Приборы экологического контроля

Необходимость измерения параметров окружающей среды для человека стала актуальной с началом использования интенсивных промышленных технологий. В первую очередь это относится к крупным энергетическим объектам, вырабатывающим тепловую энергию за счет сжигания топлива. Кроме того, определенные химические производства выбрасывают в атмосферу множество вредных примесей. В крупных промышленных центрах концентрация таких примесей может показаться вредной для здоровья человека. Как следствие, необходимо контролировать и устранять подобные факторы. Вблизи объектов, непосредственно выбрасывающих вредные вещества, определена промышленная зона, воздух в которой более загрязнен и контролировать которую необходимо более оперативно и постоянно. С этой целью промышленность, аналитическоеприборостроение разработаны специальные приборы для контроля концентрации различных веществ в газовой смеси. Такие приборы называются газоанализаторы.

Наиболее часто для контроля среды используют приборы, определяющие концентрацию следующих газов: SO₂, NO, NO₂, CO₂, CO, C_nH_m, пыль.

Для контроля содержания таких веществ применяют газоанализаторы стационарные. Общий подход к построению такого прибора следующий:

 

 

(I, U)

 

вентиль

компрессор

Существенная часть такого прибора — преобразователь, который концентрацию того или иного газа преобразует в электрический сигнал. Этот узел определяет точность измерения, его характеристики практически полностью переносятся на результат.

Особенность преобразователей:

1. Каждый преобразователь различает (настроен) на одно вещество, хотя в смеси их множество. Поэтому точность результата, как правило, не выше б ≥ 5-10 %.

2. Со временем чувствительные элементы преобразователя стареют, теряют свое качество, следовательно, требуют ухода, проверки.

3. Концентрация пыли также влияет на результат измерения. Поэтому в воздухозаборную магистраль ставят фильтры.

Преобразователи могут работать в режиме непрерывного измерения (циклического), а также в режиме единичных измерений. Непрерывные измерения требуют постоянной работы компрессора.

В преобразователе используют разные принципы для получения электрического сигнала.

1. Самым точным методом преобразования считается спектр-анализ, когда газовая смесь возбуждается внешним источником и ионы примесей излучают сигналы: световые, электромеханические, на которые настроены приемники. Наиболее известным прибором считается Криссталл-2000 — хромотограф, который определяет состав смесей сразу полный. Прибор производится на биомашпроме. Основной недостаток: выполнен в лабораторном выполнении и смесь-объект нужно принести.

2. Серия приборов типа ГИАМ-1, 2, 10, 12 — приборы промышленного назначения, предназначенные для измерения одного из трех веществ (SO₂, NO (NO₂), CO (CO₂). Устанавливаются обычно на ТЭЦ вблизи преобразователей энергии. В основе преобразователя хемилюминесцентный метод, суть которого в том, что при облучении газовых смесей жесткими лучами (рентгеновские) отдельные составляющие смеси начинают светиться. Ф/элементы, расположенные в камере, улавливают это свечение, преобразуя его в уровень напряжения.

В зависимости от спектра излучения (приемника) прибор построен на измерении того или иного газа. Точность измерения не лучше — 0: 20 %.

3. Ф434 L прибор для измерения тех же компонентов, также настраивается на один из них. Это во многом аналогичный аналогоприбор, который использует световой метод преобразования. Эти приборы стационарные, имеют жесткую воздухозаборную магистраль (трубу). Основной недостаток таких приборов — сам принцип преобразования (исключены вибрации, постоянная t ^о, большой объем воздуха). Более перспективными считаются приборы, имеющие адсорбционный принцип преобразования. Газовая смесь просачивается через специальное вещество — «таблетку», /// проводимость которых изменяется в зависимости от состава таблетки. Такой метод оперативен, позволяет одновременно анализировать несколько компонентов (при параллельном включении магистралей). Основной недостаток: насыщение чувствительного элемента.

 

Современные индикаторы позволяют в течение полугода эксплуатировать без подстройки. По этому принципу выпускаются переносные приборы серии «Политест», в составе которых 4 индикатора. Приборы позволяют контролировать состав газовой смеси промышленных зон. Габаритные размеры такого прибора, включающего устройство печати — не больше «дипломата».

Более перспективными считаются индикаторы газовых смесей, выполненные на полупроводниковых кристаллах. В них также используется адсорбционный принцип, но степень насыщения значительно меньше.

На кристалле, размером 10 х 10 мм выполнен специальный рисунок Ме (например, решетка), проводимость которой зависит от концентрации веществ в поверхностном слое кристалла. По величине тока судят о составе того или иного компонента.

Измерительные приборы для определения концентрации газов необходимы как в промышленности энергетики, так и в социо-бытовых условиях. Наиболее перспективными считаются полупроводниковые преобразователи, имеющие малое энергопотребление и высокую чувствительность. Оперативный контроль состава газовой смеси необходим не только для промышленных установок, но и для жилой зоны атмосферы города.

 

ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

 

Виды представления информации

Процедура измерений предусматривает получение новых сведений, информации. Причем объект измерения материален, значит его характеристики непрерывны, а результат измерения число — дискретная величина, поэтому в информационных системах первая основная процедура — преобразование непрерывного входящего воздействия в его отклик дискретную величину. Такая процедура называется дискретизацией.

λ₁ λ₂

U (t) λ₀ λ₃ λ₄

λ₅

 

 

t₀ t₁ t₂ t₃ t₄ t₅ t

Пусть имеем некую реализацию для того, чтобы перейти от λ (t) — непрерывной формы к дискретной, → λ (t_i) → λ (i) необходимо зафиксировать определенные значения этого процесса в точках t₀, t₁, t₂, t₃, t₄, t₅, т.е. λ (t) → (λ₀, λ₁, λ₂, λ₃, λ₄, …. λ_n). Преобразование из /// среды в дискретную должно выполняться без потери имеющейся информации.

Погрешность б (λ_i) → б представления.

Но любая дискретизация приводит к появлению погрешности представления. Чтобы такая погрешность была минимальной необходимо выполнить условие. Интервал времени между измерениями не должен превышать

 

 

где f_b — верхняя частота спектра измеряемого сигнала.

Если нам неизвестен спектр, принимают верхнюю частоту в интервале 7-10 f₀. Различают 3 вида дискретного представления входящего сигнала:

1. Представление отсчетами.

2. Разностное представление.

3. Интегральное представление.

 

ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ОТСЧЕТАМИ

Наиболее распространенный способ вследствие простоты реализации. Непрерывная функция λ (t) ставится в соответствии с последними значениями, определений в конкретные моменты времени, т.е. непрерывная величина ставится в соответствии массиву чисел. Для того, чтобы приравнять такие величины, используют оператор прямого представления А.

λ (t) = А · λ (t_i), причем интервал такого представления может быть кусочным. Часто проводят аналогию с процедурой интерполяции. Эта процедура используется во многих физических экспериментах. Представлять производственную функцию набором чисел (отсчетов) можно произвольно. Обычно говорят об оптимальном представлении. Критерий оптимизации: min величина объема выборки при выполнении нерва δ_z ≤ δ_доп

Стремимся уменьшить число отсчетов при условии, что суммарная не допускает дополнительную.

 

U (t) U (t) (i=0,4) t = t₀… t₄

 

t₀ t₁ t₂ t₃ t₄

Физически такая реализация выполняется при вводе случайной переменной составляющей в вычислитель, т.е. при реализации следующей схемы.

ЭВМ

U (ti)

 

U (t) KU (t)

 

 

Объем, число отсчетов, конечно, зависит от интервала времени, через который производятся измерения (т.е. это процедура получения 1 отсчета). Интервал времени Δ t определяется согласно т. Котельникова

Объем J = f (Δ t, f_b)

 

f_b — верхняя частота спектра. Чем выше собственная частота сигнала на входе АЦП и чем шире спектр этого сигнала, тем большая выборка необходима для верного представления процесса. Обычно представление рассматривают на интервале одного периода сигнала, т.е. в абсолютном большинстве преобраз-ся периодичные сигналы. Если процесс случайный, объем выборки стремимся сделать как можно больше. Ограничение — объем памяти вычислителя, время эксперимента. Погрешность представления отсчетами складывается из двух составляющих: погрешности квантования (δ_кв) и погрешности представления сигнала (δ_пр)

 

δ_предс — неточность описания или измерения входного сигнала. Например при преобразовании входного сигнала U (t), имеющего вид U (t) = 2,5 sin (Ut + U). Изменение амплитуды проводилось прибором класса 1. Поэтому, считая основную частоту и фазу постоянными, δ_пр оценивается как 0,01.