Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Экологический мониторинг. Часть 1. Практикум
.pdf
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 до 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-массспектрометры и др. С помощью указанных средств возможен
количественный анализ практически всех потенциальных загрязнителей, однако получаемая при этом экологическая информация имеет высокую стоимость и зависит от стоимости используемой аппаратуры и требований к квалификации обслуживающего персонала. С учётом этого перспективным является
использование для экологического мониторинга компьютизированных аналитических комплексов (хроматографического, ионно-хроматического, рентгенофлюоресцентного, спектрофотометрического и др.), удачно сочетающих свойства универсальности, высокой степени автоматизации (в том числе пробоотборных и пробоподготовительных операций) и приемлемой стоимости экологического анализа.
Перечисленные элементы ЕГСЭМ обеспечивают оперативный контроль за содержанием и динамикой природных и антропогенных экосистем, интенсивностью экологических факторов
относятся к нижнему звену 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 формирова-
11
ния 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 (от лат. a priori – из предшествующего) информации) и темпов генерации выбросов;
– прогнозирование во времени и пространстве распространения концентраций обнаруженного загрязнения среды с учётом
темпов генерации загрязняющих выбросов и метеорологических
условий среды (в водной среде – скорости течения);
– разработка рекомендаций по обеспечению экологической
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.
12
ГЛАВА 2. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ
И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Получение продукции с заданными свойствами предусматривает управление процессом её производства.
Управление – это целенаправленное изменение состояния
или параметров машины, объекта, системы, процесса в соответствии с требуемым алгоритмом функционирования.
Автоматическое, т.е. без участия человека, управление
включает в себя следующие операции:
– измерение параметров процесса (объекта);
– принятие решения (управляющего воздействия) вычислительной машиной;
– выполнение (реализация) принятого решения исполнительным механизмом, воздействующим на объект.
Получение информации о процессе (объекте), т.е. измерение,
является обязательным и необходимым этапом процесса управления. Поэтому рассмотрим процесс получения и обработки
информации более подробно.
Информация (от лат. informatio – разъяснение, изложение) –
общенаучное понятие, включающее обмен сведениями между
людьми, человеком и автоматом, автоматом и автоматом.
В соответствии с Рекомендациями РМГ 29–99 метрология
(от лат. metron – мера и …логия) – это наука об измерениях, методах, средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Различают теоретическую, законодательную и практическую (прикладную) метрологию.
Физическая (греч. , от – природа) величина – одно из свойств физического объекта, физической си-
стемы, явления или процесса, общее в качественном отношении
для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них. Качественная сторона
понятия «физическая величина» определяет «род» величины
(например, концентрация вещества как общее свойство растворов), а количественная – её «размер» (концентрацию данного
раствора).
13
Размер физической величины – это качественная определённость физической величины, присущая конкретному материальному объекту, системе, явлению или процессу.
Значение физической величины – это выражение размера в
виде некоторого числа принятых для неё единиц.
Истинное значение физической величины есть её значение,
которое идеальным образом характеризует в качественном и
количественном отношении физическую величину. Оно может
быть получено только в результате бесконечного процесса измерений с постоянным совершенствованием методов и средств
измерений.
Действительное значение физической величины – значение
физической величины, полученное экспериментальным путём и
настолько близкое к истинному значению, что в поставленной
измерительной задаче может быть использовано вместо него.
Измерение – это процесс нахождения значения физической
величины опытным путём с помощью специальных технических
средств.
Измерения могут быть однократные и многократные, статические (от греч. ) и динамические (от греч. –
сила), контактные и бесконтактные, абсолютные и относительные, равно- и неравноточные и др.
Абсолютное измерение – измерение, основанное на прямых
измерениях одной или нескольких основных величин и (или)
использовании физических констант (от лат. constans – постоянный). Так измерение силы F = mg базируется на измерении основной величины – массы m и использовании физической постоянной g.
Относительное измерение – измерение отношения величины к одноимённой величине, играющей роль единицы, или измерение изменения величины по отношению к одноимённой
величине, принимаемой за исходную.
Принцип (от лат. principium – начало, основа) измерений –
физическое явление или эффект, положенные в основу измерений.
Метод (от греч. – исследование) измерений – приём или совокупность приёмов сравнения измеряемой физической величины с её единицей измерения в соответствии с реали-
14
зованным принципом измерений. Метод измерений обычно
обусловлен средством измерений.
Вид измерений – часть области измерений, имеющая свои
особенности и отличающаяся однородностью измеряемых величин.
По способу получения численного значения измеряемой величины выделяют четыре вида измерений: прямые, косвенные,
совокупные и совместные.
Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение физической величины получают непосредственно (измерение температуры термометром, длины – линейкой).
Прямые измерения проводят следующими основными мето-
дами: непосредственной оценки, сравнения с мерой, нулевым,
замещением, дополнением и дифференциальным.
Косвенное измерение – определение искомого значения фи-
зической величины на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с
искомой величиной. К примерам косвенного измерения относят:
определение плотности однородного тела по его массе и геометрическим размерам; удельного электрического сопротивления
проводника – по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения, расхода – по перепаду давления и т.п.
Совокупные измерения – это проводимые одновременно
измерения нескольких одноимённых величин, при которых искомые значения величин определяют путём решения систем
уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях.
Совместные измерения – проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноимённых величин для определения зависимости между ними, например, определение температурного коэффициента линейного расширения.
Совокупные и совместные измерения применяют, как правило, в научно-исследовательской практике.
Кроме того, различают технические и технологические измерения, контроль.
Технические измерения – это измерение количественных и
качественных характеристик свойств продукции (линейных и
угловых размеров, массы, шероховатости и т.п.).
15
Технологические измерения – измерение режимов, характеристик и параметров технологического процесса (уровня,
температуры, давления, расхода, плотности, состава среды и
т.п.).
Контроль – операция, заключающаяся в определении соот-
ветствия измеряемых величин допускам, установленным на их
значения для обеспечения нормального функционирования технического объекта, процесса.
Технический контроль – это проверка соответствия объек-
та установленным техническим требованиям.
Средство измерений – техническое средство (или их комплекс), предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или)
хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменными (в пределах установленной погрешности)
в течение известного интервала времени.
Автоматическое средство измерений – средство измерений,
производящее без непосредственного участия человека измерения и все операции, связанные с обработкой результатов измерений, их регистрацией, передачей данных или выработкой
управляющего сигнала.
Автоматизированное средство измерений – средство измерений, производящее в автоматическом режиме одну или часть
измерительных операций.
В общем случае средство измерений имеет следующую
структурную схему (рис. 2.1).
На этом рисунке показаны следующие обозначения и со-
кращения:
X – входной сигнал (измеряемая величина);
Y – выходной сигнал;
ПИП – первичный измерительный преобразователь, на ко-
торый непосредственно воздействует измеряемая физическая
величина;
ИП – измерительный преобразователь, т.е. техническое
средство с нормированными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в
другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или
16
передачи. В зависимости от характера преобразований различа-
ПИП
ИП ВП
ют аналоговые, цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи.
ВП – вторичный (показывающий) прибор, т.е. совокупность
элементов средств измерений, которые обеспечивают визуальное восприятие значений измеряемой величины или связанных с
ней величин.
Х Y1(Х) Y2(Х) Y3(Х)=Y
Рис. 2.1. Структурная схема средства измерений
Метрологическая характеристика средства измерений –
характеристика одного из свойств средства измерений, влияющая на результат измерений и на его погрешность. Для каждого
типа средств измерений устанавливают свои метрологические
характеристики.
Метрологические характеристики средств измерений явля-
ются составной частью исходной информации:
– для определения результатов измерений и расчётной оцен-
ки характеристик инструментальной составляющей погрешности измерений;
– для расчёта метрологических характеристик каналов изме-
рительных систем, состоящих из средств измерений с нормированными метрологическими характеристиками;
– для оптимального выбора средств измерений;
– для использования в качестве контролируемых характери-
стик при контроле средств измерений.
К метрологическим характеристикам относят функцию преобразования, погрешность средства измерений, чувствительность, цена деления шкалы, порог чувствительности, диапазон
измерений, вариация показаний и др.
Нормируемые метрологические характеристики – это
совокупность метрологических характеристик данного типа
17
средств измерений, устанавливаемая нормативными документа-
S(С
][
х
][
х
о
о
ми на средства измерений. ГОСТ 8.009–84 предусматривает
следующую номенклатуру метрологических характеристик.
1. Характеристики средств измерений, предназначенные для
определения результатов измерений:
– функция преобразования Y = f(X )измерительного преобразователя, а также измерительного прибора с наименованной
шкалой или со шкалой, отградуированной в единицах, отличающихся от единиц входной величины;
– номинальное значение однозначной или значения многозначной меры;
– цена деления шкалы измерительного прибора или многозначной меры;
– вид выходного кода, число разрядов кода, цена единицы
наименьшего разряда кода средств измерений, предназначенных
для выдачи результатов в цифровом коде.
2. Характеристики погрешностей средств измерений.
2.1. Характеристики систематической абсолютной состав-
ляющей погрешности
) средств измерений:
– значение систематической составляющей S;
– значение S наряду с оценкой математического ожидания
М
, а также среднего квадратического отклонения s(S).
При этом систематическая погрешность рассматривается как
случайная величина на множестве средств измерений данного
типа. Под значением М
следует понимать статистическую
оценку.
2.2. Характеристики случайной составляющей
погрешно-
сти средств измерений:
– среднее квадратическое отклонение s[о];
– нормализованная автокорреляционная функция r(τ) или
функция спектральной плотности S(ω);
– случайная составляющая (
) погрешности от гистерези-
Н
са (вариация Н выходного сигнала средства измерений).
18
Вариацией выходного сигнала называется погрешность
r
t
dam
r
t
d
t
средства измерений, представляющая разность показаний, получаемых при измерениях одного и того же значения измеряемой
величины, сначала – приближением к нему со стороны меньших
значений, затем – со стороны больших значений шкалы.
2.3. Характеристика погрешности средств измерений в том
случае, когда систематическая и случайная составляющие не
разделяются (абсолютная погрешность или относительная погрешность).
3. Характеристики чувствительности средств измерений к
влияющим величинам:
– функция влияния ψ(ξ), где ξ – данная влияющая величина;
– изменения значений метрологических характеристик
средств измерений, вызванные измерениями влияющих величин
(в пределах рабочего диапазона влияющих величин).
4. Динамические характеристики средств измерений.
4.1. Полные динамические характеристики аналоговых
средств измерений, которые можно рассматривать как линейные:
– переходная характеристика h(t);
– импульсная переходная характеристика g(t);
– амплитудно-фазовая характеристика G(jω);
– амплитудно-частотная характеристика А(jω);
– передаточная функция G(p).
4.2. Частные динамические характеристики аналоговых
средств измерений
– время реакции
;
– постоянная времени Т;
– коэффициент демпфирования (от нем. Dempfer – глуши-
тель)
.
4.3. Частные динамические характеристики аналого-
цифровых преобразователей, цифроаналоговых преобразователей, цифровых измерительных приборов:
– время реакции
;
– погрешность датирования отсчёта
;
– максимальная частота (скорость) измерений.
19
4.4. Динамические характеристики аналого-цифровых
X
Y
средств измерений, в том числе измерительных каналов измерительных систем, включающих АЦП, время реакции которых
больше интервала времени между двумя измерениями:
– погрешность датирования отсчёта;
– максимальная частота (скорость) измерений.
5. Характеристики средств измерений, позволяющие учесть
их взаимодействие с подключённым к входу или выходу объектом измерений, цифропечатающим устройством и др. (входное
и выходное полные сопротивления линейного измерительного
преобразователя).
6. Значения неинформативных параметров выходного сиг-
нала средств измерений. К неинформативным параметрам выходного сигнала относятся параметры, не связанные функционально с измеряемой величиной.
Кроме того, средство измерений характеризуют следующие
показатели.
Диапазон (от греч. ( ) – через все (стру-
ны)) показаний средства измерений – это область значений
шкалы прибора, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы.
Диапазон измерений – это область значений величины, в
пределах которой нормированы допускаемые значения погрешности средства измерений.
Статическая характеристика средства измерений – зави-
симость выходного сигнала от входного в статическом режиме(рис. 2.1)
Y = Y3{Y2[Y1(Х)]}. (2.1)
Чувствительность средства измерений S
S =
где ΔY – приращение выходной величины при изменении входной на ΔX, стремящейся к нулю.
, (2.2)
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]