 4 х 15 = 60 часов. При использовании шумомера для анализа импульсных шумов максимальное значение уровня звукового давления определяется по стрелочному индикатору И визуально, что вносит субъективизм в процесс измерения. Более современным и относительно недорогим решением проблемы анализа шумов является использование измерителей уровня шума, проводящих измерение уровней звукового давления в частотном диапазоне от 20 Гц до 18 кГц. Эти приборы содержат микропроцессорные вычислительные устройства, имеют разъемы для связи с компьютерами, позволяют измерять средние или максимальные значения уровня звукового давления (дБА) за определенный временной интервал, но не дают возможности проводить частотный анализ шумов. Пример такого прибора приведен на рис. 19а. Современные шумомеры, позволяющие проводить частотный анализ уровня звукового давления, являются достаточно сложным по устройству и дорогостоящим оборудованием. Они оснащены производительным микропроцессорным устройством, выводят на экран встроенного дисплея не только цифровые значения уровней звукового давления, но и полученные при помощи алгоритма быстрого преобразования Фурье графики их зависимости от частоты, способны сохранить график изменения звукового давления во времени при анализе импульсных шумов и реализуют множество других функций. Пример подобного прибора - интегрирующий шумомер ШИ – 01. Его внешний вид представлен на рис. 19б. Этот шумомер по сравнению с ВШВ-003-М3 обладает рядом преимуществ: П    а) б) Рис. 19. Приборы для измерения параметров шума: а)измеритель уровня шума Testo 1815 б) шумомер интегрирующий ШИ-01 и внешний вид его панели индикации и управления рименение в приборе современной элементной базы и цифровой обработки сигнала значительно упростило и ускорило процесс измерения характеристик шума. Одновременное измерение уровней шума с временными характеристиками "медленно", "быстро", "импульс", и эквивалентного уровня, а также их минимальных и максимальных значений позволяет оперативно определить характер шума и получить нормируемые для него параметры. Одновременное измерение уровней звукового давления в октавных и третьоктавных полосах частот минимизирует время определения характеристик постоянного шума и поправок на его тональный характер. Большой диапазон шкалы позволяет без переключения измерять эквивалентный уровень непостоянного шума в пределах 80 дБ. Энергонезависимая память может хранить результаты нескольких сотен измерений, которые могут впоследствии передаваться в персональный компьютер для оформления протоколов. Большой графический дисплей демонстрирует данные измерения в удобном виде, как в цифровой форме, так и в виде графиков и аналоговых индикаторов. Для работы в условиях плохой освещенности дисплей имеет подсветку Приборы и методы измерения параметров вибрации Для измерения параметров вибрации применяют приборы различных конструкций- виброметры и вибрографы. Принцип действия виброметра заключается в преобразовании механических колебаний исследуемого объекта в пропорциональные им электрические сигналы. Эти сигналы усиливаются электронным усилителем и измеряются индикатором. Частотный анализ вибраций аналогичен вышеописанному частотному анализу шумов. Виброграф позволяет записать на диаграммной бумаге зависимость координаты колеблющейся точки исследуемого объекта от времени. Вибрографы используются редко из-за сложности обработки полученной информации. В зависимости от типа используемого датчика виброметры могут быть контактными и бесконтактными. Основным недостатком контактных датчиков является их влияние на параметры вибрации. По принципу действия контактные датчики могут быть электромагнитными, пьезоэлектрическими, конденсаторными, тензорезисторными и т.д. Электромагнитные датчики преобразуют колебания закрепленной на объекте стальной мембраны в электрический сигнал. Частотный диапазон датчиков от 16 Гц до 16 кГц. Выходное напряжение пропорционально скорости движения вибрирующей поверхности. Принцип действия пьезоэлектрического датчика состоит в возникновении электрического напряжения на поверхности материалов, подвергающихся периодическому сжатию и растяжению. Напряжение датчика пропорционально скорости движения вибрирующей поверхности в диапазоне частот от единиц до сотен Гц. Конденсаторный датчик является электрическим конденсатором. Одна обкладка конденсатора закреплена на вибрирующей поверхности, а другая неподвижна. В процессе вибрации изменяется электрическая емкость конденсатора. Ее изменение пропорционально смещению вибрирующей поверхности. Электронная схема виброметра представляет собой измеритель электрической емкости и устройство вычисления производной от измеренного сигнала. Тензорезисторный датчик представляет собой напыленные на пленку из электроизоляционного материала никелевые дорожки. Пленка с напыленными дорожками наклеивается на исследуемую поверхность. При вибрации поверхности пленка деформируется, а являющиеся тензорезистором никелевые дорожки изменяют сопротивление электрическому току. Примером неавтоматического прибора для исследования параметров вибрации с пьезоэлектрическим датчиком является представленный на рис. 18 измеритель шума и вибрации ВШВ – 003 – М3. Основные достоинства и недостатки этого прибора описаны в предыдущем разделе. Н  Рис. 20. Виброметр ШИ-01В а рис. 20 приведен внешний вид более современного прибора для измерения параметров вибрации – виброметра ШИ-01В. Данный прибор обеспечивает все виды измерений по действующим санитарным нормам. Виброметр оснащен датчиками для исследования общей (воздействующей на ноги) и локальной (действующей на руки) вибрации. Виброметр обладает следующими особенностями и преимуществами: Прибор позволяет измерять виброскорость и виброускорение в октавных и третьоктавных полосах частот диапазона 0,8 – 1400 Гц, а также автоматически вычисляет эквивалентный, текущие и корректированные уровни виброскорости, учитывающие зависимость чувствительности человеческого организма от частоты вибрации. Применение современной элементной базы и цифровой обработки сигнала значительно упростило и ускорило процесс измерения характеристик вибрации. Энергонезависимая память может хранить результаты нескольких сотен измерений, которые могут впоследствии передаваться в персональный компьютер для оформления протоколов. Большой графический дисплей демонстрирует данные измерения в удобном виде, как в цифровой форме, так и в виде аналоговых индикаторов. Для работы в условиях плохой освещенности дисплей имеет подсветку. Для дистанционного измерения параметров вибраций наиболее распространено использование лазерных датчиков. Их принцип действия заключается в следующем. На вибрирующую поверхность направляется пучок лазерного излучения. Отраженные от поверхности лучи с помощью оптической системы совмещаются с частью неотраженных лучей на приемной площадке преобразователя светового потока в электрический сигнал. Происходит интерференция двух световых потоков. Это изменяет мощность преобразуемого светового потока при смещении вибрирующей поверхности. Данный метод позволяет с очень высокой точностью определять параметры вибраций с амплитудой не более 1/2 длины волны излучения лазера, что соответствует десятым долям мкм. Для измерений вибраций большей амплитуды известны ультразвуковые, микроволновые и др. датчики. Контроль электромагнитных и радиационных загрязнений Измерение параметров электромагнитных полей В зависимости от частоты измерению подлежат следующие параметры электромагнитного поля: напряженность электрического поля (В/м), напряженность магнитного поля (А/м), плотность потока мощности (вт/см2).  Рис. 21. Схема прибора для измерения напряженностей электрического и магнитного полей Прибор для измерения напряженностей электрического и магнитного полей представляет собой вольтметр с комплектом приемных антенн. Схема прибора изображена на рис. 21. Для измерения напряженности электрического поля используется дипольная антенна А1, состоящая из двух штырей. Напряженность магнитного поля измеряется рамочной антенной А2. Наводимая электрическим или магнитным полем электродвижущая сила выпрямляется расположенными в антеннах кристаллическими диодами Д1 и Д2. Затем сигнал модулируется вибропреобразователем К1, усиливается усилителем у, выпрямляется вторым контактом вибропреобразователя К2 и поступает на индикатор И. Для измерения электромагнитных полей разных частот и напряженностей приборы могут комплектоваться набором приемных антенн. Модулирование и демодулирование сигналов вибропреобразователями необходимо для повышения точности измерений. В современных приборах для этого используются вместо электромехенических - электронные коммутаторы. Ч  Рис. 22. Внешний вид прибора для измерения параметров электрического и магнитного полей “В&Е-метр-АТ-002” аще всего для комплексного исследования параметров электромагнитных полей применяется комплект измерительных приборов, которые размещаются в специальном кейсе или сумке. Пример универсального прибора для измерения параметров электромагнитных полей – представленный на рис. 22 измеритель “В&Е-метр-АТ-002”. Измеритель предназначен для проведения экспрессных измерений среднеквадратичного значения электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля в жилых и рабочих помещениях. Прибор “В&Е-метр-АТ-002” выполнен по четырехканальной схеме, позволяющей одновременно проводить измерения электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля в двух полосах частот: от 5 Гц до 2 кГц и от 2 кГц до 400 кГц. Обработка результатов измерений осуществляется встроенным в прибор микропроцессором. Это позволяет автоматизировать процесс измерения в двух, выбираемых пользователем, режимах: либо непрерывных измерений одного из компонент (режим поиска), либо одноточечных измерений абсолютной величины вектора поля (режим аттестации) и выводить на четырехстрочный матричный индикатор абсолютные значения измеряемых параметров. Таким образом, этот прибор способен заменить четыре обычных не многофункциональных прибора. Для решения специфических задач обследования загрязнения биосферы выпускаются специализированные приборы, например измеритель напряженности поля малогабаритный ИПМ-101 предназначен для измерения напряженности электрического и магнитного высокочастотных полей радиотехнических устройств, а представленный на рис. 23 прибор ИНЭП-8 позволяет измерять напряженность электрических полей линий электрических передач промышленной частоты (50 Гц).  Рис. 23. Внешний вид прибора для измерения напряженности электрического поля промышленной частоты ИНЭП-8 При измерении напряженностей электростатических полей приемная антенна прибора периодически перекрывается (экранируется) металлической заслонкой. Привод данной заслонки может быть ручной, как в приборе ИЭСП-1, или автоматизированный, как в представленном на рис. 24 измерителе напряженности электростатического поля ИЭСП-7. Д  Рис. 24. Внешний вид измерителя напряженности электростати- ческого поля ИЭСП-7 ля измерения параметров электромагнитных полей сверхвысоких частот пользуются измерителем плотности потока мощности. Принцип действия подобного прибора иллюстрируется схемой, представленной на рис. 25а. Измеритель плотности потока мощности состоит из измерительного блока с индикатором, градуированным в измеряемых единицах, и комплекта измерительных антенн. Каждая из антенн рассчитана на работу с полями определенного диапазона частот. Измеритель мощности снабжен набором выносных термисторных датчиков, каждый из которых является параболической антенной с расположенным в ее фокусе термисторомto. Антенна помещается в измеряемом поле. Принятая ей мощность высокой частоты поступает на термисторный датчик, нагревая термисторto. Последний включен в измерительный мост постоянного токаto, R1, R2, R3, который запитан источником напряжения Е. Напряжение разбаланса моста выводится на индикатор И. Оно пропорционально измеряемой плотности потока мощности электромагнитного поля. На рис. 25б представлен внешний вид измерителя плотности потока энергии П3-30. Прибор предназначен для измерения следующих параметров электромагнитных полей в диапазоне частот от 300 МГц до 40 ГГц: ▫   а) б) Рис. 25. Измеритель плотности потока энергии П3-30: а) схема, поясняющая принцип действия; б) внешний вид прибора напряженности; ▫ плотности потока энергии. Измерение параметров электромагнитных излучений видимого и ультрафиолетового диапазонов Для электромагнитных излучений видимого диапазона измеряемыми параметрами являются освещенность поверхности, которая определяется люксметрами и измеряется в лк (люксах), и яркость источника излучения, измеряемая в кд (канделах) / м2. Типовой прибор, измеряющий освещенность или яркость объектов, состоит из: ▫ приемника излучения, преобразующего измеряемую величину в электрическое напряжение; ▫ схемы усиления и коррекции электрического напряжения; ▫ устройства преобразования аналогового сигнала в цифровую форму (для приборов с цифровой индикацией результатов измерений); ▫ индикатора. Первые промышленно выпускаемые люксметры содержали приемник излучения и микроамперметр. Для их работы не требовался источник электропитания. В настоящее время выпускаются преимущественно комбинированные приборы, которые позволяют измерять несколько параметров. Например, на рис. 26а изображен люксметр – яркометр ТКА-02, который имеет два коммутируемых переключателем приемника излучения и позволяет измерять освещенность или яркость объекта исследований.    а) б) в) Рис. 26. Приборы для измерения параметров видимого и инфракрасного излучений: а) люксметр- яркометр ТКА-02; б) УФ- радиометр ТКА-АВС; в) люксметр- УФ- радиометр ТКА-06 Ультрафиолетовые излучения разбиты на три диапазона: УФ А, УФ В, УФ С. В каждом из диапазонов необходимо измерять энергетическую освещенность (мВт / м2). Поэтому прибор содержит три приемника излучения, каждый из которых чувствителен к излучению соответствующего диапазона. Пример такого прибора - изображенный на рис. 26б УФ- радиометр ТКА-АВС. Выбор диапазона измеряемых излучений и изменение чувствительности прибора осуществляется расположенными на корпусе радиометра переключателями. Известны приборы, содержащие комбинацию люксметра с радиометром, например представленный на рис. 26в люксметр – УФ – радиометр ТКА-06, который благодаря двум приемникам излучения позволяет измерять освещенность объекта, или его энергетическую освещенность в спектральном диапазоне от 280 до 400 нм (зоны УФ А + УФ В). Измерение параметров ионизирующих излучений Целью измерения параметров ионизирующих излучений является определение эквивалентной дозы облучения. Такое измерение предполагает знание коэффициента качества излучения и величины поглощенной дозы (см. формулу 18). Прибор для измерения поглощенной дозы ионизирующего излучения называют дозиметром. В процессе измерения дозиметр должен находиться в условиях, идентичных условиям исследуемого объекта. Поэтому при определении поглощенной человеком дозы ионизирующего излучения дозиметр должен постоянно находиться, например, у него в кармане. Наиболее широко используются следующие методы измерения поглощенной дозы: ▫ фотографические, основанные на образовании скрытого фотографического изображения; ▫ ионизационные, основанные на ионизирующем действии излучения.  Рис. 27. Схема индивидуального дозиметра ДП-5 Наиболее широко распространены ионизационные дозиметры, в виде зрительной трубки. Схема такого дозиметра приведена на рис. 27. Все элементы прибора расположены в металлической трубке, которая на рис. 27 не изображена. В фокусе трубки расположена герметичная стеклянная камера К. На стекле камеры нанесена шкала Ш, которая видна через объектив О. Внутри камеры расположена V-образная пластина из металлической фольги. Она имеет впаянный в стекло электрод Э. Одна половинка пластины П1 неподвижна, а другая П2 служит стрелкой. Если между электродом Э и корпусом трубки приложить высокое электрическое напряжение, половинки разойдутся. При отсутствии токов утечки они останутся в этом положении и после снятия высокого напряжения. Половинка-стрелка будет установлена на нулевое показание шкалы. При прохождении через камеру ионизирующих излучений возникнут ионизационные токи. Заряд пластины будет снижаться. Половинки начнут сближаться. Показания стрелки станут отличаться от нулевых на величину, пропорциональную количеству прошедшего через камеру излучения, которое в свою очередь пропорционально поглощенной дозе ионизирующего излучения. Для определения опасности радиационных излучений и вычисления допустимого времени нахождения в опасной зоне измеряют мощность поглощенной дозы. Наиболее распространены следующие методы измерений: ▫ ионизационные; ▫ сцинтилляционные, основанные на преобразовании энергии радиоактивного излучения в энергию фотонов светового излучения.  Рис. 28. Схема радиометра с ионизационным детектором В основе ионизационных методов лежит измерение электрической проводимости вещества. Проводимость возникает под действием ионизирующих излучений. Ионизационные детекторы обычно представляют собой баллоны, заполненные газовыми смесями. Схема прибора для измерения мощности поглощенной дозы ионизирующего излучения (радиометра) с ионизационным детектором представлена на рис. 28. Внутри баллона Б находятся два электрода. К ним приложено электрическое напряжение. Ионизирующее излучение попадает в детектор и ионизирует газ. В электрической цепи пари попадании каждого фотона ионизирующего излучения за счет движения ионов возникает импульс тока. Количество импульсов пропорционально мощности ионизирующего излучения, а их амплитуда зависит от ионизирующих способностей конкретного вида излучений. Кроме того, чувствительность детектора к определенному типу (α, β, γ, рентгеновскому и т.д.) излучения зависит от состава газовой смеси в баллоне детектора и напряжения между электродами. Варьируя эти параметры, применяя непрозрачные для некоторых типов излучений экраны (из легких либо тяжелых металлов) и установив схему селекции импульсов тока по амплитуде, можно добиться чувствительности прибора к конкретному виду ионизирующих излучений. Работа сцинтилляционного детектора основана на способности некоторых веществ преобразовывать энергию ионизирующих излучений в фотоны видимого и ультрафиолетового света. Схема радиометра с сцинтилляционным детектором приведена на рис. 29. При прохождении ядерной частицы или γ - кванта через нанесенное на экран вещество- сцинтиллятор возникает вспышка. Эти вспышки регистрируются фотоэлектронным умножителем. Он преобразует световые импульсы в электрические. Электрические импульсы усиливаются линейным или логарифмическим усилителем. Затем электрические импульсы проходят через схему селекции импульсов по амплитуде на счетчик, соединенный с показывающим прибором.  Рис. 29. Схема радиометра с сцинтилляционным детектором Вещества - сцинтилляторы принято классифицировать следующим образом: ▫ неорганические сцинтилляторы: ZnS с примесью Ag, NaI с примесью Tl и др.; ▫ сцинтилляторы из органических кристаллов; ▫ жидкостные сцинтилляторы; ▫ пластмассовые сцинтилляторы. Выбор сцинтиллятора позволяет получить приборы, чувствительные к одному виду излучения и мало чувствительные к другому. С  Рис. 30. Дозиметр-радиометр альфа-, бета-, гамма-излучения ДРБП-03 овременные приборы, предназначенные для исследования параметров ионизирующих излучений, как правило, позволяют измерять как эквивалентную дозу, так и мощность эквивалентной дозы нескольких видов ионизирующих излучений. Например, на рис. 30 представлен внешний вид дозиметра-радиометра альфа-, бета- и гамма-излучения типа ДРБП-03. В приборе используется пять газоразрядных счетчиков для регистрации гамма-излучения (три счетчика встроены в пульт, два счетчика - в сменные блоки детектирования), что обеспечивает широкий диапазон измерения мощности дозы гамма-излучения (от фоновых - 0,1 мкЗв/ч (10 мкР/ч) до аварийных значений - 0,6 Зв/ч (60Р/ч)). Металлическая штанга дает возможность проводить радиационный контроль в труднодоступных местах и обследование источников неизвестных активностей. Прибор предназначен к ношению на нагрудном ремне или на поясе. Он позволяет осуществить: ▫ измерение мощности эквивалентной дозы гамма-излучения; ▫ измерение эквивалентной дозы гамма-излучения; ▫ измерение плотности потока альфа - частиц; ▫ измерение плотности потока бета - частиц. При этом прибор позволяет осуществить измерение плотностей потока альфа- и бета - частиц одним блоком детектирования. Исследование ионизации воздушной среды Исследование ионизации воздуха проводят для измерения концентрации положительных и отрицательных ионов в воздухе, определения подвижности показателя униполярности ионов. П  ринцип действия прибора для измерения концентрации ионов в воздухе иллюстрируется схемой, представленной на рис.31. Основными элементами устройства являются аспирационная камера с вентилятором и предварительный усилитель. Объемный расход воздуха поддерживается постоянным путем стабилизации скорости вращения электродвигателя с закрепленной на оси крыльчаткой. Воздух с ионами втягивается в аспирационную камеру. В рабочем объеме камеры на ионы действует электростатическое поле, создаваемое источником питания камеры. В режимах измерения, с помощью коммутатора, производится поочередное подключение источников питания различной полярности. Под действием электростатического поля ионы отклоняются в сторону собирающего электрода, расположенного внутри камеры, оседают на нем. Электрический заряд поступает во входную цепь предварительного усилителя, в основу которого положен дифференциальный усилитель. Собирающий электрод установлен в камере на двух изоляторах из фторопласта. В зависимости от полярности напряжения электропитания аспирационной камеры на выходе предварительного усилителя появляется напряжение, скорость роста которого пропорциональна концентрации положительных или отрицательных ионов в воздухе.  Рис. 32. Малогабаритный счетчик аэроионнов МАС-01 Согласно описанному выше алгоритму работает большинство современных приборов, предназначенных для измерения концентрации ионов в воздухе. На рис. 32 представлен внешний вид малогабаритного счетчика аэроионов МАС-01, предназначенный для измерений концентрации легких положительных и отрицательных аэроионов. Счетчик аэроионов имеет в своем составе аспирационную камеру, через которую прокачивается исследуемый воздух, и блок регистрации и обработки результатов измерений, выполненный на современной элементной базе. Управление режимами измерений осуществляется посредством пленочной клавиатуры, расположенной на лицевой панели счетчика. Обработку результатов измерений и их вывод на матричный жидкокристаллический индикатор в удобном виде для пользователя осуществляет встроенный микропроцессор. |