ЛПЭМ 1 (Лабораторный практикум), страница 2

для воздуха – государственные стандартные образцы (ГСО) состава газовых смесей в баллонах под давлением, термодиффузионные генераторы и источники микропотоков газов и паров, генераторы-разбавители газов и газовых смесей, генераторы нулевого воздуха, электрохимические генераторы и др.;

для воды – ГСО состава водных растворов, катионов, анионов, органических веществ, сухих остатков природных вод, ГСО свойств веществ (удельная электрическая проводимость, оптическая плотность и т.п.);

для почв – ГСО состава почв и донных отложений.

Перечисленные средства метрологического обеспечения совместно с МВИ обеспечивают достоверность и требуемую точность контроля большого числа практически значимых экологических факторов.

Несмотря на важность перечисленных факторов, центральное место в системах экологического мониторинга занимают всё же аналитические средства измерений и вспомогательная аппаратура для контроля собственно состояния окружающей среды, промышлен-ных и транспортных выбросов.

Аналитическую аппаратуру для контроля химических загрязнений окружающей среды производят во всех развитых странах. Номенклатура выпускаемых аналитических приборов и комплексов достаточно широка, только Госреестр РФ содержит более 200 типов отечественных и импортных приборов и систем для контроля загрязнений воздушной и водной среды (включая контроль промышленных и транспортных выбросов). С помощью этой аппаратуры в непрерывном или непрерывно-циклическом режиме удаётся обеспечить контроль с требуемой точностью нескольких десятков приоритетных загрязнителей окружающей среды, что составляет, однако, всего несколько процентов от перечня потенциальных загрязнителей.

Значительно более широкие возможности имеет аналитическая аппаратура универсального назначения, включающая атомно-абсорбционные и эмиссионные спектрометры, спектрометры УФ, ИК и видимой части спектра, масс-спектрометры, хроматографы газовые и жидкостные, хромато-масс-спектрометры и др. С помощью указанных средств возможен количественный анализ практически всех потенциальных загрязнителей, однако стоимость получаемой при этом экологической информации чрезвычайно высока из-за сложности используемой аппаратуры и высоких требований к квалификации обслуживаемого персонала. С учётом этого перспективным является использование для экологи-ческого мониторинга компьютизированных аналитичес-ких комплексов (хроматографического, ионно-хромати-ческого, рентгенофлюоресцентного, спектрофотометри-ческого), удачно сочетающих свойства универсальности, высокой степени автоматизации (в том числе пробоотбор-ных и пробоподготовительных операций) и приемлемой стоимости экологического анализа.

Перечисленные элементы ЕГСЭМ, обеспечивающие оперативный контроль за содержанием и динамикой природных и антропогенных экосистем, интенсивностью экологических факторов являются нижним звеном иерархии систем экологического мониторинга. На более высоких ступенях иерархии системы на основе полученной оперативной информации об экологических нарушениях решают комплекс задач оценки, прогноза экологической ситуации и выработки мер по защите среды от выявленных экологических нарушений.

К числу приоритетных задач этого уровня относят:

- выбор оптимального расположения и программ работы аппаратуры системы экологического мониторинга для формирования оперативной экологической карты соответствующего региона (решают на стадиях проектирования и адаптации системы);

- выявление по оперативным данным экологических нарушений источников загрязняющих выбросов, мест их расположения (с учётом имеющейся априорной информа-ции) и темпов генерации выбросов;

- прогнозирование во времени и пространстве распростра-нения концентраций обнаруженного загрязнения среды с учётом темпов генерации загрязняющих выбросов и метеорологических условий среды (в водной среде – скорости течения);

- выработка рекомендаций по обеспечению экологи-ческой защиты и безопасности соответствующего региона для органов власти и управления, в том числе с использованием экспертных систем реального времени, выдающих рекомендации по управлению экологической ситуацией в зависимости от текущей обстановки.

Из сказанного следует, что экологический мониторинг является одним из основных элементов создаваемой системы экологической безопасности, без которой проблематично дальнейшее развитие человечества.

1. Средства измерений и их характеристики

Управление – это целенаправленное изменение состояния или параметров машины, объекта, системы, процесса в соответствии с требуемым алгоритмом функционирования.

Автоматическое, т.е. без участия человека, управле-ние включает в себя следующие операции:

- измерение параметров процесса (объекта);

- принятие решения (управляющего воздействия) вы-числительной машиной;

- выполнение (реализация) принятого решения испол-нительным механизмом, воздействующим на процесс (объект).

Получение информации о процессе (объекте), т.е. измерение, является обязательным и необходимым эта-пом процесса управления. Поэтому рассмотрим процесс получения и обработки информации более подробно.

Информация (от лат. informatio - разъяснение, изложе-ние) – общенаучное понятие, включающее обмен сведе-ниями между людьми, человеком и автоматом, автоматом и автоматом.

Измерение – это процесс нахождения значения физи-ческой величины опытным путём с помощью специаль-ных технических средств, имеющих нормированные метрологические характеристики.

Технические измерения – это измерение коли-чественных и качественных характеристик свойств продукции (линейных и угловых размеров, массы, шеро-ховатости и т.п.).

Технологические измерения – измерение режимов, характеристик и параметров технологического процесса (уровня, температуры, давления, расхода, плотности, состава среды и т.п.).

Контроль – операция, заключающаяся в определении соответствия измеряемых величин допускам, установ-ленным на их значения для обеспечения нормального функционирования технического объекта, процесса.

Физической величиной называют характеристику одного из свойств объекта, общую в качественном отно-шении многим физическим объектам, но в количествен-ном отношении индивидуальную для каждого объекта.

Под физическим объектом при этом понимают физические системы, их состояние, происходящие в них процессы, а также объекты физики, химии и других наук, в которых используют физические методы.

Размер физической величины - это количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующее понятию «физическая величина». Из приведённого определения следует, что понятие «размер» служит для отображения объективно существующего количествен-ного различия между физическими объектами по рассмат-риваемому свойству.

Единица физической величины - это физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное единице, и приме-няемая для количественного выражения однородных фи-зических величин.

Объект измерения - это сложное явление или процесс, характеризующийся множеством отдельных физических величин (параметров объекта), каждая из которых может быть измерена в отдельности, но в реальных условиях действующая на измерительное устройство со всеми остальными параметрами.

Физическую величину, которую выбрали для измере-ния, называют измеряемой величиной.

Процесс измерения, как правило, включает в себя следующие этапы: подготовку, проведение измерения (измерительного эксперимента) и обработку его результа-тов.

Средство измерения – это техническое средство, применяемое для проведения измерения и имеющее нормированные метрологические характеристики.

К средствам измерений относят меры, измерительные приборы и преобразователи, а также состоящие из них измерительные установки и системы.

В общем случае средство измерения имеет следующую структурную схему (рис. 2.1).

ИП

ВП

Х X Y₁(Х) Y₂(Х) Y₃(Х)=Y

Рис. 2.1. Структурная схема средства измерения

На этом рисунке приведены следующие обозначения и сокращения:

X – входной сигнал (измеряемая величина);

Y – выходной сигнал;

ПИП – первичный измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина;

ИП – измерительный преобразователь, т.е. техни-ческое средство, служащее для преобразования измеряе-мой величины в другую, удобную для передачи, преоб-разования, обработки и хранения;

ВП – вторичный прибор, т.е. техническое средство, допускающее только считывание и запись показаний зна-чений измеряемой величины.

В соответствии с Рекомендациями РМГ 29-99 «ГСИ. Метрология. Основные термины и определения» метроло-гия (от лат. metron - мера и …логия) – это наука об измерениях, методах, средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

К нормируемым метрологическим характеристикам средств измерений относят:

- диапазон входных (измеряемых) величин;

- диапазон изменения выходного сигнала, как правило, нормированный;

- статическая характеристика;

- чувствительность;

- погрешность измерения;

- класс точности.

Диапазон входных (измеряемых) величин – это область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средств измерения.

Диапазон изменения выходного сигнала – область значений шкалы (лат. scala - лестница), ограниченная её начальным и конечным значениями.

Статическая характеристика – это зависимость выходной величины Y от входной X в статическом режиме измерения, т.е. Y = f(X).

Она может быть задана таблицей, графически и аналитически. Путём аппроксимации (от греч. приближаюсь), т.е. замены одних математи-ческих объектов другими, в том или ином смысле близкими к исходным, можно зависимость, заданную таблично, представить в аналитическом виде. Вид аналитической зависимости определяет сам экспери-ментатор в соответствии с физическим законом, лежащим в основе работы измерительного преобразования.

В простейших случаях эта аппроксимация может быть линейной

Y = aX + b (2.1)

и квадратичной

Y = aX² + bX + c, (2.2)

где a, b и c – соответствующие коэффициенты.

Статическая характеристика средства измерения, изображённого на рис. 2.1, равна

Y = Y₃( Y₂( Y₁(Х))). (2.3)

Чувствительность средства измерения S

S = , (2.4)

где Y - приращение выходной величины при изменении входной на X, стремящейся к нулю.

В случае последовательного соединения звеньев средства измерения (рис. 2.1) общая чувствительность будет равна произведению чувствительностей входящих в него звеньев, т.е.

S = S₁∙S₂∙S₃; S_i = . (2.5)

Графически чувствительность определяется тангенсом угла наклона касательной, проведённой к выбранной точке статической характеристики. Если статическая характеристика средства измерения нелинейна, то его чувствительность будет различной в разных точках характеристики, а шкала прибора - неравномерной. Средства измерения с линейной или пропорциональной статической характеристикой имеют неизменную в любой точке шкалы чувствительность и равномерную шкалу.

Абсолютная погрешность измерения X равна

X = X_изм – X_дейст, (2.6)

где X_изм – результат измерения; X_дейст – действительное значение измеряемой величины.