Методи і вимірювальні системи оперативного визначення інтегральних параметрів водного середовища та донних відкладів

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ІМ. Г.В. КАРПЕНКА

НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

МЕТОДИ І ВИМІРЮВАЛЬНІ СИСТЕМИ ОПЕРАТИВНОГО ВИЗНАЧЕННЯ ІНТЕГРАЛЬНИХ ПАРАМЕТРІВ ВОДНОГО СЕРЕДОВИЩА ТА ДОННИХ ВІДКЛАДІВ

Спеціальність: Інформаційно-вимірювальні системи

Погребенник Володимир Дмитрович

Львів, 2002 рік



1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Вивчення водного середовища та донних відкладів відноситься до фундаментальних проблем дослідження океанології, екології та геології. Водні об'єкти України зазнають інтенсивного антропогенного впливу: за останні роки концентрації забруднення води виросли у 5-40 разів, а ґрунтів - у 1,5-5 разів. Знання екологічного стану Чорного та Азовського морів, рік та озер України необхідне для розроблення національних та міжнародних програм їх екологічного відновлення, для економічної кооперації. Звідси - потреба в екологічному моніторингу довкілля. Оперативний (кризовий) моніторинг водного середовища передбачає спостереження у реальному часі за окремими об'єктами у районах аварій і зонах надзвичайної екологічної ситуації та прийняття рішень щодо їх ліквідації. Відомі зараз засоби та 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 та донних відкладів.

Значний вклад у розроблення теорії ІВС моніторингу середовищ внесли вчені Канади, США, Японії, Франції, Німеччини, Росії, Литви, Естонії, Бєларусі та інших країн. В Україні відомі такі наукові школи: київська, севастопольська, львівська, донецька та харківська.

Відомо, що кількість забруднювальних речовин у воді зараз досягає 1000000. Вибіркові (селективні) вимірювальні засоби здатні визначати тільки один компонент забруднення. Отже, для оперативного визначення стану водного середовища доцільно використовувати інтегральні параметри. Критерієм забруднення є загальний вміст неорганічних та органічних домішок у воді. Зараз вміст солей у воді обчислюють з похибкою 0,05 за прямо виміряними значеннями питомої електропровідності, температури та тиску. Оптичні методи забезпечують визначення вмісту органічних речовин у воді з похибкою 10%. Тому актуальним є розроблення оперативного інтегрального методу для визначення загального вмісту домішок у воді незалежно від їх природи.

Процеси у водному середовищі поділяють на велико- і дрібномасштабні. На сьогодні недостатньо вивчено дрібномасштабні процеси, які є в основному вихровими. Вони впливають на поширення забруднення, визначають інтенсивність тепло- і масообміну у його верхньому шарі. У дисертаційній роботі досліджено питання розроблення ІВС саме 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.).

Для прогнозування стану водного середовища необхідно оцінити динаміку зміни рівня забруднення. Для цього потрібно провести вертикальне зондування водного середовища, яке має вигляд багато шаруватої системи. Параметри водного середовища залежать, по-перше, від неоднорідності його по вертикалі, а, по-друге, від контакту водного середовища з повітрям і з донними відкладами. Якщо взаємовплив повітря з водним середовищем є вивченим, то відкритим є питання взаємодії водного середовища з донними відкладами. Тому необхідно визначити вертикальний розподіл рівня забруднення і параметри нестаціонарного водного середовища: компоненти швидкості течій та звуку, дрібномасштабних вихорів, а потім - характеристики донних відкладів.

Для розпізнавання донних відкладів дотепер використовувалися методи механічного відбору зразків ґрунтів, які є громіздкі, малопродуктивні, незручні, не піддаються автоматизації, не придатні для дослідження великих акваторій і не відповідають сьогоднішнім потребам. Відомі дистанційні методи розпізнавання типів донних відкладів за параметрами акустичних коливань мають недостатню надійність.

Все це призводить до розроблення методології оцінювання стану водного середовища в реальному часі по всій вертикалі.

Отже, висока ефективність сучасних ІВС для оперативного моніторингу водного середовища залежить від вирішення протиріччя між необхідністю забезпечення одночасного вимірювання багатьох параметрів різних фізичних полів, що змінюються як у просторі, так і в часі - з одного боку, і необхідністю забезпечення підвищення точності та чутливості визначення інтегральних параметрів води та вірогідності класифікації донних відкладів в умовах інтенсивних завад і шумів - з другого боку.

Вирішення цього протиріччя складає зміст проблеми, що вирішується, а розроблення і дослідження шляхів і методів розв'язання проблеми визначає мету даної дисертаційної роботи.

Отже, у дисертаційній роботі розв'язується важлива науково-прикладна проблема - створення науково-технічних засад побудови автоматизованих засобів оперативного вимірювання інтегральних параметрів водного середовища та донних відкладів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася у ФМІ НАН України в рамках науково-дослідних тем:

1) бюджетної теми "Методи і засоби екологічного моніторингу" (1990-92, відповід. виконавець);

2) бюджетної теми "Вимірювання параметрів електричних і магнітних полів стосовно задач діагностики електропровідних середовищ" (1991-93, відповід. виконавець);

3) бюджетної теми "Розробка принципів побудови та створення високочутливих вимірювальних перетворювачів електричного поля (№ д/р 0195U004340, 1994-96рр., відповід. виконавець);

4) бюджетної теми "Розробка принципів побудови високочутливих інформаційно-вимірювальних систем експрес-контролю провідних середовищ (№ д/р 0198U004615, 1997-99 рр., відповід. виконавець);

5) бюджетної теми "Розробка методів відбору інформативних параметрів стану поверхневих шарів матеріалів і корозійних середовищ при їх діагностиці" (№ д/р 0100U004869, 2000-2002 рр., відповід. виконавець), проекту ДКНТ 02.06/00/003-92 "Екологічний моніторинг Шацького національного природного парку" (1992-96, відповід. виконавець), проектів Національного агенства морських досліджень та технологій України "Створення і забезпечення експлуатації мобільної лабораторії експрес-аналізу водного середовища та донних відкладів для локальних морських полігонів" (№ д/р 0194U036858, 1994-97 рр., науковий співкерівник) та "Розробка нових методів і засобів для дослідження тонкої структури морських вихрових утворень" (№ д/р 0194U036858, 1994-97, науковий співкерівник), г/д №1928 з Інститутом "Атоменергопроект" (м. Москва) "Розробка і створення макету системи контролю параметрів водного середовища для екологічного моніторингу водоймищ-охолоджувачів атомних електростанцій" (1990-91 рр., відповід. виконавець), г/д №2391 з Інститутом кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України "Проведення експериментальних робіт з первинного екологічного моніторингу в Шацькому національному природному парку" (1993 р., відповід. виконавець) у рамках г/д №71-1/93 "Проектування першої черги Системи екологічного моніторингу "Україна", низки г/д з Львівською залізницею (відповід. виконавець) та угод про співпрацю.

Метою роботи є: розроблення методів побудови автоматизованих акустичних систем, підвищення точності та чутливості оперативного визначення інтегральних параметрів водного середовища і вірогідності класифікації донних відкладів в умовах дії інтенсивних завад і шумів.

Об'єктом дослідження є інформаційно-вимірювальні системи моніторингу середовищ. Предметом дослідження є методи підвищення точності, чутливості та вірогідності класифікації ІВС оперативного визначення інтегральних параметрів водного середовища та донних відкладів в умовах дії інтенсивних завад і шумів.

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

Практичне значення одержаних результатів. Практична цінність результатів дисертаційної роботи полягає у використанні розроблених методів та засобів оперативного визначення параметрів водного середовища та донних відкладів, що є визначальним: у системах екологічного моніторингу, контролю рідин у хімічній, нафтохімічній та харчовій промисловості, в океанології, геології, матеріалознавстві, системах локації та навігації. Впровадження систем оперативного моніторингу водного середовища та його компонентів дало змогу автоматизувати процес вимірювання, розширити функціональні можливості, номенклатуру забруднювачів і параметрів води і значно скоротити час вимірювань.

Розроблено такі автоматизовані засоби моніторингу середовищ, зокрема:

а) ІВС оперативного визначення параметрів водного середовища для екологічного моніторингу водоймищ-відстійників атомних електростанцій;

б) 16-канальну мікропроцесорну систему "АКВАТЕСТ-01" для оперативного визначення параметрів водного середовища;

в) 3-канальну мікропроцесорну систему "АКВАТЕСТ-02" для визначення концентрації речовин у воді;

г) мікропроцесорну систему "МОС" для визначення параметрів донних відкладів та об'єктів;

д) спец. процесор для опрацювання акустичних сигналів;

е) прилад контролю напруги ПКН-1 та дистанційний індикатор напруги ДІН-1;

ж) комплекс опрацювання, реєстрації та вимірювання параметрів швидкоплинних процесів для автоматизації, опрацювання та вимірювання параметрів одноразових чи періодичних сигналів.

Впровадження результатів роботи здійснювалось у: Інституті "Атоменергопроект" (м. Москва, Росія), Природному заповіднику "Горгани", Львівській залізниці, ВАТ "Львівський керамічний завод", ВАТ "ЛЬВІВПОКІЗОЛ", ВАТ "ЛьвівОРГРЕС", об'єднанні "Львівтрансгаз", Фізико-механічному інституті ім. Г. Карпенка НАН України.

Публікації. За темою дисертації опубліковано понад 110 наукових робіт, у тому числі 40 статей у фахових виданнях, з них 24 одноосібних, 5 патентів на винаходи та 2 препринти. Перелік основних 73 публікацій наведено в авторефераті.

Структура та об'єм роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, шести розділів, висновків, додатків і списку літератури. Загальний обсяг роботи становить 382 сторінки, у тому числі 280 сторінок основного тексту, 110 рисунків і 14 таблиць, 51 сторінка додатків. Бібліографія включає 306 джерел і викладена на 28 сторінках.

2. 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 обґрунтовано вибір напрямку дослідження.

Прецизійні вимірювання стану водного середовища є надзвичайно складною проблемою, що охоплює такі взаємопов'язані аспекти: мету дослідження та структуру досліджуваних океанологічних полів, рівняння стану водного середовища, принципи вимірювань та метрологічної атестації, методи побудови ІВС, методи опрацювання результатів вимірювань та оцінки похибок відновлення. У неоднорідних середовищах, до яких відноситься і морське середовище, це і проблема динамічних вимірювань. Специфіка досліджень водного середовища полягає у тому, що дотепер прямими методами in situ можна виміряти не всі, а тільки деякі параметри, які характеризують його термодинамічний стан, зокрема, температуру Т, тиск Р, питому електропровідність s, швидкість звука с. та показник заломлення світла n. Але такі важливі параметри як солоність S і густина r прямим методом з необхідною точністю in situ не вимірюються, а розраховуються на основі функціонально з ними пов'язаних параметрів.

Зараз у гідрографії основні відомості про стан водного середовища отримують з допомогою автоматизованих вимірювально-обчислювальних комплексів, основу яких складають CTD-зонди, що вимірюють прямим методом параметри s, Т, Р, на основі яких розраховуються густина, солоність та інші непрямо вимірювані елементи стану. Але CTD-зонди мають принципові недоліки, зумовлені інерційністю сенсора температури, різними об'ємами просторового усереднення сенсорів температури та електропровідності та їх просторовим рознесенням.

Сформульовано вимоги до ІВС та запропоновано нову класифікацію методів, приладів та ІВС оперативного визначення параметрів водного середовища та донних відкладів. У результаті системного огляду встановлено, що найперспективнішим і разом з тим найменше розробленим є акустичний метод. Його перевагами є: практична без інерційність, відсутність спотворення досліджуваного поля, значний обсяг та різноманіття отримуваної інформації, можливість проведення як зондувальних, так і дистанційних вимірювань. З допомогою акустичного 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, витрати, густину, коефіцієнти поглинання звука, кінематичної, зсувної та об'ємної в'язкості, стисливості та термічного розширення, температуру, виявляти наявність нафтопродуктів, досліджувати внутрішні хвилі, турбулентність, явища на поверхні води, характеристики об'єктів, донних відкладів та ґрунтів.

Об'єктами акустичного моніторингу є: просторово усереднена температура, тепловий режим, неоднорідності середовища, течії, циркуляція, вихори, водообмін в протоках, спектри внутрішніх хвиль та турбулентності, рН, вітер, хвилювання, опади, лід.

Удосконалення акустичних систем доцільно здійснити шляхом підвищення їх чутливості, вірогідності, завадостійкості, виходячи із запропонованих моделей і алгоритмів. Отже, обґрунтовано розроблення нових методів та засобів відбору, опрацювання та передавання інформації і на їх основі створення нового покоління високочутливих ІВС оперативного екологічного моніторингу.

У другому розділі розроблено теоретичні засади створення інформаційно-вимірювальних систем оперативного визначення інтегральних параметрів водного середовища та донних відкладів.

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 водного середовища проаналізовано математичні моделі процесів забруднення та самоочищення водного середовища: Фролова-Родзиллера, Моно, Стритера-Фелпса, Бєляєва-Кондуфорової, Лаврика. Виходячи з аналізу цих моделей обґрунтовано вибір інтегральних параметрів водного середовища, які поділено на дві групи:

1) вимірювані - показник заломлення світла n, питома електропровідність s, швидкість звука c, поглинання звука a, рН, акустичний імпеданс Z;

2) обчислювані - густина r, солоність S, нелінійний акустичний параметр g.

Введено новий інтегральний інформативний параметр - загальну концентрацію домішок Се у воді, який дає змогу оперативно виявляти наявність та рівень забруднення.

Розроблено нову методологію побудови ІВС оперативного визначення інтегральних параметрів водного середовища та донних відкладів, яка полягає у використанні лінійних та нелінійних ефектів взаємодії акустичних коливань з вказаними середовищами та введенні нових інформативних параметрів багаторазово відбитих сигналів, що є підставою для аналізу взаємодії вузлів систем з метою визначення всіх складових похибок, розроблення вимог до цих вузлів, а також синтезу їх структур.

Сутність цього підходу розглянуто на прикладі класів моделей водного середовища, які можна описати хвильовим рівнянням зі скалярною змінною. Але реальне середовище характеризується незворотною передачею енергії його частинкам (дисипацією) та залежністю швидкості поширення хвилі від частоти (дисперсією).

Це можна описати введенням додаткового лінійного члена. При збуренні середовища його опис не зводиться до лінійних хвильових рівнянь, а з врахуванням нелінійних членів набирає вигляду:

Де:

с. - оператор Лапласа;

P - тиск;

с. - швидкість звуку;

Mі - лінійні оператори, які дають змогу описати нелінійні ефекти при поширенні хвиль у середовищі.

Розроблено інформаційну модель процесу відбору інформації в акустичній ІВС, яку виразимо операторним рівнянням:



Де:

А - оператор, який характеризує випромінювання акустичного сигналу;

W - оператор, який характеризує вплив умов поширення сигналу в середовищі;

Т - оператор об'єкта діагностики;

Сj (f, x, y, s, t) - оператор електричного сигналу зондування;

f - частота сигналу;

x, y, z - просторові координати;

t - час;

j - номер каналу випромінювання;

і - номер відбитого сигналу;

Sij, Nij, Fij - сигналу, внутрішніх та зовнішніх завад.

Оператори А, W, Т описано виразами:

Де:

Ф1, Ф2, Ф3 - відповідно, оператори, які здійснюють перетворення електричного сигналу в акустичний, описують процес поширення сигналу в середовищі та характеризують процес відбивання сигналу;

Rj - оператор, що описує діаграму спрямованості сенсора;

r, v, rot v - відповідно, густина, швидкість та вихровий компонент швидкості потоку;

a, g - коефіцієнт загасання акустичного сигналу в середовищі та нелінійний акустичний параметр;

RS - коефіцієнт відбивання звука.

Введено характеристики ехо-сигналу QS(l), а через QW(l) і QT(l) позначено характеристики параметрів водного середовища та відбивачів:



Де:

WS - оператор, який характеризує вплив умов поширення сигналу в середовищі.

При цьому оператор WS є оператором розв'язання прямих задач.

Параметри водного середовища QW(l) та донних відкладів QT(l) визначено за заданими характеристиками ехо-сигналів QS(l) у присутності внутрішніх QN(l) та зовнішніх QF(l) завад:

Обґрунтовано використання для зондування середовищ за критерієм мінімізації впливу завад та шумів моделі імпульсного акустичного сигналу тривалістю ti, частотою заповнення f, розмірів акустичного перетворювача D i та бази вимірювань L, та запропоновано моделі багаторазово відбитих вимірювальних сигналів.

На базі розроблених моделей запропоновано засади створення ІВС для оперативного моніторингу водного середовища та донних відкладів.

У третьому розділі запропоновано нові методи побудови точних і високочутливих акустичних ІВС оперативного визначення інтегральних параметрів водного середовища, виходячи з відповідних моделей досліджуваного середовища. Операторні рівняння процесу передавання, відбору та перетворення інформації акустичних ІВС оперативного визначення інтегральних параметрів водного середовища з урахуванням конструктивних параметрів має вигляд:



Де:

L - база вимірювань;

t1, t2, T, p, a - вхідні параметри, відповідно, часи проходження акустичних сигналів вздовж вимірювальної бази у протилежних напрямках або в еталонній та досліджуваній рідинах, температура, тиск рідини і коефіцієнт поглинання;

D, Ka, K(j), 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 по частоті, швидкість потоку, наявність турбулентності тощо.

Запропоновано принципи побудови та варіанти A, B, C, D i E акустичного методу оперативного визначення загальної концентрації солей у воді, який полягає в тому, що досліджуване та еталонне середовища одночасно опромінюють акустичними хвилями і вимірюють часи поширення td i te між перетворювачами, розташованими в кожному з них. Відстань між акустичними перетворювачами в обох середовищах однакова і рівна L.

Введено перетворення для фазового B1f(S) та інтегрального простору B1i(S) параметрів ІВС [ODДІВС], на основі яких отримано вирази для варіантів акустичного методу визначення солоності води:

Перевагами пропонованого методу є можливість знайти загальну концентрацію домішок у воді в реальному часі, незалежно від температури та тиску води, а також аналіз неорганічних та органічних рідин. Описаний акустичний метод дозволяє визначати концентрацію нерухомих рідин. Запропоновано акустичний метод визначення концентрації солей у рухомій рідині за виразом:

Де:

a - кут між вектором швидкості звуку і потоку;

ai, b, d - коефіцієнти пропорційності;

с0 - швидкість звуку у нерухомій рідині.

Розглянуто шляхи технічної реалізації і обґрунтовано вибір варіанта Е акустичного методу визначення солоності води за критерієм мінімуму апаратурних затрат і заданої точності вимірювання. Тут доцільно використати контролер для реалізації алгоритмів опрацювання даних.

Виконано аналіз похибок вимірювання концентрації солей у воді. Оцінено методичні похибки вимірювання: похибку, яка виникає внаслідок використання наближених залежностей для швидкостей звуку замість точніших, але складних (формули Дель-Гроссо, Вільсона і т. д.) та похибку за рахунок різної температури досліджуваної та еталонної рідини. При виборі конструкції корпусу концентраміра було проведено аналіз впливу його форми (циліндр, пластина) та температури на результат вимірювання.

Досліджено процес охолодження циліндричного корпусу при визначенні солоності води в умовах нестаціонарного теплового режиму. Корпус концентраміра моделюється циліндричною трубою довжини l (R1 - внутрішній радіус, R2 - зовнішній радіус).

Якщо позначити r радіальну координату, то область 0 < r заповнено водою, область r < R2 - металева оболонка (наприклад, з латуні). Обмежимось розглядом безмежних коаксіальних циліндрів (l®Ґ), оскільки допустиме значення:

m = R ч l > 3

Проаналізовано складові інструментальної похибки двоканального пристрою для вимірювань сумарної концентрації солей у воді, який використовує метод багаторазових відбиттів звуку на вимірювальній базі.

Запропоновано методи побудови та структуру мікропроцесорних ІВС для вимірювань загальної концентрації солей у воді.

Основними принципами їх побудови є: поточне оцінювання безпосередньо на місці досліджень, одночасний аналіз температури, питомої електропровідності та солоності води, автоматизація вимірювань та калібрування, передача інформації інтерфейсом RS-232 для зв'язку з ПЕОМ, забезпечення накопичення інформації протягом доби, тривала стабільність роботи в автономному режимі.

Виходячи із запропонованого алгоритму синтезовано структурну схему акустичного каналу ІВС.

Залежність середньоквадратичного відхилення вимірювання концентрації солей ss у воді від кількості відбиттів n має вигляд:

Де:

KS - відношення середньоквадратичного відхилення похибки квантування до середньоквадратичного відхилення похибки визначення часового інтервалу;

RS - коефіцієнт відбивання звуку. Критерієм оптимізації акустичного каналу є мінімізація похибки впливу завад за виразом:



Де:

ti - час вимірювання.

Проаналізовано виходячи з моделей сигналу зондування та середовища вплив параметра KS при постійному коефіцієнті відбивання звуку RS = 0,95 і добутку коефіцієнта поглинання звуку a на відстань L між акустичними перетворювачами aL = 0,05. Мінімальні похибки отримуються при KS0.

У четвертому розділі розроблено методи побудови акустичних ІВС для класифікації донних відкладів в умовах їх апріорної невизначеності параметрів. Розроблено класи моделей акустичної класифікації донних відкладів у вигляді чотири шаруватого середовища і отримано вирази для n-го відбивання у випадку вузько смугового сигналу, які пов'язують коефіцієнти відбивання від границь різних шарів середовища. Запропоновано використати для класифікації донних відкладів інформаційні параметри акустичних багаторазово відбитих сигналів (БВС).

Розглянуто інформаційні ознаки (ІО) БВС та їх зв'язок з акустичними імпедансами системи шарів.

Для даної фізичної моделі, що не враховує розходження фронту хвилі при її поширенні у прожекторній зоні випромінювачів і відбивачів, відбитий сигнал формується у вигляді періодичної послідовності імпульсів з періодом, що визначається товщиною шару d1.

Амплітуда імпульсів визначається коефіцієнтами відбиття та загасання хвиль від границь шарів. Сумарне поле, що формується на вході приймального перетворювача, встановленого на границі повітря і водного середовища, при нормальному падінні хвиль за рахунок n відбиттів від шару 3, описується таким виразом для моделі середовища зі стохастичною структурою:



У додатках подано результати моделювання забруднення р. Дністер (Львівська обл.) та показано, що існує тенденція до подальшого погіршення якості води, розроблене програмне та алгоритмічне забезпечення мікропроцесорної системи визначення параметрів водного середовища, результати експериментальних досліджень гідрохімічних характеристик озер, визначення концентрації оксиду вуглецю та g-фону на території ШНПП, висвітлено підходи, які було покладено також в основу принципів побудови пристроїв для контролю параметрів технологічних процесів в енергетиці, зокрема, дистанційного індикатора напруги ДІН-1 і приладу контролю напруги ПКН-1, подано акти про впровадження результатів дисертації.



ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішено важливу науково-прикладну проблему - створення теоретичних засад побудови автоматизованих засобів оперативного вимірювання інтегральних параметрів водного середовища та донних відкладів в умовах дії інтенсивних завад і шумів. Розв'язання даної проблеми ґрунтується на використанні лінійних і нелінійних ефектів взаємодії акустичних коливань з середовищами, розробленні нових методів вимірювання інформативних параметрів багаторазово відбитих сигналів, що забезпечило високу точність, чутливість та вірогідність класифікації створених вимірювальних акустичних систем.

При цьому отримано такі наукові та практичні результати:

1. Запропоновано нову класифікацію методів та ІВС оперативного визначення параметрів водного середовища. У результаті системного огляду літератури встановлено, що в основу побудови ІВС для визначення інтегральних параметрів водного середовища та донних відкладів доцільно покласти акустичний метод, а для оцінювання селективних параметрів - акустичний, іонометричний і кондуктометричний методи. Удосконалення акустичних систем доцільно здійснити шляхом підвищення їх точності, чутливості і вірогідності класифікації;

2. Розроблено нову методологію процесів відбору інформації про інтегральні параметри водного середовища та донних відкладів для ІВС оперативного моніторингу, в основу якої покладено лінійні та нелінійні ефекти взаємодії акустичних коливань з вказаними середовищами та введені нові параметри багаторазово відбитих сигналів, що є підставою для аналізу взаємодії вузлів систем з метою визначення всіх складових похибок, розроблення вимог до цих вузлів, а також синтезу їх структур;

3. Введено новий інтегральний інформативний параметр - загальну концентрацію домішок у воді, який дає змогу оперативно виявляти наявність та рівень забруднення, та вперше встановлено її зв'язок з параметрами акустичних коливань з врахуванням впливу основних термодинамічних параметрів: температури, тиску, швидкості звуку. На цій підставі розроблено новий інваріантний до температури акустичний метод вимірювання загальної концентрації речовин у воді, в основу якого покладено вимірювання часових і амплітудних параметрів акустичних багаторазово відбитих сигналів у еталонному та досліджуваному середовищах, що дає змогу аналізувати неорганічні та органічні рідини, і створено засади побудови відповідних ІВС;

4. Розроблено математичну модель, що описує нелінійні ефекти при взаємодії акустичних коливань з водним середовищем та отримано залежності нелінійного акустичного параметра від солоності та температури. Показано, що використання цього параметра дає змогу підвищити більше як на порядок чутливість визначення сумарної концентрації солей у воді;

5. Отримано нові залежності складових методичної та інструментальної похибок визначення інтегральних параметрів водного середовища і на цій основі мінімізовано сумарну похибку вимірювання мікропроцесорних акустичних ІВС;

6. Виявлено у результаті математичного моделювання багато шаруватого середовища нові інформативні амплітудні, часові та спектральні параметри акустичних багаторазово відбитих сигналів, за якими класифікують донні відклади. Чисельне моделювання підтвердило можливість класифікації складу відбиваючих границь з високим та низьким акустичним імпедансом при використанні цих параметрів;

7. Отримано нову залежність відношення амплітуд багаторазово відбитих сигналів на кратних частотах від кількості відбивань і на основі цього розроблено новий акустичний метод класифікації параметрів донних відкладів, інваріантний до глибини водойми, що дає можливість значно підвищити вірогідність класифікації донних відкладів. Встановлено та експериментально підтверджено, що за критерієм інформативності та простоти реалізації для класифікації донних відкладів доцільно використовувати середній коефіцієнт нахилу амплітудного спектру і амплітуду високочастотних осциляцій багаторазово відбитих сигналів, усереднену у різних частотних смугах;

8. Розроблено нові завадостійкі методи вимірювання часових та амплітудних вимірювань акустичних імпульсних сигналів на основі інтегрувального перетворення, які дали змогу розширити функціональні можливості, підвищити на порядок завадостійкість і точність вимірювань, на основі цих методів синтезовано завадостійкі пристрої, які мають високу швидкодію і точність;

9. Запропоновано ієрархічну структуру ІВС і пакет програм для створення бази даних регіонального екологічного моніторингу, які реалізовано на прикладі Шацького національного природного парку та р. Дністер. Розроблено структуру ІВС оперативного визначення параметрів водного середовища, перевагами якої є можливість автоматичного отримання, опрацювання та зберігання інформації про параметри водного середовища;

10. На основі теоретичних та експериментальних досліджень під керівництвом і безпосередньою участю дисертанта розроблено, виготовлено та впроваджено інформаційно-вимірювальні системи на підприємствах та організаціях, що дало змогу автоматизувати процеси визначення параметрів середовищ, підвищити точність, чутливість і вірогідність вимірювань. Обґрунтовано метрологічне забезпечення розроблених методів та засобів експериментального дослідження тонкої структури водного середовища. У процесі натурних випробувань ІВС отримано експериментальні дані, які підтвердили реальну можливість оперативного визначення параметрів середовищ і дали змогу оцінити порядок їх випадкових флуктуацій за різних умов;

11. У роботі узагальнено результати теоретичних та експериментальних досліджень методів і автоматизованих засобів оперативного вимірювання інтегральних параметрів водного середовища та донних відкладів. Вирішення такої проблеми вимагало нових підходів, концепцій і методології. Отримані результати є базою для розв'язання інших задач теорії і практики побудови інформаційно-вимірювальних систем.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Погребенник В.Д. Помехоустойчивое измерение амплитуды импульсных сигналов с. плоской вершиной // Измерительная техника. - 1996. - №6. - С. 69-71. моніторинг автоматизований акустичний

2. Погребенник В.Д. Фоновий екологічний моніторинг України: програма, структура та принципи організації // Нетрадиційні енергоресурси та екологія України. - К.: Манускрипт. - 1996. - С. 126-131.

3. Погребенник В.Д. Исследование методических погрешностей измерения вихревого компонента скорости течения // Измерительная техника. - 1997. - №9. - С. 60-64.

4. Погребенник В.Д. Завадостійкі методи і засоби вимірювання часових параметрів імпульсних сигналів // Відбір та обробка інформації. - Львів. - 2001. - №15. - C. 132-141.

5. Погребенник В.Д. Алгоритмічне забезпечення роботи мікропроцесорної системи експрес-контролю параметрів водного середовища // Методи та прилади контролю якості. - 2000. - №5. - С. 11-14.

6. Погребенник В.Д. Ультразвукова система експрес-контролю параметрів водного середовища // Вісник Тернопільського державного технічного університету. - 2000. - Т. 5. - №2. - С. 92-96.

7. Погребенник В.Д. Інформаційна модель ультразвукового зондування водного середовища // Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів. - Київ-Львів: ФМІ НАН України. - 2002. - Вип. 7. - С. 68-73.

8. Погребенник В.Д. Організація фонового екологічного моніторингу Шацького природного національного парку // Технические и системные средства экологического мониторинга. - К.: ИК НАНУ. - 1998. - С. 74-81.

9. Погребенник В.Д. Системи експрес-контролю параметрів водного середовища // Комп'ютерні технології друкарства. - Львів: Українська академія друкарства. - 1998. - С. 192-194.

10. Погребенник В.Д. Ультразвуковий метод класифікації донних відкладів // Комп'ютерні технології друкарства. - Львів: Українська академія друкарства. - 1999. - №3. - С. 200-206.

11. Погребенник В.Д. Методи підвищення чутливості визначення концентрації солей у воді // Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів. - Київ-Львів. - 1999. - Вип. 4. - С. 56-59.

Размещено на Allbest.ru

...