Экологический мониторинг

Размещено на http://www.allbest.ru/

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»

экологический мониторинг загрязнение природный

§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)

Размещено на http://www.allbest.ru/

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

Размещено на http://www.allbest.ru/

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 = 4,2610^-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 преобразователь) - 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 = IR_t; ; II: U₀ = IR₀

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

Размещено на http://www.allbest.ru/

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/м²m]

W_b - спектральная плотность излучения черного тела при длине волны

с = 310⁸ м/с - скорость света

h = 6,610^-34 Дж/с - постоянная Планка

k = 1,410^-23 Дж/К - постоянная Больцмана

Закон смещения Вина: [m]

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

= 5,710^-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 = 8,8510^-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

hCI или UI_yA_исh

2. Кондуктометрические уровнемеры

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

1 - металлические электроды

2 - емкость

hRI 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 = VS_{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)

ГЛАВА 3. МОНИТОРИНГ ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД

Часть 1 Измерение общего солесодержания

Это так называемые аналитические приборы (для определения состава и свойств веществ)

Может быть 2 названия этих приборов: а) СФС^* - концентратомер, где С - концентрация загрязняющего компонента; Ф - какое-либо физическое свойство.

б) СФ - если шкала прибора отградуирована в единицах физической величины, то прибор называется в соответствии с этой величиной (Z.B. ₀ - кондуктометр; (диэлектрическая проницаемость) - диэлкометр; рН - рНметр)

Для измерения общего солесодержания используются методы кондуктометрии.

Физические основы метода кондуктометрии.

Все методы основаны на зависимости ₀ = (С)

Измерение следует проводить либо слева, либо справа от максимума.

§1 Контактные методы кондуктометрии

Измерение электропроводности осуществляется в так называемой электролитической ячейке. Посмотреть методичку

1. Двухэлектродная кондуктометрическая ячейка

1 - металлические электроды

2 - сосуд из диэлектрика

3 - анализируемая среда

ИП - источник питания

Тип проводимости ионный.

На границе Ме-раствор возникают электродные процессы, приводящие к погрешности измерений.

Изменение потенциала электрода (U), связанное с протеканием тока называется поляризацией.

А - плотная часть двойного электрического слоя

Б - диффузная часть двойного электрического слоя.

Под действием гидратации ионы металла выходят в раствор.

В плотной части происходит резкое изменение потенциала, а в диффузионной - плавное.

Выход ионов из металла в раствор и обратно будет происходить до тех пор, пока не установится равновесие между процессами окисления и восстановления.

- равновесный потенциал.

Изменение потенциала электрода относительно равновесного состояния - явление поляризации.

Линейная зависимость только в глубине электролита.

Электрическая модель двухэлектродной ячейки.

R - сопротивление, вызванное пузырьками газа или загрязнением электрода.

С_д.с. - емкость двойного слоя 50 мкФ/см²

С_sR_s - последовательная фарадеева цепочка (фарадеевский импеданс). Импеданс - полное сопротивление.

С_s - псевдоемкость

R_s - поляризационное сопротивление

R_x - сопротивление самого процесса разрядки ионов.

Способы устранения эффектов поляризации: Посмотреть методичку

1) R - электроды должны быть чистыми;

2) Проведение измерений на переменном токе.

. При 8 кГц.

Влияние емкости двойного слоя выполняется аппаратным (схемным) путем.

3) Выбор материала электрода

Pt (Pt) -платина, покрытая платиновой чернью.

4) Увеличение поверхности электродов

5) использование компенсационных схем измерения, т.е. в момент отсчета показаний ток равен нулю.

2. Четырехэлектродная кондуктометрическая ячейка

А₁, А₂ - токовые электроды (на них происходит явление поляризации)

В₁, В₂ - потенциальные (измерительные) электроды (на них нет эффекта поляризации)

Область I и III: области резкого изменения потенциала, где расположены токовые электроды.

Область II: область линейного изменения потенциала, где находятся потенциальные измерительные электроды.

Электрическая модель ячейки

R_н - сопротивление неизмеряемого участка раствора электролита

R_а - сопротивление, обусловленное величиной тока, который протекает через измерительные электроды. R_а = при компенсационном методе измерения.

Достоинства и недостатки контактной кондуктометрии.

а) простота реализации, невысокая стоимость (от 2000 руб.)

б) широкий диапазон измерений

Недостатки: наличие контакта с анализируемой средой.

§2 Бесконтактная кондуктометрия

1. Бесконтактная низкочастотная кондуктометрия

(Метод жидкостного витка или трансформаторный метод)

Все промышленные приборы работают в диапазоне 10^-6 1 [Сим/см]

Т₁ - питающий трансформатор

Т₂ - измерительный трансформатор

* - изготавливается из пластика, заполняется анализируемой средой.

Напряжение питания подается через Т₁ на жидкостной виток, который является вторичной обмоткой первого трансформатора и первичной второго.

При изменении электропроводности происходит изменение тока в жидкостном витке и магнитного потока в Т₂. Это приводит к появлению во вторичной обмотке трансформатора Т₂ ЭДС.

Рабочая частота 6 кГц.

: отсутствие контакта с анализируемой средой.

Недостаток: а) подверженность влиянию магнитных полей промышленной частоты (50Гц)

б) невозможность измерения при высоких температурах.

2. Бесконтактная высокочастотная кондуктометрия

Основана на взаимодействии электромагнитного поля высокой частоты (от 1 до 100 МГц) с веществом, изолированным от систем электродов.

1) Кондуктометр с емкостными ячейками (С-ячейки)

Представляет собой конденсатор с многослойным диэлектриком.

1 - металлические кольцевые электроды

2 - трубка из диэлектрика

3 - рабочая полость

Электрическая модель ячейки:

С₁' - емкость, обусловленная диэлектрическими свойствами стенки ячейки;

R₁' - активные потери в материале стенки ячейки

С₂ - емкость, обусловленная диэлектрическими свойствами анализируемой среды

- электропроводность анализируемой среды

С_кр - краевая емкость, обусловлена тем, что силовые поля идут вне рабочей части.

При измерении электропроводности высокочастотным методом она измеряется не прямо, а путем определения комплексного сопротивления емкостной ячейки и его сопротивления.

Y_я = G_p + jB_p

комплексная проводимость; G_р - активная составляющая полной проводимости ячейки; В_р - реактивная составляющая.

В зависимости от того, какая составляющая измеряется, различают три способа:

1) Q - метрический способ (G_р = ()); Q - показатель добротности.

В случае Q - метрического способа необходима компенсация реактивной составляющей (В_р=0) этот способ - компенсационный, обладает высокой точностью и очень высокой чувствительностью в области малой электропроводности.

Недостаток: наличие экстремума на зависимости G_р = ().



Измерительные ячейки включаются в схему, и чаще всего для этой цели используются контурные измерительные схемы, или схемы с колебательным контуром.

Измерительная схема.

I₀ = const при z_i >> R_p

ГВЧ - генератор высокой частоты

z_i - сопротивление связи

L - индуктивность

g - активные потери в измерительной схеме

ЕИЯ - емкостная измерительная ячейка

ЭН - элемент настройки колебательного контура

R_p - активное сопротивление колебательного контура в момент резонанса



В случае Q - метрического способа при каждом новом значении схема настраивается в резонанс с помощью элемента настройки.

2) Емкостной способ (определение реактивной составляющей).

С_э = В_р

Отсчет показаний ведется по шкале ЭН

: а) отсутствие экстремума на статической характеристике

б) достаточно высокая точность измерения

Недостатки: а) необходимость выполнения ручных операций для настройки в случае лабораторных приборов

б) достаточно сложная схема настройки промышленных приборов.

3) Z - метрический способ

Способ измерения полного сопротивления или полной проводимости емкостной ячейки.

|Z| = f ()

; Y = Y_я + Y_ис (Y_ис - полная проводимость самой схемы)

Вид кривой зависит от настройки

: а) нет системы компенсации реактивной составляющей (метод прямого измерения)

б) простота, стоимость ниже

Недостаток: меньшая точность измерения, чем у Q - метрического и емкостного.

Факторы, влияющие на точность измерения

1) Аномальная дисперсия диэлектрической проницаемости. Этот фактор учитывается при выборе частоты измерений [Гц]

₀ - частота на постоянном токе

- для очень высокой частоты

В области I диполи воды успевают ориентироваться при изменении частоты



Область III - область аномальной дисперсии ; диполи не успевают ориентироваться при изменении частоты.

Z.B. Выбор частоты: для чистой воды f = 1,8 ГГц

2) Условия квазистационарности.

Заключаются в том, чтобы эффективные размеры емкостной измерительной ячейки были меньше ?, иначе теряет смысл емкостная ячейка как конденсатор, ее следует рассматривать как систему с распределенными параметрами.

Зависимость напряжения от радиуса пластины конденсатора

L_эф < 2R

2) Индуктивные ячейки

Предназначены для измерения высокопроводящих жидкостей (высокозагрязненных щелочами СВ).

Диапазон 1100 Сим/см

1 - катушка

2 - трубка из диэлектрика

3 - рабочая полость заполняемая анализируемой средой

ИИЯ - индуктивная измерительная ячейка

Z_ИИЯ = R_э + jL_эф

Часть 2 Диэлькометрия (измерение диэлектрической проницаемости)

Метод измерения диэлектрической проницаемости (); связано со свойствами среды.

Измерения проводят на достаточно высоких радиочастотах.

Используются емкостные датчики.

С = f ()

Измерительные схемы в случае диэлькометрии такие же, как и у высокочастотных кондуктометров.

Приборы называются F-метры (измеряется частота);

Они основаны на способе биения [а) если = 0 - способ нулевых биений; б) если 0 - способ биений]

Схема F-метра.

РГ - рабочий генератор

ОГ - образцовый генератор

С - смеситель

ВУ - вычислительное устройство

Ограничение: диэлькометры нельзя использовать для высокопроводящих сред.

Погрешность 110^-2 пФ

Область применения:

а) анализ состава незагрязненных сред (воды)

б) определение нефтепродуктов в воде

в) определение поверхности раздела в аппаратах для очистки воды от нефтепродуктов.

Приборы могут быть как промышленные (используются в нефтедобывающей промышленности для определения состава вода-нефть), так и лабораторные.

Часть 3 Измерение мутности воды

Определение загрязнения природных и СВ твердыми частицами.

§1 Оптические методы и приборы

1. Интегральные методы и приборы

Суммарное содержание (турбидиметр) - изучить самостоятельно

2. Методы определения счетной концентрации

- лампа, П - приемник, ИС - измерительная схема, И - индикатор

Кроме счетной концентрации эти приборы позволяют определить функцию распределения частиц по размерам.

В качестве источника излучения могут использоваться лазеры.

Эти датчики пришли из медицины, где использовались для анализа крови (м.б. это счетчики Coulter'a ?)

§2 Счётчики Coulter'a

Принципиальная схема.

1 - калиброванное отверстие

2 - стеклянная пробирка

3, 4 - электроды металлические

5 - сосуд измерительной ячейки

6 - клапан-переключатель

7 - U-образная трубка

8 - устройство создания вакуума

9, 10, 11 - электроды, впаянные в U-образную трубку

12 - источник питания

- усилитель

13 - анализатор микропроцессорный

14 - 2^х координатный самописец

15 - таймер

Основаны на резком изменении сопротивления при попадании частицы в калиброванное отверстие.

Режим работы: 1стадия. Клапан 6 переключен так, чтобы вакуум был подведен к U-образной трубке. 2 стадия. Клапан 6 соединяет U-образную трубку со стеклянной пробиркой 2.

При опускании ртути под действием силы тяжести определенная доля воды проходит через калиброванное отверстие 1. Когда ртуть опускается, замыкаются контакты 9,10,11 и включается таймер для запуска анализатора 13.

При попадании частиц в отверстие происходит резкое изменение сопротивления и тока, протекающего через сопротивление нагрузки R_н. Далее ток усиливается и попадает в анализаторы.

Получается график. Число импульсов - число прошедших частиц; амплитуда пропорциональна с их эффективными размерами.

: 1) высокая скорость счета при широком диапазоне диаметра частиц

2) высокая точность счета

Недостатки: 1) невозможность измерения растворов с высокой концентрацией твердых частиц

2) загрязнение калибровочного отверстия

3) неоднозначность показаний при d_r < d_отв (d_r << d_отв нельзя)

Область применения: лаборатории для массовых анализов

Часть 4 Потенциометрические методы анализа воды

Предназначены для определения определенного типа ионов в воде (Z.B. измерение концентрации [H]⁺ (рН), Cl^-, F^-, Ca²⁺, Na⁺, K⁺ и др.)

§1 Измерение pH воды

Методы основаны на использовании соотношении Нернста:

;

(а = fc) и измерении равновесного потенциала системы электродов.

Е - потенциал электрода

Е₀ - стандартный потенциал

n - валентность иона, концентрация которого измеряется

а - активность

f - коэффициент активности

с - концентрация

Потенциал нормального водородного электрода принят за ноль.

Платиновый электрод погружен в раствор с а = 1 (ионов Н⁺) и подачей газообразного водорода к электроду. Считается ; значения других потенциалов определяется относительно .

Уравнение Нернста справедливо для равновесных потенциалов. Равновесным считается потенциал электрода, когда скорости окисления и восстановления на нем равны.

В системе электродов равновесный потенциал, когда ток не протекает либо очень маленький (отсутствует поляризация).

рН = - lgC_H+

I. ИЭ - измерительный электрод (стеклянный), потенциал которого является f (рН)

ВЭ - вспомогательный хлор-серебряный электрод

Основным элементом ИЭ является чувствительная мембрана 1, которая выполнена из специального стекла

Е_ИЭ = Е₁ + Е₂ + Е₃ (Е₁; Е₂ = const; E₃ = f (pH))

Е_ВЭ = const (всегда)

Е_ЭС = Е_ИЭ + Е_ВЭ (ЭС - электродная система)

2 - полупроницаемая мембрана нужна для замыкания электрической цепи внутри анализируемого раствора, т.е. через нее пропускаются ионы К⁺ и Cl^-

3 - корпус

Статическая характеристика

Практическое значение - координаты изопотенциальной точки используются в системе термокомпенсации рН-метров.

Зависимость потенциала ИЭ от рН называют водородной функцией:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Недостатки системы: 1) высокое электрическое сопротивление стеклянной мембраны и соответствующего электрода в целом (>500 Ом) требует очень высокого входного сопротивления у измерительных приборов через стеклянный электрод протекает I10^-12 А. В связи с его малостью датчик рН и ВП не могут быть удалены друг от друга на значительное расстояние. Необходима сложная защита от помех вторичного прибора.

2) сложная в обслуживании и эксплуатации конструкция стеклянного электрода

3) эти электроды не выдерживают измерение рН при высоких температурах.

II. 1 -

4 - амальгама на внутренней поверхности чувствительной мембраны

5 - точка контакта электрода

III. Полупроводниковая техника кампланарной технологии

1 - корпус датчика

2 - измерительный электрод

3 - вспомогательный электрод

4 - датчик температуры

5 - аналогово-цифровой преобразователь (АЦП)

6 - область, заполненная хорошо проводящим гелем

7 -ионо-селективная мембрана (в данном случае к Н⁺)

Размещено на http://www.allbest.ru/

: 1) невысокое внутренне сопротивление (~ 10 кОм) электродной системы

2) возможность передачи сигнала на значительное расстояние без существенных помех

3) низкая стоимость

§2 Анализ воды с помощью иона селективности электрода

Существует свыше 100 ионо-селективных электродов. Их селективность определяется типом или видом чувствительной мембраны.

Принцип действия такой же, как и определение рН.

Недостатки: 1) необходимость периодической очистки или смены чувствительной мембраны из-за загрязнений

2) достаточно высокая чувствительность к содержанию К⁺ и Na⁺ (только стеклянные электроды)

Часть 5 Вольт-амперометрия в мониторинге воды

Эти методы позволяют с высокой избирательной способностью и точностью измерять ионный состав воды.

Они основаны на анализе вольтамперных характеристик или зависимости тока от напряжения электрохимической ячейки с твердыми электродами.

При использовании жидких (ртутных) электродов эти методы называют полярографией.

Это лабораторные приборы.

Метод основан на законах электролиза при следующем допущении: лимитирующей стадией всего электрохимического процесса является стадия доставки ионов к электродам за счет процесса диффузии (диффузионная кинетика).

Размещено на http://www.allbest.ru/

1 - ртутно-капельный электрод (1-20 сек) - обычно катод

2 - контакт

3 - корпус ячейки

4 - второй электрод (ртутное дно) - обычно анод

5 - анализируемая среда

Анод имеет большую поверхность для того, чтобы все электрохимические процессы на аноде были пренебрежимо малы из-за малой плотности тока j (j = I/S).

Постепенно увеличивают напряжение, пока не произойдет выделение ионов нужного типа на ртутной капле.

Ртутно-капельный электрод позволяет постоянно обновлять поверхность электрода исключить возможность загрязнения продуктами электролиза.

По мере роста напряжения, растет и ток и достигает значения , его величина зависит от концентрации линейно:

,

где n - валентность;

D - коэффициент диффузии;

с - концентрация

- толщина диффузионного слоя.

При дальнейшем росте напряжения появляется еще одно .

Количество ионов определяется так называемым потенциалом полуволны U_?

Недостаток: сложность инструментализации (автоматизирования) используется только в лабораториях.

: количественный и качественный анализ многокомпонентных смесей (несколоько типов ионов).

Часть 6 Автоматическое титрование

Принципиальное отличие от других методов: метод требует предварительной подготовки пробы.

Принципиальная схема автоматического титрометра

1 - дозатор пробы

2 - дозатор титранта (титрующего вещества)

3 - ячейка для титрования

4 - регулирующие клапаны

5 - датчик титрования

6 - индикаторный концентратомер

7 - контролер (микропроцессорное регулирующее устройства).

В зависимости от типа индикаторного концентратомера различают: кондуктометрическое, потенциометрическое, амперометрическое, фотоколориметрическое титрование.

В процессе титрования необходимо определить концентрацию неизвестного вещества в пробе. А + В С + D (А - проба, В - титрант).

Порядок измерения:

1) Дозирование пробы определенного размера в ячейку для фильтрования

2) Измерение физического параметра ( концентрации) с помощью индикаторного концентратомера

3) По сигналу с контролера дозирование титранта ?

Автоматический титрометр - система поддержания точки эквивалентности (когда вещество А и В полностью прореагировали).

Материальный баланс точки эквивалентности:

С_А = ?;

V_A = V_пробы; V_Т = V_В; k - стехиометрический коэффициент реакции

При титровании концентрацию неизвестного компонента определяют по величине объёма титранта в точке эквивалентности.

Зависимость физического параметра (I, U, электропроводности , оптической плотности) от объёма титранта называется кривой титрования.

1. Кондуктометрическое титрование

1) HCl + NaOH NaCl + H₂O

2) HCOOH + NaOH . . .

(*) - конечная точка титрования, она соответствует состоянию эквивалентности, она отличается от точки эквивалентности погрешностью устройств, входящих в автоматический титрометр.

2. Потенциометрическое титрование

(*) - точка эквивалентности - это точка перегиба

Недостаток: возможность перетитрирования из-за медленности массообменных процессов, происходящих на границе электрод- раствор.

3. Амперометрическое титрование; 4. Фотоколориметричес-кое титрование.

Вид кривых такой же, как и для кондуктометрического титрования.

Общие : 1) высокая избирательность, определяемая химической реакцией

2) достаточно высокая точность

Недостатки: 1) приборы в основном используются для лабораторного анализа или для промышленного анализа с большим интервалом дискретности

2) достаточно высокая стоимость фильтрующих веществ.

Часть 7 Оптические методы анализа воды

§1 Фотоколориметрические анализаторы воды

Работают в видимой области спектра.

Оптические приборы также называют абсорбционными, т.к. они основаны на поглощении света в определенной части спектра.

Принцип их действия основан на законе Бугера - Ламберта - Бера:

;

сl = D - оптическая плотность

I₀ - интенсивность падающего (зондирующего) потока

I_пр - интенсивность прошедшего через вещество потока

- коэффициент поглощения на данной длине волны

с - концентрация

l - толщина просвечиваемого слоя (длина кюветы)

Принципиальная схема

1 - источник излучения

2 - светофильтры, установленные на обтюраторе - 3

4 - кювета, заполненная анализируемой средой

5 - фотоприемник

6 - измерительная схема

7 - показывающий прибор

Фотоколориметры определяют зависимость интенсивности излучения от окраски.

При фотоколориметрическом анализе проводится избирательная реакция с определяемым компонентом любой анализ требует предварительной градуировки прибора.

С = (D)

: 1) высокая избирательность

2) отсутствие контакта с анализируемой средой

Недостатки: 1) необходимость предварительной градуировки пользователем под конкретное вещество

2) это лабораторные приборы

Используются для определения: фенола в воде, хлора в воде, NH₃

§2 ИК анализаторы

Используется поглощение в ИК области спектра

Принципиальная схема та же самая, отличается источником, фильтрами и приемником.

Используются для определения загрязнения воды нефтепродуктами.

Сначала экстракция нефтепродуктов из воды, а затем анализ (фотометрирование).

Для экстракции используют растворители.

§3 Флюорисцентные приборы

Принцип вторичного излучения. В зависимости от причины, люминесценция делится на: 1) хемилюминесценция (химическая реакция);

2) флюоресценция (от источника света)

3) радиолюминесценция (радиоактивное излучение).

При мониторинге воды используется флюоресценция. Для определения загрязнения используются микроорганизмы, которые флюорицируют.

Принципиальная схема

1 - источник возбуждающего излучения

2 - фильтр узкополосный

3 - оптическое стекло

4 - кювета

5 - светофильтр, который выделяет - излучение люминесценции

6 - фотоприемник

7 - измерительная схема

Используются только как лабораторные приборы из-за сложности анализа и легкого тушения люминесценции другими веществами.

Изучит самостоятельно: оптические приборы и методы определения твердых веществ в воде (мутности) - турбидиметры, нефелометры.

Методы и приборы контроля сточных вод

Методы и приборы	Измеряемая физическая величина	Определяемый компонент	Порог обнаружения	Особенности
1. Кондуктометрия: - кондуктометры - счетчики Coulter'a	Теплопроводность	1) общее солесодержание 2) счетная концентрация и дисперсия 3) электропроводность		Метод не избирательный
			0,3 мкм
			10-8 Сим/см
2. Потенциометрия: - рН метры - ионометры	Потенциал электрода	Ca2+; Na+; K+; Cl-; Mg2+; I-; NO3-; H+; pCO2	10-4 моль/л	Требует специальных мер защиты мембраны от загрязнений
3. Амперометрия: датчики Кларка	Ток	Растворенный О2	0,5 мг/л	Сложность: периодическая замена электролита
4. Полярография	Предельный диффузионный ток	Pb; Zn; Cu; Cd; Hg; Pt; Ni; Mg	10-8 моль/л
5. Оптические			0,001 %
6. Оптические для определения счетной концентрации твердых веществ	Интенсивность светового потока		0 105 частиц/см3	Возможность загрязнения оптических окон и неоднозначность показаний при попадании нескольких веществ

1)

1- излучатель в видимой области спектра

2 - оптические окна

3 - фотоприемник

4 - электронный счетчик

2) Датчики

1 - серебряный электрод

2 - свинцовый электрод

3 - вторпластовая мембрана, которая избирательна для ионов О₂

4 - корпус ячейки

5 - пластиковая мембрана для компенсации атмосферного давления

Часть 8 Аппаратное и программное обеспечение систем мониторинга воды

§1 Аппаратное обеспечение системы отбора и подготовки пробы

Основные функции:

1) кондиционирование пробы

2) очистка пробы

3) поддержание определенной температуры пробы

4) установка определенного значения рН

5) задание определенной величины расхода пробы

6) предварительное разбавление или концентрирование пробы

Оборудование и аппаратура:

1. Дозаторы пробы

- перестатические насосы

- поршневые насосы

Для измерения расхода пробы используются сужающие устройства (диафрагмы), ротаметры или специальные щелевые расходометры.



1 - диск

2 - ролики

3 - гибкий шланг

4 - электрический привод

5 - устройство управления

Сужающее устройство

1 - труба

2 - диск с отверстием (диафрагма)

ДМ - диф. Монометр

При изменении скорости меняется р

2. Датчики

- проточные

- погружные

В зависимости от типа организуют систему мониторинга.



а) 1 - магистральный трубопровод

2 - датчик качества

3 - клапан

4 - клапаны (вентили) для демонтажа датчика

б) Используется, когда в анализируемую среду добавляют какие-либо реактивы в соответствии с методом измерения (автоматическое титрование, фотоколорометрия)

1 - расходомер

2 - холодильник

3 - сосуд, в котором производится измерение

4 - датчик

в) 1 - кронштейн для крепления датчика

2 - соединительная коробка (для коммутации датчика)

3 - штанга

4 - чувствительные элементы датчика

3. Анализаторы

4. Средства метрологического обеспечения

Образцовые среды (рабочие эталоны), которые необходимы для периодической поверки средств измерения.

5. Вычислительная техника

6. Различного рода штуцера, клапана, арматура и т.д.

7. Дополнительное оборудование для автономных и автомобильных станций

- система электроснабжения

- система кондиционирования

- система аккумуляторного питания

- аппаратура приема и передачи данных

§2 Программное обеспечение

1) ОС (Windows NT)

2) Пакеты прикладных программ для статистической обработки данных

3) Специфические программы для установки связи с конкретными измерительными приборами

4) Программы для идентификации загрязняющего компонента, его привязки ко времени и производству

5) Пакеты прикладных программ для создания баз данных, архивирования и организации доступа по запросу

6) Система обеспечения защиты

Часть 9 Примеры систем мониторинга воды

§1 Неклассические системы

: небольшой объём, высокая скорость анализа за счет транспортного запаздывания.

1 - кондуктометрический концентратомер

2 - рН-метр с датчиком

3 - емкости для реагента

4 - фотоколориметр

5 - фотоприемники

6 - лампы (источники излучения)

L₁, L₂ - длины кюветы 1 и 2

7 - микропроцессор

8 - устройство отображения информации

9 - кран-переключатель

10 - регулирующий клапан

Предназначены для: определения электропроводности воды, рН, Сl^-, NO₃^- и фенола (2 последних фотоколориметрическим методом).

Это циклическая система. Порядок циклов задается программно оператором.

§2 Классические системы

В этих типах систем используют 2 способа получения информации о загрязнении воды:

1) организация сети датчиков по поверхности водоема

2) использование трубопроводных коммуникаций для доставки проб воды из требуемых точек к датчику

Блок-схема системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Функционально система состоит:

1 - многоканальный анализатор, который позволяет определить до 17 параметров воды

2 - УСО - устройство сопряжения с объектом, включает микропроцессор, блок аналогово-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей (АЦП, ЦАП), память большого объема, средства передачи/приема данных.

I - блок общего назначения, в котором собраны датчики: t, pH, , D (дозатор пробы)

II - ионно-метрический блок

III - фотометрический блок, в котором есть датчики определения коэффициента поглощения в УФ части спектра (К_уф) и мутности.

ПНЧ - преобразователи «напряжениечастота»

Режимы работы системы:

1) штатный: режим измерений

2) штормовой: режим сигнализации о превышении концентрации вредных веществ

3) режим калибровки датчика

Станция может работать автономно в течение 20 дней.

В систему мониторинга больших водоемов входит до 20 станций.

§3 Геоинформационные системы

Это комплекс программных средств и аппаратного обеспечения (анализаторы, установленные на спутниках, самолетах, вертолетах, на очень высоких башнях, зданиях).

Основная идея: загрязненная поверхность воды различно отражает солнечное излучение или излучение от специальных источников (контраст).

Группы оптических методов:

1) Пассивные - регистрация отраженных солнечных лучей в широком спектре, ИК, УФ

Недостаток: возможность измерения только днем в ясную солнечную погоду

2) Активные - используются лазеры, их отраженное излучение

: 1) в любое время суток

2) возможно люминесцентное излучение (вторичное).

Точность 0,01%, 0,1%

Особенности программного обеспечения:

1) содержит шаблоны или модели незагрязненных участков, с которыми и сравнивается полученная «картинка»

2) широкая разрешающая способность

3) возможность 3D изображения в любом спектре

4) привязка координат

ГЛАВА 4 МОНИТОРИНГ ПОЧВ

Особенности: вещества, загрязняющие почву (тяжелые металлы) входят в состав почв

Параметры: тяжелые металлы, кислотность, содержание пестицидов и других ядохимикатов, циклические углеводороды.

...