автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Информационно-измерительные системы экологического контроля окружающей среды

Самарский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт имени В. В. Куйбышева

На правах рукописи

ПАСЛОВ Вадим Николаевич

УДК 502.7.:54.66

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Специальность 05.11.16 -информационно-измерительные системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук в форме научного доклада

Самара - 1992

Работа выполнена на кафедре "Информационно-измерительная техника" Самарского ордена Трудового Красного Знамени политехнического института им. В. В. Куйбышева.

Научный руководитель: кандидат технических наук доцент П. К.Ланге.

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор Орлов Сергей Павлович Кандидат технически, наук, доцент Матвеев Виктор Георгиевич.

Разослана " " ноября 1992 г.

Ведущая организация:

институт ВНИИТНсфть (г. Самара).

Защита состоится декабря 1992 г. в 10 часов на за-

седании специализированного совета Самарского ордена Трудового Красного Знамени политехнического института им. В. В. Куйбышева по адресу:

443010, г. Самара, ул. Галактионовская, 141, аудитория 23. Ученый секретарь специализированного совета Д 063.16.01 В. Г. Жиров.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Сложность и взаимосвязь природных процессов вызывают необходимость системного подхода при организации наблюдений за загрязнением окружающей среды. Полученные в результате наблюдений данные должны служить информационной основой для решения задач регулирования качества окружающей среды - конечной цели мониторинга. В рамках программы ЮНЕП. (Программа,- ООН по окружающей среде) в нашей стране уже создана сеть наблюдений как составная часть Глобальной системы мониторинга окружающей среды (ГЕМОС). Конечными целями глобального и регионального мониторинга загрязнений в системе ГЕМОС являются:

- определение концентраций приоритетных загрязнений (загрязняющих веществ) в среде, их распределения в пространстве и изменчивости во времени;

- оценка величиной скоростных потоков загрязняющих веществ и вредных продуктов их химических взаимодействий;

- обеспечение унифицированных методов пробоотбора н анализа для получения сравнимых между странами результатов и обмен опытом по организации систем мониторинга. Значение и место лабораторий экологического мониторинга можно определить при рассмотрении организации системы экологического мониторинга.

Такая сеть предусматривает создание службы наблюдений более чем в 450 городах территории СССР.

Из рассмотрения схемы видно, что в ней должны широко использоваться разнообразные технические средства контроля загрязнений, располагаемые на стационарных и передвижных станциях.

Экономические трудности последних лет вызывают сомнение в том, что в ближайшие годы сеть стационарных наблюдений может быть существенно расширена.

Выходом из создавшегося положения является качественное

г'

изменение структуры системы мониторинга, и, в -частности, опережающее развитие передвижных лабораторий экологиче-

ского контроля загрязнений окружающей среды, а также автоматических сигнализаторов превышения допустимых концентраций загрязнения среды.

В связи с этим разработка мобильных лабораторий экологического контроля загрязнений, а также оборудования таких лабораторий является актуальной задачей.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью диссертационной работы является разработка мобильной лаборатории на базе автомобиля КАМАЗ для экологического контроля загрязнений окружающей среды, разработка, обоснование и выбор средств для аналитического комплекса мобильных лабораторий, разработка и исследование информационно-измерительной системы обработки аналитической информации для мобильных лабораторий.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- проведен анализ типовых загрязнителей воздушной среды жилой и рабочей зон, а также загрязнителей водной среды;

- проведен анализ информационных характеристик различных аналитических методов определения концентраций загрязнителей в окружающей среде;

- проанализированы средства для контроля загрязнений окружающей среды, выбран состав аналитического комплекса для мобильных лабораторий;

разработана структурная схема информационно-измерительной системы для мобильных лабораторий, разработаны схемы интерфейсов с использованием текстовых методов измерений для сопряжения аналитических приборов с персональным компьютером лаборатории;

- определен априорный закон распределения аналитических сигналов в аналитическом комплексе мобильной лаборатории, на основании чего предложен оптимальный закон квантования аналого-цифровых преобразователей в интерфейсах сопряжения аналитических приборов с персональным компьютером;

- разработаны конструкции мобильных лабораторий на базе автомобиля КАМАЗ и крейсерской яхты, разработаны средства для экспресс-анализа загрязнений водной среды.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. Методы базируются на системном анализе полученных данных, дифференциальном и интегральном исчислении, теории дискретной фильтрации, теории вероятностей. При экспериментальных исследованиях - внимание уделено вопросам математического моделирования сигналов.

Научная новизна

1. Предложена обобщенная модель сети экологического мониторинга.

2. Предложена классификация аналитических методов и •средств для аналитических измерении по информационным параметрам.

3. Предложен способ определения априорных законов распределения аналитических сигналов.

4. Определен оптимальный закон квантования аналого-цифровых преобразователей в интерфейсах сопряжения аналитических приборов с персональным компьютером.

5. Разработана структурная схема информационно-измерительной системы повышенной точности для мобильных лабораторий.

6. Предложена компоновка мобильных лабораторий экологического контроля загрязнений окружающей среды на базе автомобиля КАМАЗ и крейсерской яхты.

Практическая ценность

Предложенные мобильные лаборатории позволяют оперативно и надежно определять концентрации загрязнителей в воздушной и водной среде, проводить идентификацию источников загрязнении, прогноз последствий загрязнений окружающей среды.

Предложенный способ определения информационных характеристик аналитических сигналов позволяет в конечном результате снизить избыточность аналитической информации, что даст возможность упростить схемы интерфейсов сопряжения аналитических приборов с вычислительными средствами и расширить диапазоны преобразования сигналов.

Предложенные схемы интерфейсов позволяют повысить точность и частоту измерений аналитических сигналов.

Результаты работ могут найти применение в охране окружающей среды, в геологических и геофизических исследованиях земли и морских шельфов, при разработке средств анализа продукции химической, нефтехимической, микробиологической промышленности, сельского хозяйства, а также в медицинских исследованиях.

Реализация результатов работы

На основании проведенных исследований разработана мобильная лаборатория для экологического контроля загрязнений окружающей среды на базе автомобиля КАМАЗ, а также

5

крейсерской яхты, разработана информационно-измерительная система для мобильной лаборатории, разработаны интерфейсы сопряжения аналитических приборов с персональным компьютером, разработаны средства для экспресс-контроля загрязнений воды.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликованы 8 печатных работ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. Структура системы экологического мониторинга

В настоящее время в стране контроль загрязнений окружающей среды в основном осуществляется в стационарных лабораториях путем анализа доставляемых туда проб воздуха или воды. Однако при транспортировке проб часто возникают их загрязнения, потеря анализируемых компонентов или их превращения в другие вещества. Поэтому самый тщательный и квалифицированный анализ, проведенный на дорогостоящем оборудовании, приведет к получению бессмысленных данных, если отобранная проба не является типичным представителем анализируемого материала. При этом большое значение играет выбор места отбора пробы, обработка ее, хранение, концентрирование примесей и т. д.

Отсюда также вытекает актуальность создания мобильных лабораторий на базе автомобиля, катера и т. д. анализирующих пробу воздуха или воды непосредственно в месте се отбора.

Можно определить основную конфигурацию и требования, предъявляемые к системе экологического мониторинга.

Система эта должна представлять собой многоуровневую иерархическую структуру, объединяющую сеть аналитических лабораторий и пробоотборных пунктов и постоянно контролирующую состав атмосферы, гидросферы, почвы, продуктов питания и т. д.

Технические средства аналитических лабораторий должны требовать минимума обслуживающего персонала за счет автоматизации лабораторных и аналитических работ.

Основными элементами системы экологического мониторинга являются:

- стационарные станции экологического мешиторинга (стационарные аналитические лаборатории);

- мобильные аналитические лаборатории.

Стационарные наземные станции предназначены в первую

очередь для научно-исследовательской работы в области поиска и усовершенствования методик анализа, определения сани-

тарных характеристик химических соединении, тонкого и квалифицированного анализа доставляемых проб воздуха, воды, почвы и т. д. Стационарная буйковая станция предназначена для непрерывного контроля за загрязнениями воды и устанавливается в ключевых точках с точки зрения экологического мониторинга (в местах водозабора, слива сточных вод и т. п.).

Мобильная станция экологического мониторинга (аналитическая лаборатория) устанавливается на транспортном средстве (автомобильном шасси, катере, яхте, вертолете) и предназначена для оперативного анализа загрязнений окружающей среды непосредственно на месте отбора проб, что повышает достоверность результатов анализа.

Для отбора проб и транспортировки их в стационарные лаборатории используются машины пробоотбора, в которых установлено оборудование для отбора проб воздуха, воды (речной, озерной, дождевой), концентрирования и консервации проб при их транспортировке.

Перечисленные средства дополняют аварийные сигнализаторы (химические сенсоры) концентраций загрязнений окружающей среды, расположенные в местах их наиболее вероятных выбросов в окружающую среду (на дымовых и вентиляционных трубах, в местах слива сточных вод, в дождевых коллекторах и т. д.).

Центр сбора и обработки информации координирует работу всех элементов рассмотренной сети, собирает и анализирует информацию, поступающую от мобильных лабораторий.

При разработке системы экологического мониторинга наибольшее внимание следует уделить мобильным аналитическим лабораториям, поскольку при этом необходимо решать проблему обеспечения работоспособности в сложных условиях и . координации параллельной работы высокочувствительного аналитического оборудования, входящего в собтав таких лабораторий, а также создавать (для решения некоторых аналитических задач) новые анализаторы загрязнений окружающей среды.

2. Характеристика загрязнений окружающей среды

В воздушном и водном бассейнах типичного большого города, имеющего нефтехимическую, металлургическую, электротехническую, нефтеперерабатывающую промышленности, электрохимические производства на многих предприятиях, содержится более 1000 органических соединений, около 30 неорганических соединений и тяжелых металлов, токсичных по своему воздействию на организм.

По данным Американского химического общества, на 1989 год зарегистрировано 6 млн. химических веществ, причем синтетические соединения составляют более 90% этого количества. Ежедневно регистрируется около 6 тыс. химических веществ, из них около 1 тыс. веществ являются вновь открытыми.

Число наиболее широко используемых химических веществ в промышленности в 1989 г. составляло 60 - 70 тыс., 90% этого объема составляло 3 тыс. соединений.

Примерно такие же цифры характеризуют и ситуацию наших дней. Следует отмстить, что одно и то же загрязняющее вещество в окружающей среде может находиться в разнообразных состояниях. Например, тяжелые металлы (С<1, РЬ, и др.) присутствуют в воде в виде ионов, неорганических и органических соединений, металла, адсорбированного на твердых примесях или осажденного в виде покрытия, в виде включений в кристаллические структуры или твердые биоматериалы. Токсичность этих веществ может сильно различаться.

В настоящее время в нашей стране известны предельно допустимые концентрации (ПДК) примерно одной трети загрязнителей/ окружающей среды и лишь они, как правило, контролируются. Количество соединений ежегодно нормируемых всеми научными учреждениями страны, не превышает 20 - 30 для водной среды, 7-10 для воздушной среды (атмосферы) и 40 - 50 для воздушной среды рабочей зоны.

Всего же в стране установлено около 800 ПДК различных загрязнителей воздушного бассейна и около 1200 ПДК загрязнителей рабочей зоны.

Эти цифры не согласуются с общим числом около 3000 соединений, используемых в настоящее время в крупнотоннажных химических и нефтехимических производствах, а также с более чем 20000 соединений, используемых в мелкотоннажных производствах (парфюмерия, фармакология, биотехнология и т. д.).

Необходимо учитывать также, что ежегодно в промышленность внедряется около 1000 новых соединений, а ПДК определяются примерно для 100 веществ.

В связи с этим очевидной становится необходимость разработки автоматизированных средств для создания системы оперативного экологического контроля параметров окружающей среды.

3. Анализ методов и средств определения загрязнений окружающей среды

Перечень измерительной аппаратуры технических средств должен быть ориентирован на номенклатуру контролируемых параметров и минимизирован по признаку используемых аналитических методов.

В настоящее время для детального анализа проб окружающей среды применяется около 15 аналитических методов, из них наиболее распространенными и поддающимися автоматизации являются газовая, ионная и жидкостная хроматография, спектрофотометрия, атомно-абсорбционная спектроскопия.

Определение загрязнений окружающей среды является сложной аналитической задачей, поскольку загрязнения, как правило, содержатся в микроколичествах, и результаты анализа могут быть недостоверными в силу ряда причин.

Поэтому организация анализа и методическое обеспечение должны предусматривать использование как минимум двух независимых методов, каждый из которых выступает экспертом по отношению к другому.

При решении проблемы создания сети экологического контроля загрязнений окружающей среды наименее проработанными являются вопросы разработки мобильных средств определения загрязнений воздуха и воды, которым и необходимо уделить основное внимание.

Исходные данные для проектирования таких средств выявляются при рассмотрении типичных загрязнителей воздуха и воды промышленных районов, а также аналитических средств, необходимых для измерения концентраций этих загрязнителей.

Типичными загрязнителями воздуха являются оксиды углерода, азота, серы; сумма органических веществ, аммиак, фенол и т. д.; загрязнители воды - нефтепродукты, хлориды, нитраты, металлы (хром, цинк, никель и т. д.), фенол, бензол и др.

Из рассмотрения статистических данных о загрязнении воздушной и водной среды можно сделать вывод, что основными аналитическими приборами, используемыми для измерения концентраций загрязнителей, являются портативные газовые, ионные и жидкостные хроматографы. Кроме того, качество воды характеризуется ее удельной электропроводностью, количеством растворенного кислорода, удельной электропроводностью и температурой.

Эти параметры измеряются с помощью погружных гидрохимических анализаторов (зондов).

Перечисленное оборудование в тех или иных комбинациях должно входить в состав аналитического комплекса, размещаемого на мобильных лабораториях экологического контроля.

В связи с тем, что чувствительность аналитических приборов недостаточна для определения загрязнителей на уровне предельно-допустимых концентраций (ПДК), в состав аналитического комплекса должны входить пробоотборные устройства с концентрированием примесей в пробах (например, с использованием концентрирующих сорбционных патронов).

4. Анализ информационных характеристик аналитических сигналов

Кроме аналитических приборов, в состав аналитического комплекса, расположенного в мобильной лаборатории, входят средства сбора и обработки аналитической информации. В связи с этим необходимо рассмотреть информационные характеристики аналитических сигналов, поступающих с выходов анализаторов состава отбираемых проб воздуха и воды.

Важнейшими характеристиками таких систем являются диапазоны измерения концентраций загрязнителей, так как они определяют состав аналитических измерительных приборов, выбор методик анализа загрязнений, информационные параметры аппаратных и программных средств измерения и обработки аналитических сигналов. Кроме того для оптимизации этих средств необходима информация об априорных законах распределения измеряемых концентраций загрязнителей, или хотя бы о том, в какой части диапазона наиболее вероятно находятся измеряемые концентрации загрязнителей.

Информационная способность и число различимых градаций аналитического метода также влияют на разработку аппаратных и программных средств аналитического комплекса. Исследование этих характеристик предполагает классификацию анализируемых загрязнителей, определение типа, состава и гомогенности проб, их количество, оценку воспроизводимости анализа, его селективности, стоимости и т. п. Первоочередной интерес представляют такие параметры, как порог обнаружения загрязнителя, диапазон определяемых содержаний и время анализа.

Таблица 1. Информационные характеристики аналитических методов измерения загрязнений окружающей среды

Метод Число опре- Порог Относит. Число Количество

анализа деляемых ком- обнару стандарт. градаций информации

понентов хения отклонен. бит

Масс-спектро- 4

метрический 10

Полярографический 10

Спектрофото-метрический

в ИК-диапаз. 100

4

в УФ-диапаз. 10

Атомно-абсорб-ционный 100

Флуоресцентный 100

Хроматографи-ческий: 3

газовый 10

жидкостный

Титриметричес-кий, мокрой химии

10

-7

10

0,1

-7

10

-3

10

0,05 0,01 -3

10

10

10

-2

-3

10

-7

10

10

0,1

-2

10

10

10

10

10

10

10

2

10

2

ю-

2x10 100

100 500

500 500

2x10 4

10

-5

-2

10

10

100

Характеристики некоторых аналитических методов приведены в табл. 1.

Анализ таких характеристик привел к следующим выводам:

- аналитические методы, обеспечивающие высокую разрешающую способность, имеют и высокую информационную способность. Число различимых градаций мало влияет на количество информации, получаемой при анализе;

- практически для всех аналитических методов число градаций определяется в основном значением относительного стандартного отклонения, а не пределом обнаружения, который на несколько порядков ниже;

- практически все аналитические методы имеют информационную избыточность порядка 2... 100;

- наиболее информативными аналитическими методами, имеющими аппаратную реализацию средней стоимости, являются хроматографичсский и спектроскопический.

Средства сопряжения аналитических приборов с вычислительной техникой (интерфейсы) содержат аналого-цифровые

7

2

6

преобразователи (АЦП), разрядность которых должна соответствовать числу градаций аналитического сигнала, которое сравнительно невелико (10*2 -10*3) поскольку на практике определяется стандартным отклонением аналитического метода. Однако, если определить максимально возможное, теоретическое число градаций, исходя из величины концентрационного порога обнаружения, окажется, что динамический диапазон АЦП должен достигать очень больших значений - до 10*7 - 10*9.

Этот вывод подтверждается тенденцией повышения разрядности АЦП: средства сопряжения современных аналитических зарубежных приборов уже имеют динамический диапазон до 10*6...10*7. Однако такие АЦП имеют сравнительно большую стоимость и, как правило, большое время преобразования (10...100 мС), что для некоторых аналитических приборов (например сканирующих спектрометров) неприемлемо.

В связи с этим актуальной является задача сжатия диапазона аналитического сигнала с целью уменьшения разрядности АЦП. Эта задача решается при известных статистических характеристиках сигнала, в частности, его априорного закона распределения.

При пренебрежении погрешностью измерения и использовании информационного критерия значения Г^ оптимальной шкалы квантования определяются выражением

где Nj - i-й уровень квантования;

Nmax - максимальное число квантов шкалы;

Fa(x) - интегральный закон распределения сигнала.

Рассмотрим задачу определения закона fa(x) для аналитического сигнала при количественных измерениях состава веществ.

Если допустить, что значительная часть загрязняющих веществ возникла в результате тех или иных химических реакций

Ni

N max

1

(1)

_ ©о

Vi Xi+V 2Х2+... VlYl+ V2Y2+...,

1

где Х^ Yj - реагирующие вещества;

A' J л . ~

Vf , Vj - стехиометричсские коэффициенты;

то, как известно, равновесные концентрации Р{ определяются законом действия масс

VI

П (Р0=

1У (Р1)1

(Р2)

у.

(Р1) 1 (Р2)

= Кр (Т),

1

(3)

где - равновесная концентрация компонента X;;

Р{ - равновесная концентрация компонента У};

Кр (Т) - константа химического равновесия, зависящая только от температуры реакции.

При рассмотрении выражения (3) можно сделать вывод, что для определения закона распределения концентрации Р1 интересующего нас компонента при известных законах распределения концентрации Pj (1 = ^ отдельных компонентов необходимо определить, к какому закону стремится закон распределения мультипликативной величины

г = х1х2...хп

(4)

при разнообразных законах распределения независимых случайных нормированных величин XI, изменяющихся в диапазоне (0,1).

Рассмотрим вначале более простой случай

Ъ = Х У

(5)

Функция плотности распределения (Т) определяется

выражением

1 *

¥<г)= —Г|<х)Ь{- »¿х

» X х

ъ

(б)

С помощью этого выражения можно определить закон распределения мультипликативной величины и при произвольном числе сомножителей Х1 путем последовательного его определения при п = 2.3... .

0, 2 0/« 0.6 о; 8 1,0 2

Рис. i■ Законы распределения му/нтил/шкатибной беличины.

На рис. 1 приведены аналитические выражения и графики функций плотности распределения мультипликативной величины для следующих вариантов:

- произведение двух величин с равномерными законами распределения ( ^

- произведение трех величин с равномерными законами распределения ( ^ !

- произведение двух величин, одна из которых имеет равномерный закон распределения, а другая - закон Коши ( ^ 3);

- произведение двух величин с законами распределения треугольной формы ( у

- произведение трех величин с законами распределения треугольной формы ( >

- произведение четырех величин с законами распределения треугольной формы (

Из рассмотрения графиков законов распределения видно, что закон распределения величины ъ имеет тенденцию приближения к монотонно убывающей функции, близкой к функции логоравномерного закона распределения

|(£пх)=соп51 прих£(Хн, Хв)

(7)

где Хн, Хв - границы динамического диапазона сигнала, или

?1а(х)=-*-

х£п (Хв/Хн)

(8)

Подтверждением выдвинутого предположения является экспериментальное его обоснование рядом исследователей, в частности, известным специалистом в области информационно-измерительной техники Новицким П. В.

В этом случае оптимальная шкала квантования АЦП определяется выражением

где ¡=КМтах (N¡/N111^1)

1

К=-

(Хв/Хн)

Относительная величина кванта оптимальной шкалы здесь должна быть постоянной:

1

-= - =сопзГ,

N1 К1Чтах (10)

где Д ^ - абсолютная величина кванта шкалы.

Отсюда можно сделать следующие выводы:

- при проектировании средств сопряжения аналитических приборов с ЭВМ в системах экологического контроля загрязнений с целью избежания потери информации целесообразно использовать аналого-цифровые преобразователи с характеристикой квантования (10) или хотя бы многодиапазонные преобразователи с автоматическим переключением диапазонов;

- на основании определенных заранее (априорных) законов распределения концентраций загрязнителей конкретных производств - источников загрязнений, а также на основании анализа закона распределения концентрации загрязнителя - произ-

водного от исходных загрязнителей (фотохимический смог, хлор-производные фенола, соединения тяжелых металлов и др.) в заданной точке обследуемой местности можно идентифицировать источник преимущественного загрязнения в этой точке.

5. Разработка мобильных лабораторий экологического контроля загрязнений

В результате научно-технических и конструкторских проработок определились следующие варианты мобильных лабораторий:

- мобильная лаборатория многоцелевого назначения, располагаемая на шасси A/M КАМАЗ;

- мобильная яхтенная лаборатория: на базе крейсерской яхты; -

- мобильная-мини-лаборатория на базе лодки, катера.

Рассмотрим конструкции некоторых лабораторий, а также

основные характеристики их аналитических комплексов.

Передвижная лаборатория на базе A/M КАМАЗ включает в себя измерительный комплекс, состав которого определяется конкретной задачей измерения концентраций отдельных загрязнителей окружающей среды (или групп загрязнителей). Состав комплекса также определяется диапазоном и уровнем концентраций загрязнителей. Практика аналитических исследований веществ показывает, что конкретный аналитический метод (например, хроматографический) может быть использован для определения в пробах воды, воздуха значительного числа групп веществ, порой сильно отличающихся химическими, структурными и другими свойствами. Однако при переходе от анализа одной группы веществ (например углеводородов) к анализу другой группы веществ (например окислов азота, углерода) требуется серьезная перестройка аналитического прибора (в данном случае - хроматографа) и изменение режима его работы.

Поскольку провести такую перестройку в полевых условиях затруднительно, в передвижной лаборатории целесообразно использовать набор портативных аналитических приборов, заранее настроенных с ориентацией на анализ конкретной группы загрязнителей окружающей среды.

Вариант передвижной лаборатории на базе автомашины КАМАЗ с будкой (модификации "ТОРОС") включает в себя аналитический измерительный комплекс и средства жизнеобеспечения.

Аналитическая аппаратура лаборатории позволяет контролировать до 150 компонентов вредных веществ, содержащихся в выбросах промышленных предприятий, до 120 компонентов основных загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, до 300 компонентов йредных веществ в природных и сточных водах.

Состав базового комплекта измерительно-аналитической аппаратуры лаборатории включает в себя следующее оборудование:

- малогабаритный газовый хроматограф (4 шт.) для качественного и количественного анализа сложных смесей органических и неорганических веществ (СО, Н2 S, бензол, формальдегид, метанол, фенол, винилхлорид, циклогексан, дихлорэтан, метилметакрйлат и др);

- ионный хроматограф (2 шт.) для качественного и количественного анализа органических и неорганических анионов и катионов (SO2, аммиак, оксиды азота, хлориды, сульфаты, нитраты, нитриты, ионы К, Mg, Са, Na и др);

- жидкостный хроматограф (2 шт.) для определения водных загрязнений (нефтепродукты, металлы Cr, Си, Zn, Ni, цианиды, аминосоединения, пестициды и т. д.);

портативный фотоионизационный газоанализатор со встроенным устройством аварийной сигнализации для определения суммарного содержания паров большинства органических и некоторых неорганических веществ в воздухе;

- тсрмодссорбционная приставка для газового хроматографа для концентрирования и ввода газовой пробы п хроматограф;

- портативный гидрохимический анализатор для измерения физических и химических параметров водной среды, характеризующих ее загрязнение и биологическое состояние (водородный показатель, электропроводность, прозрачность, содержание нитратов, нитритов и т. д.);

- портативный генератор водорода, предназначенный для получения водорода высокой чистоты для обеспечения работы газовых хроматографов с пламенно-ионизационным детектором;

- спектрофотометрический анализатор для экспресс-анализа воздушной и водной сред на суммарное содержание как органических, так и неорганических загрязнителей;

- радиометрический анализатор для определения радиоактивного загрязнения;

- система определения электромагнитного загрязнения для контроля уровня электромагнитного поля на радиочастотах;

- гидрохимический анализатор дождевой воды с водосборником для определения се кислотности;

- радиоуправляемый пробоотборник для дистанционного отбора проб воды с поверхности водоемов.

В состав оборудования лаборатории входят также:

- ЭВМ для координации и управления работой аналитических систем сбора и обработки информации, поступающей от параллельно работающих (до 8) аналитических приборов, ведения банков аналитических данных и т. д.;

- системный интерфейс для обеспечения компоновки и передачи обработанных данных в центральную станцию экологического контроля;

- комплект приборов для определения метеорологических параметров (температуры, скорости и направления ветра, давления).

Лаборатория позволяет решать следующие задачи:

- оперативно (в течение нескольких минут) определять общее загрязнение воздуха, воды, почвы непосредственно на месте загрязнения;

- оперативно (в течение 20 - 30 минут) определять в деталях (до 300 компонентов) загрязнение воздуха промышленной и жилой зон, сточных вод и вод водоемов и рек, почв и продуктов питания;

- проводить паспортизацию результатов анализа экологических загрязнений;

- измерять и регистрировать метеорологические параметры (температура, скорость и направление ветра, давление и влажность) ;

- передавать полученные в результате анализов данные по радиоканалу связи в центральную станцию экологического контроля;

- проводить автономно круглосуточное (в течение нескольких дней) всесезонное определение загрязнений окружающей природы для составления прогноза последствий экстремально высоких загрязнений.

Аналитические приборы и компьютерная техника расположены на выдвижных конструкциях, встроенных в стеллажи, и снабжены амортизирующими элементами для предохранения их во время движения лаборатории.

Лаборатория предусматривает также элементы жизнеобеспечения персонала, обеспечивающие минимальный комфорт в любое время года - теплогенератор, кондиционер, кухонный блок, санузел, спальные и рабочие места.

Яхтенная лаборатория предназначена для определения загрязнений воды рек, водоемов, морей, а также воздуха в районе акваторий.

Яхтенная лаборатория может содержать практически такой же комплект аналитических приборов, что и автомобильная лаборатория и, соответственно, могут быть использованы аналогичные аналитические методы измерения концентраций загрязнителей. Однако, в связи с более ограниченным полезным объемом яхтенной лаборатории, в ней может быть развернут минимальный аналитический комплекс, включающий в себя портативный ионный и газовый хроматограф, интерфейс связи и портативный компьютер.

Такой комплекс может быть использован, например, для измерения концентраций углеводородов в воде и воздухе, а также тяжелых металлов в воде.

При необходимости решения других аналитических задач, например, определения фенола, бенз(а)пирена, трикрезола, в аналитическом комплексе необходима замена хроматографов, или же их перенастройка.

Преимуществом яхтенной лаборатории является возможность работы в любое время суток, при любой погоде, а также то обстоятельство, что яхта является сама экологически чистым средством передвижения и не вносит загрязнителей, которые могут исказить результаты измерения их концентраций в воде и воздухе.

6. Разработка средств для экспресс-анализа загрязнений водной среды

Средства для экспресс-анализа загрязнений водной среды предназначены для сравнительно быстрого (до нескольких минут) определения концентраций загрязнителей в воде.

К таким средствам относится погружной гидрохимический анализатор и буйковая автоматическая стационарная станция.

Погружной гидрохимический анализатор состоит из погружаемого блока и бортового модуля.

Погружаемый блок содержит до семи легкозаменясмых датчиков - электрохимических элементов, чувствительных к различным загрязнителям воды.

Аналитические сигналы, снимаемые с датчиков, усиливаются, преобразуются и по двухжильному кабелю поступают в бортовой модуль. Микропроцессорный блок бортового модуля обрабатывает поступающие аналитические данные и отображает результаты на цифровом дисплее.

Гидрохимический анализатор можно опустить до заданной глубины с любого плавсредства (лодки, яхты, катера и т. п.).

Наряду с мобильными лабораториями, система экологического контроля загрязнений должна включать в себя автомати-

чсские стационарные станции, примером которых является автоматическая буйковая станция контроля параметров водной среды.

Буйковая станция устанавливается на якорь в районах водозаборов, акваторий портов и предназначена для круглосуточного периодического измерения концентраций ряда загрязнителей воды. Концентрации определяются с помощью гидрохимического зонда с ионоселективными электродами, периодически (с интервалом в несколько часов) погружаемого в воду.

Аналитическая информация обрабатывается бортовым модулем и по телеметрическому радиоканалу связи длиной в 5... 10 км передается на центральную станцию экологического мониторинга.

Буйковая станция обслуживается один раз в сезон.

Лаборатории экологического контроля должны включать в свой состав различные пробоотборные средства. Автоматический радиоуправляемый пробоотборник воды представляет собой небольшое радиоуправляемое судно весом 5...7 кГ, содержащее двигательную установку, схему управления, набор резервуаров для отбираемых проб и вакуумные микронасосы.

Пробоотборник спускается на воду и по командам оператора перемещается в пределах прямой видимости в заданные точки водоема, где с помощью насосов заполняются резервуары.

По возвращении пробоотборника оператор извлекает резервуары с пробами и отправляет их на анализ.

7. Средства сбора и обработки аналитических сигналов

Рассмотрим особенности построения средств сбора и обработки аналитической информации в лабораториях экологического контроля.

Анализ информационных характеристик аналитических сигналов, аналитических задач, а также современных тенденций в приборостроении показывает, что структурные схемы аналитических измерительных комплексов большей частью можно разделить на три группы.

Аналитический комплекс портативной мини-лаборатории включает в себя один аналитический прибор (погружной зонд, хроматограф, спектрометр), микропроцессорный блок для сбора и обработки информации, а также управления работой аналитического прибора и цифровой однострочечный дисплей для отображения результатов анализа.

Структурная схема такого комплекса изображена на рис. 2а.

Для отображения, сложной обработки, регистрации результатов и организации "дружественного" диалогового режима

аналитический комплекс должен включать персональный компьютер, стандартной комплектации, соединяемый с остальной частью комплекса обычно через последовательный стандартный канал связи И8-232.

Соответствующая структурная схема комплекса изображена на рис. 26.

В случае параллельной и независимой работы нескольких аналитических приборов (обычно 4...8) в лаборатории компьютер подключается к ним через многоканальный интерфейс сопряжения (рис. 2в).

Схемы разрабатываемых в настоящее время аналитических комплексов в большинстве соответствуют схемам, изображенным на рис. 2.

АНАЛИТИЧЕСКИЙ МИКРОПРОЦЕСС. _ь ЦИФРОВОЙ

а) ПРИБОР БЛОК ДИСПЛЕЙ

RS-232

Рис 2. Структурные схемы аналитических измерительных комплексов мобильных лабораторий контроля загрязнений.

Рассмотрим конкретные технические решения, принятые при разработке аналитических комплексов лабораторий экологического контроля.

Схема сопряжения нескольких (до 8) аналитических приборов с персональным IBM - совместимым с компьютером, содержит восемь каналов..Аналого-цифровой преобразователь в каждом канале содержит предусилитель, преобразователь "напряжение-частота" и счетччк и позволяет преобразовать

21

входной сигнал в течение 0,2 с в 20-разрядный код, позволяющий охватить большой динамический диапазон аналитического сигнала (до 10").

Полученные коды от всех каналов с помощью коммутаторов преобразуются в трехбайтовый формат и в режиме разделения времени через канал ИБ-232 поступают в последовательный порт компьютера.

Схема анализатора, предназначенного для лодочной минила-боратории, содержит 4 идентичных канала измерения гидрохимических параметров. Для обеспечения высокого входного сопротивления буферные каскады каналов выполнены по схеме повторителя напряжения.

Для уменьшения дополнительной составляющей суммарной погрешности измерения гидрохимических параметров в схеме предусмотрено отключение измерительного электрода от буферного каскада и подача на его вход образцового сигнала с источника опорного напряжения, а также нулевого потенциала, т. с. реализован метод образцовых мер.

Измерительный преобразователь температуры (ИПТ) выполнен по схеме неуравновешенного моста, питаемого постоянным током. Для повышения точности здесь также непбльзован метод образцовых мер. Алгоритм измерения температуры построен таким образом, чтобы обеспечить линейную зависимость выходного напряжения ИПТ от температуры.

В качестве первичного преобразователя температуры использован пленочный термопреобразователь сопротивления.

Первичным преобразователем электрической проводимости является 4-олектродная кондуктометрическая ячейка, питаемая переменным током постоянной амплитуды.

Выходной сигнал выпрямляется и подается на вход преобразователя напряжение - частота (ПНЧ).

В качестве ПНЧ использована микросхема 1108ПП1А, отличающаяся высокой линейностью преобразования.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) построен на счетчиках К555ИЕ5.

Адаптер последовательного обмена реализует стандартный протокол обмена КБ232 и собран на регистрах сдвига.

Разработанные схемы, а также конструкции приборов и аналитических комплексов в целом входят в состав разрабатываемых лабораторий экологического мониторинга.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Анализ типовых загрязнителей окружающей среды позволил определить состав аналитического измерительного комплекса мобильных лабораторий экологического контроля загрязнении.

2. Анализ информационных характеристик аналитических сигналов позволил разработать требования к средствам сбора и обработки аналитических сигналов.

3. На основании полученного в результате анализа априорного закона распределения аналитических сигналов определен оптимальный закон квантования аналого-цифровых преобразователей аналитического сигнала, а также показана возможность идентификации источников загрязнителей окружаюшеГГ среды.

4. Разработана структурная и принципиальная схема интерфейсов сопряжения аналитических приборов с компьютером, позволяющая повысить точность и частоту измерений аналитического сигнала.

5. Разработана конструкция мобильной лаборатории экологического контроля загрязнений окружающей среды на базе автомобиля КАМАЗ и крейсерской яхты.

6. Разработаны конструкции экспресс-анализаторов загрязнений водной среды, позволяющие автоматически или полуавтоматически определять концентрации типовых загрязнителей воды.

Разработанные в диссертационной работе элементы и блоки аналитического измерительного комплекса, мобильная лаборатория на базе автомобиля КАМАЗ для экологического контроля загрязнений окружающей среды внедрены на предприятиях АО "КАМАЗА

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Паслов В. Н. Обоснование состава комплекса технических средств экологического мониторинга окружающей среды. Самарский политехи, ин-т - Самара, 1992, - 6 с. - Дсп. в ВИНИТИ 25.03.92. N 1037-В92.

2. Паслов В. Н. Передвижные лаборатории контроля параметров окружающей среды в системе экологического мониторинга. Самарский политехи, ин-т. - Самара, 1992, -4с.-Деп. в ВИНИТИ 25.03.92. N 1036-В92.

3. Паслов В. Н. Проблемы мониторинга водных ресурсов. Самарский политехи, ин-т. - Самара, 1992, - 4 с. - Дсп. в ВИНИТИ 10.04.92. N 1224-В92.

4. Паслов В. Н., Ланге П. К. Компьютерные системы обработки аналитической информации для мобильных систем экологического мониторинга. Самарский политехи, ин-т. - Самара, 1992, - 21 с. - Деп. в ВИНИТИ 07.04.92. N 1187-В92.

5. Паслов В. Н. Передвижная лаборатория для контроля параметров окружающей среды. Самарский политехи, ин-т. -Самара, 1992, - 6 с. - Дсп. в ВИНИТИ 13.04.92, N 1254-В92.

6. Паслов В. Н., Татаренко Е. И. Средства дистанционного контроля параметров окружающей среды. Самарский политехи, ин-т, - Самара, 1992, - 3 с. Деп. в ВИНИТИ 25.08.92. N 2685-В92.

7. Паслов В. Н., Татаренко Е. И. Измерительные средства экспресс-анализа параметров окружающей среды. Самарский политехи, ин-т. - Самара, 1992, - 4 с. - Деп. в ВИНИТИ 25.08.92. N 2686-В92.

8. Паслов В. Н., Ланге П. К. Информационные характеристики аналитических сигналов в системах экологического контроля загрязнений окружающей среды. Самарский политехи. ин-т. - Самара, 1992, - 9 с. - Деп. в ВИНИТИ 25.08.92. N 2687-В92.

1/6248-1000. ГКИ КАМАЗа. 1992.