Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА»

КОМП'ЮТЕРНА ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНА СИСТЕМА

ДЛЯ ОПЕРАТИВНОГО ЕКОЛОГІЧНОГО МОНІТОРИНГУ

ВОДНОГО СЕРЕДОВИЩА

05.13.05 - комп'ютерні системи та компоненти

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Романюк Анатолій Володимирович

УДК 621.317.39 : 532.574.6

Львів - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному університеті “Львівська політехніка”

Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник

доктор технічних наук, професор Погребенник Володимир Дмитрович,

Національний університет “Львівська політехніка”, м. Львів,

професор кафедри захисту інформації

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор, Мичуда Зиновій Романович,

Національний університет “Львівська політехніка”, м. Львів,

професор кафедри комп'ютеризованих систем автоматики

доктор технічних наук, старший науковий співробітник,

Гайський Віталій Олександрович,

Морський гідрофізичний інститут НАН України, м. Севастополь,

завідувач відділу автоматизації океанографічних досліджень

Захист відбудеться «30» квітня 2010 р.

о 16 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.08 у

Національному університеті «Львівська політехніка»

(79013, м. Львів-13, вул. С. Бандери, 12, ауд. 226 головного корпусу)

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету «Львівська політехніка» (м. Львів, вул. Професорська, 1)

Автореферат розіслано 03 березня 2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор Луцик Я.Т.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Знання екологічного стану морів, рік та озер України необхідне для розроблення національних і міжнародних програм їх екологічного відновлення та економічної кооперації. Звідси - потреба в екологічному моніторингу довкілля. Оперативний (кризовий) моніторинг водного середовища передбачає спостереження у реальному часі за параметрами окремих об'єктів у районах аварій і зонах надзвичайної екологічної ситуації, а також прийняття рішень щодо їх ліквідації.

Відомі зараз інформаційно-вимірювальні системи (ІВС) контролю вод мають низьку оперативність, часову та просторову роздільну здатність, точність, чутливість та надійність. Все це зумовлює необхідність розроблення автоматизованих ІВС з покращеними метрологічними характеристиками для оперативного визначення параметрів водного середовища.

Теорію ІВС моніторингу середовищ розробляли вчені Канади, США, Японії, Франції, Німеччини, Росії, Литви, Естонії, Бєларусі та інших країн. В Україні відомі такі наукові школи: київська, севастопольська, львівська, вінницька, донецька та харківська.

На даний час кількість забруднювальних речовин у воді досягає сотень тисяч. Селективні вимірювальні засоби можуть визначати лише один компонент забруднення. Тому для оперативного визначення стану водного середовища доцільно використовувати інтегральні параметри. Критерієм забруднення є загальний вміст неорганічних та органічних домішок у воді. Зараз актуальним є підвищення точності оперативного інтегрального методу для визначення загального вмісту домішок у воді.

Дисертаційну роботу присвячено питанням розроблення комп'ютерної ІВС для дослідження дрібномасштабних процесів, мінімальні просторові і часові параметри яких обмежено значеннями 0,1 м та 1 с. Це ставить надзвичайно високі вимоги до часу вимірювань (менше 0,05 с) та мінімальних розмірів первинних вимірювальних перетворювачів (менше 0,1 м).

Висока ефективність сучасних ІВС для оперативного екологічного моніторингу водного середовища залежить від вирішення суперечності між необхідністю забезпечення одночасного вимірювання параметрів різних фізичних полів, що змінюються як у просторі, так і в часі - з одного боку, і необхідністю забезпечення підвищення точності визначення параметрів води - з другого боку. Вирішення цієї суперечності становить зміст задачі, що вирішується, а розроблення і дослідження шляхів і методів розв'язання задачі визначає мету даної дисертаційної роботи.

Отже, у дисертаційній роботі розв'язується важлива науково-прикладна задача - створення теоретичних засад побудови комп'ютерної інформаційно-вимірювальної системи з підвищеною точністю визначення параметрів водного середовища для оперативного екологічного моніторингу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася у Національному університеті «Львівська політехніка» та Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України в рамках науково-дослідних тем: 1) бюджетної теми "Розробка методів моніторингу локальних природних систем Шацького національного природного парку з використанням наземних спостережень, цифрової кольорометрії та аналізу космознімків" (№ державної реєстрації 0105U004311) (2005-2008рр., виконавець); 2) бюджетної теми "Розвиток методів та способів технічного захисту інформації" (№ державної реєстрації 0107 U009527) (2008-2009рр., виконавець) та угод про співпрацю.

Метою роботи є розроблення методів і засобів підвищення точності комп'ютерної інформаційно-вимірювальної системи для оперативного екологічного моніторингу водного середовища.

Досягнення цієї мети передбачає розв'язання таких задач:

- дослідити стан та тенденції розвитку методів побудови ІВС оперативного визначення параметрів водного середовища та розробити методологію, яку буде покладено в основу синтезу комп'ютерної ІВС;

- розробити метод підвищення точності ультразвукової ІВС для визначення загальної концентрації домішок у воді;

- розробити метод підвищення точності вимірювання коротких часових зсувів ультразвукових сигналів;

- обґрунтувати процедуру мінімізації похибок вимірювань при оперативному екологічному моніторингу водного середовища;

- розробити алгоритмічне, програмне та метрологічне забезпечення і створити зразок комп'ютерної ІВС.

Об'єктом дослідження є комп'ютерні інформаційно-вимірювальні системи моніторингу середовищ.

Предметом дослідження є методи і засоби підвищення точності комп'ютерної ІВС для оперативного екологічного моніторингу водного середовища.

Методи дослідження. Для розв'язання поставлених задач використовувалися методи теорії інформаційно-вимірювальної техніки, теорії похибок, акустики, математичного моделювання на ЕОМ, системного аналізу та натурний експеримент.

Наукова новизна отриманих результатів:

- запропоновано методологію побудови інформаційно-вимірювальних систем для оперативного екологічного моніторингу водного середовища, яка полягає в одночасному вимірюванні його інтегральних, селективних, гідрофізичних параметрів та географічних координат, що є основою для аналізу взаємодії вузлів систем з метою визначення всіх складових похибок, розроблення вимог до цих вузлів, а також синтезу їх структур;

- запропоновано новий ультразвуковий метод оперативного вимірювання загальної концентрації домішок у воді, в основу якого покладено вимірювання часових параметрів багаторазово відбитих сигналів у двох еталонних та досліджуваному середовищах, що дало змогу зменшити на порядок похибки вимірювань концентрації рідин і створено засади побудови відповідної ІВС;

- отримано нові залежності складових методичної та інструментальної похибок визначення інтегральних параметрів водного середовища і на цій основі мінімізовано сумарну похибку вимірювання комп'ютерної ІВС;

– запропоновано новий метод завадостійких вимірювань часових параметрів ультразвукових імпульсних сигналів, в основу якого покладено двоканальне інтегрувально-розгортальне перетворення зі змінним коефіцієнтом, що дало змогу більше як на порядок підвищити точність вимірювань, та синтезовано пристрій для його реалізації.

Практичне значення одержаних результатів. Практична цінність результатів дисертаційної роботи полягає у використанні розроблених засобів оперативного визначення параметрів водного середовища для систем екологічного моніторингу, контролю рідин у хімічній, нафтохімічній та харчовій промисловості, в океанології, геології, матеріалознавстві. Впровадження систем комп'ютерного оперативного екологічного моніторингу водного середовища дало змогу автоматизувати процес вимірювання, розширити функціональні можливості, номенклатуру забруднювачів і параметрів води, значно скоротити час вимірювань та передавання даних.

Розроблено багатоканальну комп'ютерну ІВС "АКВАТЕСТ-03" для оперативного визначення параметрів водного середовища та методи побудови ІВС для оперативного екологічного моніторингу водоймищ-охолоджувачів атомних електростанцій.

Впровадження результатів роботи здійснювалось у: Франківському РВ ГУ Міністерства надзвичайних ситуацій України у Львівській області, ТзОВ "Радехів-цукор" та Державному університеті інформаційно-комунікаційних технологій.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на: Міжнар. наук.-техн. конф. “Фізичні методи та засоби контролю матеріалів та виробів” (Славське, 2007); міжнародних наук.-практ. конф. “Обробка сигналів і негауссівських процесів” (Черкаси, 2007, 2009), VII і VIІI Міжнар. наук.-техн. конф. «Приладобудування 2008: стан і перспективи» (Київ, 2008, 2009), VIІ і VIІI Міжнар. наук.-практ. конф. “Ресурси природних вод Карпатського регіону. Проблеми охорони та раціонального використання”(Львів, 2008, 2009), ІУ Міжнар. наук.-техн. конф. «Сучасні інформаційно-комунікаційні технології, COMINFO'2008-Livadia» (Лівадія, 2008), наук.-техн. конф. до 40-річчя ДП ДНДІ «Система» (Львів, 2008), ІУ Міжвуз. наук.-техн. конф. науково-педагогічних працівників «Проблеми та перспективи розвитку економіки і підприємництва та комп'ютерних технологій в Україні», (Львів, 2009), дванадцятій відкритій наук.-техн. конф. професорсько-викладацького складу Інституту телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки Національного університету «Львівська політехніка» з проблем електроніки (Львів, 2009).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 20 наукових праць, у тому числі 8 статей (з них 7 у фахових виданнях) та 12 доповідей на конференціях.

Особистий внесок. Основні теоретичні положення та результати, які подано у дисертації, отримано автором особисто. Роботу з експериментального дослідження ІВС та впровадження проведено разом із співавторами, прізвища яких наведено у бібліографічному списку.

У публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачеві належать: у роботі [1] - синтез структурної схеми інформаційно-вимірювальної системи для екологічного моніторингу; у працях [2, 3, 11] - методи та засоби покращення метрологічних характеристик первинних і вторинних вимірювальних перетворювачів; дослідження можливостей іонометричного контролю якості вод - у праці [4]; у роботі [9] - методологія побудови систем екологічного моніторингу; у працях [5, 17, 19] екологічні характеристики водного середовища, класифікація еколого-небезпечних об'єктів; у роботах [10, 16] - методи підвищення точності та аналіз похибок вимірювань; у роботах [6-8, 14, 15] - методи побудови та структурні схеми комп'ютерних ІВС; у працях [12, 20] методика та результати експериментальних досліджень водного середовища; у роботах [13, 18] - інформаційна технологія CDMA та структура програмного забезпечення ІВС.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п'ятьох розділів, висновків, додатків і списку літератури. Загальний обсяг роботи становить 182 сторінки, у тому числі 140 сторінок основного тексту, 41 рисунок і 13 таблиць, 26 сторінок додатків. Бібліографія включає 154 джерела і викладена на 16 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначено об'єкт і предмет дослідження, сформульовано мету, завдання та методи дослідження, визначено наукову новизну, практичне значення й особистий внесок автора в одержані результати, подано відомості про їх апробацію і впровадження.

У першому розділі наведено огляд літератури за темою і обгрунтовано вибір напрямку дослідження.

Сформульовано вимоги до ІВС та запропоновано нову класифікацію методів та ІВС оперативного визначення параметрів водного середовища. У результаті системного огляду встановлено, що найперспективнішим і разом з тим найменше розробленим є ультразвуковий метод. Його перевагами є: практична безінерційність, відсутність спотворення досліджуваного поля, значний обсяг та різноманіття отримуваної інформації, експресність, можливість проведення як зондувальних, так і дистанційних вимірювань. З допомогою ультразвукового методу можна визначати швидкість течії та її компоненти, швидкість звуку, вихровий компонент швидкості потоку, рівень, глибину, концентрацію солей, лугів, кислот, спиртів, розплавів металів, рН, органічних речовин, температуру, досліджувати внутрішні хвилі, турбулентність, явища на поверхні води.

Удосконалення ультразвукових систем доцільно здійснити шляхом підвищення їх точності та завадостійкості, виходячи із запропонованих моделей і алгоритмів. Отже, обґрунтовано необхідність розроблення нових методів та засобів відбору, опрацювання та передавання інформації і на їх основі створення нового покоління комп'ютерних ІВС оперативного екологічного моніторингу.

У другому розділі розроблено теоретичні засади створення комп'ютерних інформаційно-вимірювальних систем для оперативного екологічного моніторингу водного середовища.

Розглянуто модель водного середовища, яке включає: приводний шар атмосфери, шарувате водне середовище та донні відклади. Водне середовище характеризується наявністю домішок і дрібномасштабних вихорів, а також швидкістю руху vp. Для даної моделі запропоновано методологію побудови інформаційно-вимірювальних систем для оперативного екологічного моніторингу водного середовища, яка полягає в одночасному вимірюванні його інтегральних, селективних, гідрофізичних параметрів та географічних координат.

До інтегральних параметрів належать загальна концентрація домішок у воді СУ, питома електропровідність у, температура Т, водневий показник рН,, окисно-відновний потенціал Еh, нелінійний акустичний параметр г.

Селективні параметри - це концентрації Сі речовин у приводному шарі атмосфери, водному середовищі та донних відкладах.

Гідрофізичні параметри - це компоненти vx, vy, vz швидкості течії, швидкість звуку с, вихровий компонент швидкості течії rotv та рівень води Н.

Географічні координати - широта в та довгота ц.

Операторне рівняння процесу передавання, відбору та перетворення інформації ІВС оперативного визначення параметрів водного середовища з урахуванням конструктивних параметрів має вигляд

[Pi{C; ; T; pH; Eh; }; Pc {Ci}; Ph {vx, vy, vz; c; rot v; H}; Pg {; }] =

=F{t1, tx; t2}{L, p, , z}[D, K, K(), K0], (1)

де Pi - інтегральні параметри, зокрема, C - загальна концентрація домішок у воді; - питома електропровідність; T - температура; pH - водневий показник; Eh - окисно-відновний потенціал; - нелінійний акустичний параметр; Pc - селективні параметри, зокрема, концентрації інгредієнтів Ci у приводному шарі атмосфери, водному середовищі та донних відкладах; Ph - гідрофізичні параметри, зокрема, vx, vy, vz - компоненти швидкості течії, c - швидкість звуку; rot v - вихровий компонент швидкості течії; H - рівень води; Pg - географічні координати, широта та довгота ; L - база вимірювань; t1, t2, tx , p, - вхідні параметри, відповідно, часи проходження акустичних сигналів вздовж вимірювальної бази у протилежних напрямках або в еталонній та досліджуваній рідинах, різниця часів проходження, тиск рідини і коефіцієнт поглинання; D, K, K(), K0 - конструктивні параметри, що враховують геометричні розміри сенсора, акустичні властивості водного середовища, діаграму спрямованості, взаємне розміщення сенсорів один відносно одного; z - величина, яка характеризує неточність моделі, до складу якої входять наступні параметри: розкид чутливості акустичних сенсорів, роздільна здатність за частотою, швидкість потоку, наявність турбулентності тощо.

Виконано синтез структурної схеми ІВС для екологічного моніторингу водного середовища (рис.1), яка містить модулі вимірювання інтегральних параметрів (МВІП), селективних параметрів (МВСП), та гідрофізичних параметрів. Кожний з модулів містить вимірювальні канали ВК, які складаються з сенсорів С, вторинного вимірювального перетворювача ВП та аналого-цифрового перетворювача.

Розроблено ІВС для оперативного екологічного моніторингу водного середовища, в якій використано ультразвуковий, кондуктометричний та іонометричний методи. У цій ІВС як алгоритмічний метод підвищення точності визначення сумарної концентрації солей у воді пропонується застосувати метод зразкових сигналів, що дає змогу зменшити систематичну та повільнозмінну похибки. У даному випадку цей метод найбільше підходить, оскільки для рідин порівняно легко приготувати і атестувати з високим ступенем точності (за ГОСТ 14870-77) однорідні та однотипні розчини рідин з відомими концентраціями (вбудовані стандартні зразки підприємства за ГОСТ 8.315-78 та ДСТУ ).

Ультразвуковий канал ІВС реалізовано у вигляді триканального пристрою, у двох каналах якого знаходяться зразкові розчини води в аналізованій рідині, які відповідають початку і закінченню діапазону вимірювання, а в третьому - вимірювана рідина.

Структурну схему ультразвукового каналу ІВС наведено на рис. 2.

Його можна умовно розділити на три частини: I - первинні перетворювачі (сенсори); II - вимірювачі часових інтервалів; III - мікроконтролер. Він працює так. Iмпульси з частотою відліків f0 запускають генератор зондування 6.

Електричний імпульс зондування через комутатори 3 і 3' надходить на обернені акустичні перетворювачі 2, 2' і 2'' , які перетворюють його в ультразвукові імпульси. Ці імпульси поширюються в досліджуваному та двох еталонних середовищах на базі довжиною L, багаторазово відбиваються від відбивачів 1, 1' , 1'' і обернених акустичних перетворювачів 2, 2' і 2'', поступово загасають за амплітудою (рис. 3).

Кожного разу при відбиванні від перетворювачів 2, 2', 2'' частина енергії звукового імпульсу перетворюється в електричні сигнали, які через комутатори 3, 3', 3'' надходять на входи схеми вимірювання часових інтервалів 4 та часу поширення звуку в еталонному середовищі 5. На виході блоків 4 та 5 формуються часові інтервали Tх і Те, які фіксують лічильниками імпульсів 8 і 8', куди надходять імпульси еталонної частоти f0 з генератора 7. Ці дані заносять у мікроконтролер 9.

Загальна концентрація води визначається за формулою

 (2)

де б - нахил градуювальної характеристики ІВС; T1, T2 - відповідно, часи поширення ультразвукових сигналів у каналах з концентраціями С1 і С2 , а TV - час поширення ультразвукових сигналів у каналі з невідомою концентрацією.

У (2) концентрація С є функцією тільки часових інтервалів Тv, Т1 і Т2, і концентрацій С1 і С2, відомих з високим ступенем точності. Алгоритм (2) реалізується мікроконтролером, в який надходять часові інтервали TV, Т1 і Т2, а параметри , С1 і С2 вводяться вручну. Мікроконтролер обчислює загальну концентрацію домішок С і подає значення у цифровій формі на персональний комп'ютер.

Виконано аналіз методичної похибки вимірювання загальної концентрації домішок у воді. Залежність відносної похибки вимірювання загальної концентрації д від середньоквадратичного відхилення уTv має вигляд

]/

, (3)

де ДT1, ДT2, ДTv - абсолютні похибки вимірювання часових інтервалів, відповідно, T1, T2, Tv.

Побудовано (рис. 4) залежність д від уTv при різних значеннях б. При б>3 та ДТ=10-3 похибка вимірювання концентрації не перевищує 5 % у діапазоні уTv від 0,2 до 1. Зі зменшенням похибки ДТ=10-4 похибка вимірювання концентрації (рис. 5) не перевищує 1 % у діапазоні уTv від 0,2 до 1.

При використанні алгоритмічних методів підвищення точності, до яких відноситься і метод зразкових сигналів, через додаткові вимірювальні цикли може підвищуватися випадкова складова похибки, а також зменшується швидкодія ІВС, але у багатьох практичних випадках зменшення швидкодії ІВС не суттєво, а статистичним усередненням, яке здійснюється мікро-ЕОМ, можна досягнути зменшення і випадкової складової похибки.

Отже, використання додаткового вимірювального каналу та методу зразкових сигналів дає змогу зменшити на порядок похибки вимірювань загальної концентрації домішок у воді.

Якщо залежність між часовими параметрами та інтенсивністю випромінювання нелінійна, то її апроксимують лінійними ділянками, ІВС буде мати тоді К+1 каналів, де К - число ділянок кусочно-лінійної апроксимації.

У третьому розділі подано розроблені методи та засоби покращення метрологічних характеристик первинних і вторинних вимірювальних перетворювачів.

Досліджено на модельних зразках вод вплив фонових концентрацій різних катіонів і аніонів на зміну електродного потенціалу іоноселективних електродів.

Наведено результати експериментальних досліджень (рис. 6 і 7) та дано рекомендації для отримання стабільних і відтворюваних результатів, зокрема, визначення проводити за допомогою градуювальної залежності, отриманої безпосередньо перед вимірюванням невідомої концентрації; градуювання здійснювати у вузькому інтервалі концентрацій, що дає змогу використовувати нелінійну частину електродної функції. Для нівелювання впливу фонових концентрацій різних йонів для кожного конкретного випадку необхідний вибір нейтрального електроліту (KCl, KNO3, NaNO3 і т.п.) певної концентрації або буферного розчину з певною йонною силою і показником рН. Перевірку правильності результатів слід робити методом добавок, тобто вимірюванням відомої концентрації компоненту на фоні невідомої її частини у досліджуваному розчині. Використання в останньому випадку мікроконтролера дає змогу не лише прискорити розрахунок невідомої концентрації, але й покращити вибір оптимальних умов для вимірювань і точність автоматичного визначення.

Враховуючи, що гранично допустимі концентрації у питній воді хлоридів, нітратів та фторидів складають, відповідно, 350, 50 і 1,5 мг/дм3, а середній вміст у водах йонів калію, натрію, літію, брому становить, приблизно 0,5...5, 10...30, 0,01...0,05, 0,02...0,1 мг/дм3, відповідно, то досліджені йонселективні електроди, крім літійселективного можна використати для експресного контролю зазначених компонентів у водах різного типу методами прямої потенціометрії (мікрокількості 10-3...10-7 моль/дм3) та потенціометричного титрування (макрокількості 10-3...1 моль/дм3).

Розроблено узагальнену структурну схему вторинного вимірювального перетворювача часових параметрів акустичних сигналів ІВС. При довжині вимірювальної бази до 0,1 м основний вклад у похибку вимірювання вносить вимірювання часового зсуву, який у цьому випадку може мати значення десятків наносекунд. Вимірювання таких коротких часових зсувів між сигналами з різними амплітудами на даний час пов'язано з великими труднощами.

Запропоновано новий метод вимірювань часових параметрів ультразвукових імпульсних сигналів, в основу якого покладено двоканальне інтегрувальне розгортальне перетворення зі змінним коефіцієнтом перетворення, що дало змогу на порядок підвищити точність вимірювань. У методі враховують не окремі точки на фронтах сигналів, а цілі ділянки (фронти) інформаційних сигналів. Швидкодія та точність таких пристроїв підвищується при паралельному інтегруванні неінвертованих, а потім інвертованих вхідних сигналів і вимірюванні інтервалу часу між моментами досягнення інтегрованими напругами нульового рівня. Це досягається паралельним перетворенням миттєвих значень вхідних сигналів шляхом відслідковування їх значень до досягнення максимального значення і запам'ятовування на заданий час, паралельного інтегрування отриманих сигналів, їх інвертування, масштабного перетворення за амплітудою та інтегрування зі змінним коефіцієнтом перетворення, формуванням початку і кінця вихідного часового інтервалу при досягненні проінтегрованими сигналами нульового рівня, а також визначенням послідовності надходження вхідних сигналів (рис. 8).

Пристрій містить канали 1 і 2 перетворення, блок 3 керування, логічний елемент 4 "Нерівнозначність", пристрій 17 визначення послідовності надходження вхідних сигналів та індикатор 18. Канали перетворення включають пікові детектори 5 і 6, блоки масштабних інверторів 7 і 8, комутатори 9 і 10, інтегратори 11 і 12, електронні ключі 13 і 14, компаратори 15 і 16.

Інтегральний часовий зсув між сигналами визначається виразом

i = Km x, (4)

де i = (5)

У виразі (5) Km - масштабний коефіцієнт перетворення; Ti - час інтегрування;

x - вимірюваний часовий зсув; Up1(t) і Up2(t) - вхідні сигнали; Um1, Um2 - амплітуди вхідних сигналів; a - основа коду; n - число розрядів лічильника перетворювача; f0 - частота тактових імпульсів; Т0 - тривалість кроку перетворення; Ni та Nj - результати на кожному кроці перетворення.

Процес інтегрувального перетворення у пристрої зі змінною крутизною показано на рис. 9.

Виграш у швидкодії з для перетворювача зі змінним коефіцієнтом перетворення у порівнянні з перетворювачем з постійною крутизною

(6)

залежить від числа n розрядів лічильника та основи коду а. Наприклад, при а=2 та n=8 отримаємо виграш у швидкодії з=29,3.

Запропонований метод має високу завадостійкість, на порядок вищу точність та швидкодію, дає змогу вимірювати часові зсуви між сигналами трикутної або трапецоїдної форми з вершиною малої тривалості.

Отримано аналітичні залежності та проведено аналіз інструментальної похибки вимірювання часових зсувів, яка залежить від характеристик інтегрувальної ланки, пристрою вибірки/зберігання, шумових характеристик вхідних ланок та порогової чутливості компаратора. Показано, що найбільшу похибку вносить напруга масштабного інвертора.

У четвертому розділі описано основні підходи щодо створення комп'ютерних ІВС оперативного екологічного моніторингу водного середовища.

На основі отриманих теоретичних результатів запропоновано методику проектування та розроблено багатоканальну комп'ютерну ІВС визначення параметрів водного середовища "АКВАТЕСТ-03", яка дає змогує автоматизувати роботу, розширити її функціональні можливості, підвищити точність вимірювань, організувати передавання даних на ЕОМ, суттєво зменшити розміри та масу апаратури. Розроблено спеціальні сервісні функції, за якими процес вимірювань відбувається без участі оператора.

Система "АКВАТЕСТ-03" (рис. 11) забезпечує збір, зберігання і первинне опрацювання виміряних даних і призначена для оперативного екологічного моніторингу природних вод, екологічної паспортизації підприємств, установ, організацій та проведення науково-дослідних робіт, оперативного реагування на кризові екологічні ситуації та прийняття рішень щодо їх ліквідації. Робота системи ґрунтується на використанні методів акустики, кондуктометрії, іонометрії та автоматичної термокомпенсації результатів вимірювань. ІВС дає змогу вимірювати такі параметри: температуру води, питому електропровідність, сумарну концентрацію речовин, рН, вміст окремих металів та їх солей (за вибором): літій, натрій, калій, кальцій, барій, срібло, ртуть, свинець, мідь, кадмій, амоній, перхлорат, нітрати, карбонати, фториди, цианіди, роданіди, хлориди, броміди, йодіди тощо.

Основою комп'ютерної ІВС є однокристальний 8-розрядний мікроконтролер PIC16F876 фірми Microchip Technology Incorporated (рис.12, блок ІІ ). Він має програмований захист пам'яті програм, режим енергозбереження, тактову частоту - 200 МГц, високошвидкісну архітектуру, всі команди виконуються за один цикл, низьковольтний режим програмування. Мікроконтролер працює за заданою програмою. При аналізі мов програмування було обрано мову С++. Операційна система здійснює візуалізацію даних на моніторі без додаткових програм. Результати моніторингу водного середовища формуються у файли. В операційній системі Windows створюється файловий веб-сервер за допомогою програми Http File Server. Програма дозволяє відправляти файли оператором мобільного моніторингу (ОММ1) в мережу Інтернет за заданою адресою, також Http File Server дає можливість доступу до файлів даних з Інтернету після введення паролю. Головна особливість системи полягає в тому, що вона може працювати в реальному часі, тобто виміри параметрів водного середовища, опрацювання результатів та передавання даних за заданою адресою відбуваються одночасно завдяки конвергенції програмних продуктів та телекомунікаційних мереж. Є можливість ведення текстового діалогу між віддаленими абонентами, що дуже важливо при виявленні та запобіганні техногенних катастроф.

Для створення радіоканалу передавання даних використовується 3G-модем PCMCIA EVDO Air Card SIERRA 580. Цей портативний пристрій дозволяє організувати мобільний швидкісний інтернет, використовуючи технологію третього покоління 3G-CDMA2000, швидкість передавання досягає 3,1Mбiт/c.

Основними перевагами ІВС є: експрес-контроль безпосередньо на місці досліджень; одночасний аналіз температури, питомої електропровідності, рН, сумарної концентрації домішок, концентрації хлору і нітратів та інших інгредієнтів; наявність мікроконтролера, ПК, розвинутої вимірювальної периферії, що сприймає і використовує апріорну та поточну інформацію, приймає рішення, контролює свою працездатність. Комп'ютерна ІВС дозволяє опрацьовувати, при потребі, сигнали десятків сенсорів, тоді одна шина даних по черзі буде опрацьовувати декілька сенсорів.

Основні характеристики ІВС: визначення температури води в діапазоні 0...50 °С з похибкою 0,1 °С; вимірювання питомої електропровідності в діапазоні 0,03...19,9 мС/см (похибка ±5%); визначення сумарної концентрації домішок у воді в діапазоні від 0,1 до 40 г/Кг (похибка ±2%), автоматична термокомпенсація вимірювань, програмна зміна періодичності контролю, живлення акумуляторне напругою 9 ч 12 В та змінним струмом напругою 220 В; навантаження портів вводу/виводу - 25мА, забезпечення мінімуму споживання 1,5..2 Вт.

Для екологічного моніторингу водоймищ-охолоджувачів атомних електростанцій розроблено ІВС визначення параметрів водного середовища (рис. 13), яка складається з підводного ПП та бортового БП пристроїв, а також з'єднувальних кабелів. Принцип дії системи ґрунтується на вимірюванні часових параметрів акустичних сигналів вздовж контура у вигляді квадрата. Система дає змогу вимірювати такі параметри водного середовища: сумарну концентрацію домішок у воді, компоненти швидкості потоку, вихровий компонент швидкості потоку та глибину водойми. Подано технічні характеристики розробленої ІВС моніторингу водного середовища.

Запропоновано математичну модель для апроксимації градуювальної характеристики йонселективного електрода, параметри якої подано як суму нелінійної і лінійної складових, відповідно, для малих і великих значень концентрації, що дало змогу підвищити точність визначення низьких концентрацій окремих хімічних елементів у природних водах.

Розроблено методику метрологічної атестації вимірювальних каналів сумарної концентрації, температури, питомої електропровідності ультразвукової ІВС, яка дає змогу підвищити вірогідність визначення її метрологічних характеристик.

У додатках подано акти про впровадження результатів дисертації, основні напрямки розвитку екологічних досліджень Шацького національного природного парку, досліджено динаміку зміни гідрохімічних характеристик підземних вод водозабору “Плугів” за період 2000 - 2008р.р. та подано результати експериментальних досліджень питомої електропровідності поверхневих вод. Отримані експериментальні дані підтвердили реальну можливість оперативного визначення параметрів водного середовища і дали змогу оцінити порядок їх випадкових флуктуацій за різних умов.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішено важливу науково-прикладну задачу - створення теоретичних засад побудови комп'ютерної інформаційно-вимірювальної системи з підвищеною точністю визначення параметрів водного середовища для оперативного екологічного моніторингу.

При цьому отримано такі наукові та практичні результати:

1. Запропоновано нову класифікацію методів та комп'ютерних інформаційно-вимірювальних систем оперативного визначення параметрів водного середовища. У результаті системного огляду літератури встановлено, що в основу побудови ІВС для визначення інтегральних параметрів водного середовища доцільно покласти ультразвуковий і кондуктометричний методи, а для оцінювання селективних параметрів - іонометричний. Удосконалення ультразвукових систем доцільно здійснювати шляхом підвищення їх точності.

Розроблено нову методологію побудови комп'ютерних інформаційно-вимірювальних систем для екологічного моніторингу водного середовища, яка полягає в одночасному вимірюванні його інтегральних, селективних, гідрофізичних параметрів та географічних координат, що є основою для аналізу взаємодії вузлів систем з метою визначення всіх складових похибок, розроблення вимог до цих вузлів, а також синтезу їх структур.

3. Запропоновано новий ультразвуковий метод вимірювання загальної концентрації домішок у воді, в основу якого покладено вимірювання часових параметрів ультразвукових багаторазово відбитих сигналів у двох еталонних та досліджуваному середовищах, що дало змогу зменшити на порядок похибки вимірювань концентрації, і створено засади побудови комп'ютерної інформаційно-вимірювальної системи.

4. Отримано нові залежності складових методичної та інструментальної похибок визначення загальної концентрації водного середовища і на цій основі мінімізовано сумарну похибку вимірювання комп'ютерної інформаційно-вимірювальної системи.

5. Розроблено новий завадостійкий метод вимірювання часових параметрів ультразвукових імпульсних сигналів на основі двоканального інтегрувально-розгортального перетворення зі змінним коефіцієнтом, який дає змогу підвищити на порядок завадостійкість і точність вимірювань; на основі цього методу синтезовано завадостійкий пристрій, який має високу швидкодію і точність.

6. На основі теоретичних та експериментальних досліджень за безпосередньою участю дисертанта розроблено, виготовлено та впроваджено компютерні інформаційно-вимірювальні системи на підприємствах та організаціях, що дало змогу автоматизувати процеси визначення параметрів водного середовища, підвищити точність вимірювань, значно скоротити час вимірювань, проводити первинне опрацювання даних, оперативно передавати інформацію та вести текстовий діалог з віддаленими учасниками моніторингу за допомогою телекомунікаційної технології СDMA. У процесі натурних випробувань ІВС отримано експериментальні дані, які підтвердили реальну можливість оперативного визначення параметрів водного середовища і дали змогу оцінити порядок їх випадкових флуктуацій за різних умов.

7. Розроблено програмне забезпечення методів та засобів експериментального дослідження параметрів водного середовища на базі мови С++, перевагами якого є висока продуктивність та ефективність використання пам'яті, зручність доступу до даних за протоколом HTTP, робота в реальному часі, одночасне опрацювання результатів вимірів та передавання даних за заданою адресою, що важливо при виявленні та запобіганні техногенних катастроф.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Романюк А. В. Синтез структурної схеми інформаційно-вимірювальної системи для екологічного моніторингу водного середовища / Погребенник В. Д., Романюк А. В. // Вимірювальна техніка та метрологія. - Вип. 69. - Львів, 2008. - С. 35-39.

2. Романюк А. В. Методи і засоби підвищення точності первинних вимірювальних перетворювачів систем екологічного моніторингу водного середовища / Погребенник В. Д., Романюк А. В. // Вісник Національного Технічного університету «Київський політехнічний інститут». Серія «Приладобудування». - К., 2008. - С. 62-69.

3. Романюк А. В. Методи та засоби покращення метрологічних характеристик вторинних часових вимірювальних перетворювачів / Погребенник В. Д., Романюк А. В. // Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів і виробів. - Вип.11. - Львів, 2007. - С. 200-207.

4. Романюк А. В. Експериментальні дослідження потенціалів іоноселективних електродів / Погребенник В. Д., Романюк А. В. // Вісник Національного університету “Львівська політехніка” Автоматика, вимірювання та керування. - №608. - Львів, 2008. - С. 69-73.

5. Анатолій Романюк. Екологічні характеристики водних середовищ / Володимир Погребенник, Анатолій Романюк // Вісник Черкаського ДТУ. - №2. - Черкаси, 2008. - С. 148-153.

6. Романюк А. В. Інформаційна система екологічного моніторингу водоймищ-охолоджувачів атомних електростанцій / Дудикевич В. Б., Погребенник В. Д., Сопрунюк П. М., Романюк А. В. // Відбір та обробка інформації - 2007. - №27. - С. 49-53.

7. Романюк А. В. Комп'ютерна інформаційно-вимірювальна система для оперативногo екологічного моніторингу водного середовища / Погребенник В. Д., Романюк А. В. // Вимірювальна техніка та метрологія. - Вип. 70. - Львів, 2009. - С. 50-55.

8. Romanyuk A.V. // Operative determination of integrated parameters of water environment / Pohrebennyk V.D., Romanyuk A.V. // Gazeta Cukrownicza. - Warszawa, 2009, N 10. - Р. 262 -263.

9. Романюк А. В. Методологія побудови систем екологічного моніторингу водного середовища / Погребенник В. Д., Романюк А. В. // Матеріали міжнародної науково-практичної конференції “Обробка сигналів і негауссівських процесів”. - Черкаси: ЧДТУ, 2007. - С. 227-229.

10. Романюк А. В. Підвищення точності ультразвукових інформаційно-вимірювальних систем для експрес-контролю параметрів рідин / Погребенник В. Д., Романюк А. В. // Матеріали науково-технічної конференції до 40-річчя ДП ДНДІ «Система». - Львів: ДП ДНДІ «Система», 2008. - С. 109-112.

11. Романюк А. В. Принципи побудови первинних вимірювальних перетворювачів систем екологічного моніторингу водного середовища / Погребенник В. Д., Романюк А. В. // Збірник тез доповідей VII Міжнародної науково-технічної конференції «Приладобудування 2008: стан і перспективи ». - С. 167-168.

12. Романюк А. В. Динаміка зміни гідрохімічних характеристик підземних вод водозабору “Плугів” / Заплатинський М.В., Погребенник В. Д., Романюк А.В., Щербак Н.Г. // Матеріали VIІ Міжнародної науково-практичної конференції “Ресурси природних вод Карпатського регіону. Проблеми охорони та раціонального використання”. - Львів: ЛвЦНТЕІ, 2008. - С. 106-110.

13. Романюк А. В. Передавання даних екологічного моніторингу з допомогою інформаційної технології CDMA / Погребенник В. Д., Романюк А. В. // Збірник тез ІУ Міжнародної наук.-техн. конф. «Сучасні інформаційно-комунікаційні технології, COMINFO'2008-Livadia» . - C. 36-37.

14. Романюк А. В. Методи та засоби експрес-аналізу забруднення водного середовища / Погребенник В. Д., Романюк А. В. // Тези доповідей дванадцятої відкритої науково-технічної конференції професорсько-викладацького складу ІТРЕ Національного університету «Львівська політехніка» , Львів, 2009. - С. 52.

15. Романюк А. В. Комп'ютерна інформаційно-вимірювальна система для екологічного моніторингу водного середовища / Погребенник В. Д., Романюк А. В. // Матеріали конференції викладачів Інституту підприємництва та перспективних технологій. - Львів, 2009. - С. 44-45.

16. Романюк А. В.Похибки вимірювання часових параметрів імпульсних ультразвукових сигналів / Погребенник В. Д., Романюк А. В. // Збірник тез доповідей VIIІ Міжнародної науково-технічної конференції «Приладобудування 2009: стан і перспективи ». - С. 79-80.

17. Романюк А. В. Перспективи екологічних досліджень Шацьких озер / Погребенник В. Д., Романюк А. В. // Матеріали конференції викладачів Інституту підприємництва та перспективних технологій. - Львів, 2009. - С. 29-30.

18. Романюк А. В. Програмне забезпечення інформаційно-вимірювальних систем для екологічного моніторингу водного середовища / Погребенник В. Д., Романюк А. В. // Матеріали міжнародної науково-практичної конференції “Обробка сигналів і негауссівських процесів”. - Черкаси: ЧДТУ, 2009. - С. 194-196.

19. Романюк А. В. Еколого-небезпечні об'єкти Львівської області / Заплатинський М.І., Огуряєва О.Ю., Погребенник В.Д., Романюк А.В. // Матеріали VIІI Міжнародної науково-практичної конференції “Ресурси природних вод Карпатського регіону. Проблеми охорони та раціонального використання”. - Львів: ЛвЦНТЕІ, 2009. - С. 21 - 25.

20. Романюк А. В. Дослідження питомої електропровідності поверхневих вод / Заплатинський М.І., Огуряєва О.Ю., Погребенник В.Д., Пашук А.В., Романюк А.В., Мельник М.М. // Матеріали VIІI Міжнародної науково-практичної конференції “Ресурси природних вод Карпатського регіону. Проблеми охорони та раціонального використання”. - Львів: ЛвЦНТЕІ, 2009. - С. 97 - 101.

вимірювання інтегральний селективний метрологічний

АНОТАЦІЯ

Романюк А.В. Комп'ютерна інформаційно-вимірювальна система для оперативного екологічного моніторингу водного середовища. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 - комп'ютерні системи та компоненти.

Національний університет «Львівська політехніка», Львів, 2010.

Дисертацію присвячено питанням розроблення нових методів побудови комп'ютерних інформаційно-вимірювальних систем для екологічного моніторингу водного середовища.

Створено єдиний методологічний підхід до розв'язання поставлених задач на основі одночасного вимірювання інтегральних, селективних, гідрофізичних параметрів та географічних координат.

Розроблено новий інваріантний ультразвуковий метод оперативного вимірювання загальної концентрації домішок у воді, який дає змогу підвищити точність вимірювання.

Запропоновано завадостійкий метод вимірювання часових параметрів ультразвукових імпульсних сигналів на основі інтегрувально-розгортального перетворення зі змінним коефіцієнтом, який дає змогу підвищити швидкодію та точність вимірювань. Основні результати дисертації знайшли впровадження.

Ключові слова: комп'ютерна інформаційно-вимірювальна система, оперативний екологічний моніторинг, водне середовище, акустика, мікропроцесор, похибка.

АННОТАЦИЯ

Романюк А.В. Компьютерная информационно-измерительная система для оперативного экологического мониторинга водной среды. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05 - информационно-измерительные системы.

Национальный университет «Львовская политехника», Львов, 2010.

Диссертацию посвящено вопросам разработки новых методов построения компьютерных информационно-измерительных систем для экологического мониторинга водной среды.

Создан единый методологический подход к решению поставленных задач на основании одновременного измерения интегральных, селективных, гидрофизических параметров и географических координат.

Разработан новый инвариантный ультразвуковой метод оперативного измерения общей концентрации примесей в воде, который дает возможность повысить точность измерения.

Предложен помехоустойчивый метод измерения временных параметров ультразвуковых импульсных сигналов на базе интегрующего развертывающего преобразования с переменным коэффициентом, который дает возможность повысить быстродействие и точность измерений. Основные результаты диссертации получили внедрение.

Ключевые слова: компьютерная информационно-измерительная система, оперативный экологический мониторинг, водная среда, акустика, микропроцессор, погрешность.

ANNOTATION

Romanyuk A.V. Komputer information-measuring system for operative ekological monitoring of water. - Manuscript.

Dissertation for the scientific degree of candidate of engineering sciences in computer and components, speciality 05.13.05. Lviv Polytechnic National University, Lviv, 2010.

New classification of methods and informational-measuring system of operative determination of parameters of water environment is offered. As a result of system review literatures are set that in basis of construction of informational-measuring system for determination of integral parameters of water environment it is expedient to put an acoustic method, and for the evaluation of selective parameters - acoustic, ionometria and conductometry methods. It is expedient to carry out the improvement of the ultrasounds systems by the increase of their exactness and sensitiveness.

New methodology of construction of the informatively measurings systems is developed for the ecological monitoring of water environment, in basis of which the simultaneous measuring is fixed him integral, selective, hydpophysical parameters and geographical coordinates, which are foundation for the analysis of cooperation of knots of the systems with the purpose of determination of all of component errors, development of requirements to these knots, and also synthesis of their structures.

The new invariant to the temperature ultrasound method of measuring of total concentration of matters is developed in water, in basis of which measurings the sentinel of the ultrasound multiple reflected signals are fixed in two standard and to probed environments, that enables to decrease in 3 times systematic and slowly variable of error of measurings of concentration, and principles of construction of acoustic information-measuring systems are created.

Noise immunity new methods and equipments the time parameters of pulse signals is proposed. The new method of measuring of sentinel parameters of ultrasound impulsive signals is developed on the basis of twochannel integrating transformation with a variable coefficient which enables to promote on the order of noise immunity and exactness of measurings; on the basis of this method a noise immunity device which has a high fast-acting and exactness is synthesized.

On the basis of theoretical and experimental researches it is developed after direct participation of candidate for a degree, the informatively measurings systems are made and inculcated on enterprises and organizations, that enabled to automatize the processes of determination of parameters of environments, promote exactness, sensitiveness and authenticity of measurings. Metrology and programmatic providing of the developed methods and facilities of experimental research of parameters of water environment is grounded.

In the process of model tests of information-measuring system experimental information which confirmed the real possibility of operative determination of parameters of water environment and enabled to estimate an order them casual fluctuations at different terms is got.

Key word: computer informatively measuring system, operative ecological monitoring, water environment, acoustics, microprocessor, error.

Підписано до друку 01.03.2010 р.

Формат 60х90 1/16. Папір офсетний.

Друк на різографі.Умовн друк арк. 1,5. Обл.-видав. арк. 0,89.

Тираж 100 прим. Зам. 100145

Поліграфічний центр

Видавництва Національного університету «Львівська політехніка»

Вул. Ф. Колесси, 2, 79000, Львів

Размещено на Allbest.ru

...