Исследование и обоснование структуры и параметров электронной системы измерения концентрации солей питьевой воды в канале 'Северский Донец-Донбасс'

Предпосылки разработки электронной системы измерения и контроля экологических параметров (концентраций, рН, температуры).

Проводимость питьевой воды является одним из основополагающих параметров чистоты воды. Данная работа представляет собой разработку электронной системы, которая будет непрерывно контролировать уровень концентрации солей воды в канале "Северский Донец - Донбасс". Система должна работать в автономном режиме и измерять проводимость воды в пределах 0,1..25мСм/см, т.е. даже если произошёл сброс в канал каких-либо отходов, система должна регистрировать показания. Измерение проводимости и обработка результатов есть довольно сложный и трудоёмкий процесс, требующий достаточных знаний и аппаратуры. Государственными стандартами установлены следующие нормы основных параметров для питевой воды в канале:

Теоретическое обоснование возможности измерения необходимых параметров.

Методы измерения температуры подразделяются на контактные и неконтактные. Контактные основаны на введении в измеряемую среду измерительного зонда, содержащего соответствующий термометрический элемент. При этом за температуру среды принимают температуру измерительного зонда. Неконтактные методы основаны на измерении термометрических свойств самой среды. В океанографических исследованиях наиболее широко применяются контактные методы, реализуемые с помощью термоэлектрических преобразователей (ТП) и термопреобразователей сопротивления (ТС).

При использовании контактных измерителей возникает вопрос соответствия температуры зонда температуре измеряемой среды. Приращения температуры зонда отстают от изменения температуры среды ввиду его тепловой инерции, обуславливая динамические погрешности. Следовательно, при измерениях температуры в режиме зондирования весьма важными являются динамические характеристики и пространственная разрешающая способность ПИП. С целью обеспечения высокой надежности, точности и стабильности характеристик преобразователя, чувствительный элемент (провод, пленку) необходимо изолировать от воздействия агрессивной среды и механических повреждений с помощью защитных покрытий, капиллярных трубок и т.п., что неизбежно ведет к увеличению его тепловой инерции и ухудшению динамических свойств. Пространственное разрешение ТС в основном определяется размерами его чувствительного элемента. Конструктивно может быть достигнуто разрешение порядка 10^–2 м, что согласуется с требованиями измерений пространственных тонкоструктурных неоднородностей. Однако, применение серийно выпускаемых ТС неприемлемо для зондирующих ИИС ввиду их большой инерционности и недостаточного пространственного разрешения.

В течение длительного времени возможности аналитического контроля вод ограничивались недостаточной чувствительностью химических методов анализа. Развитие инструментальных физико-химических методов позволило значительно расширить возможности аналитической химии вод. В настоящее время методы и технические средства измерения представляют собой единое целое и обеспечивают контроль приоритетного перечня показателей качества вод. Вместе с тем идущее быстрыми темпами развитие инструментальных методов открывает новые возможности, позволяющие решать новые задачи контроля загрязнения водных объектов.

Инструментальные физико-химические методы анализа в большинстве своем реализуются в лабораторных условиях и порой требуют значительных затрат времени на их проведение. Идентификация и количественное определение ингредиентов основных групп загрязнения вод базируются на характерных для этих групп методах анализа.

Измерение активности водородных ионов (рН). При измерении активности водородных ионов в качестве измерительных электродов применяются: водородные, хингидронные, металлооксидные и стеклянные электроды. Функциональные возможности первых трех типов ограничены и они используются значительно реже, чем стеклянные. При этом водородные электроды считаются наиболее точными.

Потенциал водородного электрода определяется уравнением Нернста и составляет:

Потенциалы электродов других конструкций имеют подобное математическое описание.

Измерение окислительно-восстановительного потенциала. Полярографический метод. При прохождении через раствор электрического тока имеет место явление электролиза, т. е. процесс химических превращений в растворе с выделением из него вещества. Вследствие электролиза концентрация ионов вблизи электродов оказывается отличной от их концентрации в остальной части раствора, что приводит к изменению электродного потенциала, т. е. к поляризации. Восстановление каждого конкретного вещества происходит при некоторой вполне определенной разности потенциалов между источником электронов (катодом) и раствором. Эта разность получила название потенциала восстановления.

В результате восстановления увеличивается расход электронов с катода и изменяется ток во внешней цепи. Это изменение зависит от скорости поступления восстанавливаемого вещества к катоду. При отсутствии движения электролита скорость поступления обуславливается диффузией и прямо пропорциональна концентрации вещества в растворе. Через некоторое время от начала процесса устанавливается динамическое равновесие между расходом электронов и диффузией, при этом ток в цепи катода достигает предельного значения (предельного диффузионного тока восстановления). Если в растворе находятся различные вещества, характеризующиеся разными значениями потенциалов восстановления, то вольт-амперная характеристика преобразования выглядит в виде кривой (см рис. 1.1), получившей название полярографической волны. Потенциал каждой “ступеньки” в волне характеризует вид восстанавливаемого вещества, а ширина ступеньки – концентрацию этого вещества в растворе.

Рисунок 1.1 — Полярографическая “волна”

Приведенная схема метода идеализирована; в реальных сложных растворах имеет место взаимное влияние процессов восстановления друг на друга, проявляющееся в смещении потенциалов восстановления и изменении предельных диффузионных токов. Это создает определенные трудности при попытках использования полярографического метода для гидрохимического анализа вод. Этот метод нашел применение для измерения концентрации растворенного в воде кислорода в связи с тем, что потенциал восстановления кислорода мало изменчив и слабо зависим от состава тестируемого электролита. К тому же заключительным продуктом восстановления в водных растворах являются ионы гидроксила, легко удаляемые с металлического катода.

Кроме полярографического метода для измерения концентрации растворенного в воде кислорода нашли применение гальванический метод и метод основанный на эффекте ядерного магнитного резонанса. При гальваническом методе требуемая разность потенциалов задается не внешним источником, а гальванической парой, образованной электродами за счет выбора материалов их изготовления.

Идея метода основанного на эффекте ядерного магнитного резонанса заключается в обработке образца водного раствора одновременно постоянным и переменным магнитными полями. Растворенный в воде кислород обладает парамагнитными свойствами. В постоянном магнитном поле наблюдается слабое намагничивание такого водного раствора. В переменном магнитном поле происходит размагничивание раствора, которое сопровождается поглощением энергии поля. Время релаксации намагниченности зависит от концентрации парамагнитных компонент раствора и может быть использовано для определения концентрации растворенного в воде кислорода.

Ионо-селективный метод. Процесс развития потенциометрии привел к созданию мембранных электродов нового типа, принципиально аналогичных газовым рН-электродам, но отличающихся от них по составу и структуре мембраны. В настоящее время при помощи ионоселективных электродов различной конструктивной формы определяются ионы Ag ⁺,Cu²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺, Sr²⁺, Fe²⁺, Ni²⁺, Ва²⁺, Са²⁺ ,Мg²⁺ ,Na⁺, K⁺, F^–, Cl^–, Br^–, I^–, NH⁺, CN^–, CNS^– и многие другие.

С привлечением вспомогательных химических реакций число видов ионов может быть значительно расширено. Реакции могут протекать непосредственно на поверхности мембраны или в пробе, к которой добавлены соответствующие реактивы. Измерительные электроды называют ионоселективными или избирательными к ионам. Это верно лишь частично, поскольку они обладают “перекрестной чувствительностью” и к другим определенным ионам. Степень искажения результата измерений оценивается по дополненному уравнению Нернста. Измерительный электрод для иона i погруженный в раствор, содержащий ионы i и j, приобретает частный потенциал:

Ионная селективность в рассматриваемом случае имеет место только тогда, когда константа селективности k_ij равна нулю. По этой причине электроды правильнее было бы называть ионочувствительными. Достижимую степень селективности следует определять в каждом конкретном случае.

Данные об используемых диапазонах измерения имеются в информационных листках изготовителей электродов и в обзорных работах.

Обзор электронных систем, решающих аналогичные задачи

За рубежом разработано большое количество приборов и систем для контроля загрязнения водной среды. В работах предприняты попытки описать выпускаемые зарубежными фирмами приборы и системы контроля состояния водной среды с единых методологических позиций. Ниже приведена краткая характеристика некоторых из них.

В Польше выпускаются автоматические станции контроля качества воды и очищенных сточных вод типа “Аквамер 51, 52”, в ЧСФР — автоматическая станция “Наяда-стандарт” для контроля качества поверхностных и подземных вод, а также питьевой воды. Основные показатели работы этих станций, а также WARA-22 и WPM-2000 японских фирм “Хориба” и “Янагимото” приведены в табл. 1.9.

Анализ известных зарубежных разработок показывает, что наибольшее распространение получили автоанализаторы, основанные на дискретном методе анализа, кассетного типа. Их преимущества: исключение взаимного загрязнения образцов, быстродействие, охват более широкого круга химических анализов и др. Общим для всех аналитических систем является модульное построение, стремление к простоте обслуживания и совместимости выходных сигналов с серийными вычислительными средствами. Отличаются системы количеством и составом контролируемых параметров (большинство рассчитано на измерение 6—10 показателей). Применяется также автоматический отбор пробы. Используется два способа расположения блока датчиков: непосредственно в водоеме или в специальном отсеке автоматической станции, куда проба подается из заданной точки водоема погруженным насосом. Более распространен второй способ.

СКБ аналитического приборостроения (ныне НПО “Аналитприбор”, Тбилиси) совместно с ЦКБ гидрометеорологического приборостроения (Обнинск) и Гидрохимическим институтом (Новочеркасск) разработана автоматическая станция контроля поверхности вод — АСКПВ. Станция состоит из следующих функциональных частей: насосно-гидравлической части; измерительной части; электронно-преобразующей части; аппаратуры передачи данных; системы обеспечения питанием.

Таблица 1.9 — Основные показатели работы автоматических станций контроля качества воды и очищенных сточных вод

Примечание. Здесь и в табл. 1.10 в скобках указана погрешность измерений.

В настоящее время промышленностью выпускается модификация анализатора — АМА-201М, отличающегося от АМА-201 более совершенной структурой, улучшенной элементной и конструктивной базой, включением в его состав видеотерминального устройства. Благодаря этому повысилась технологичность станции, улучшились ее технические и потребительские свойства. Количество контролируемых параметров увеличилось до 19 при возможности одновременного измерения 16 из них. Характеристика контролируемых параметров, диапазоны и погрешности измерения этих анализаторов приведены в табл. 1.10.

В Тбилисском НПО “Аналитприбор” создана автоматизированная система контроля состава сточных вод предприятий азотной промышленности АСК-СВ-202, внедренная на Одесском припортовом заводе. Система предназначена для повышения эффективности процессов очистки стоков и водоотведения в зоне расположения промышленных предприятий. По классу и функциональным возможностям система аналогична АНКОС-ВГ и АСКЗПВ-Г. В ее состав входят семь автоматических контрольно-измерительных станций на базе автоматических многоканальных анализаторов АМА-202, центральная станция обработки информации и аппаратура передачи данных. Центральная станция обработки информации состоит из управляющего вычислительного комплекса СМ-2М и комплекса обмена и выдачи информации, построенного на базе микро-ЭВМ “Электроника-60”. Связь между центральной станцией обработки информации и автоматической станцией контроля осуществляется АПД 600/1200 с использованием коммутируемых телефонных линий связи.

Система позволяет контролировать до 20 створов водного объекта. Анализаторами АМА-202 измеряется до 12 физико-химических параметров. Система имеет развитое информационное, программное и математическое обеспечение, позволяющее реализовывать в ней следующие задачи: управление процессом измерения параметров загрязнения; регистрация и выдача информации об уровне загрязнения в центральную станцию обработки информации; управление данными, контроль и анализ работы технических средств автоматических контрольно-измерительных станций; калибровка измерительных каналов анализатора; передача и ввод данных от автоматических контрольно-измерительных станций; управление заданием режимов работы автоматических контрольно-измерительных станций; выдача информации потребителям по соответствующим формам; управление сбором информации от автоматических контрольно-измерительных станций и оценка состояния водного объекта; выделение трен-

Таблица 1.10 — Характеристика контролируемых параметров, диапазоны и погрешности измерения анализаторов

дов временных рядов; краткосрочное прогнозирование загрязнения; выявление тенденций изменения уровня загрязнения; вычисление авто- и взаимокорреляционных функций временных рядов; анализ измеренных значений на “выброс”; вычисление шага дискретной работы автоанализатора; контроль качества воды в контролируемый момент времени; вычисление вероятности достоверности принятого решения; оценка состояния воды по прогнозному значению; поиск источников загрязнения.

Разрабатываемые гидрофизические и экологические ИИС в соответствии с задачами исследований комплектуются требуемыми измерительными каналами, модулями, вычислительными средствами и программным обеспечением, обеспечивающими измерение, обработку, коррекцию и регистрацию данных требуемых полей. Обобщенная структурная схема ИИС для регистрации параметров водных сред в гидрофизических и экологических исследованиях приведена на рис. 1.2.

Она состоит из забортного (погружного) устройства, включающего в себя первичные измерительные преобразователи для измерения характеристик и параметров исследуемых полей с соответствующими измерительными каналами (согласующие устройства и усилители), устройство сбора и преобразования информации (УС и ПР), состоящие из мультиплексора аналоговых сигналов и АЦП (или многоканального АЦП), устройства управления (УУ), приемо-передатчика (Пр/Пер), канала связи, представляющего собой, например, кабель-троссовую или волоконно-оптическую линию связи и бортового устройства, в состав которого входят приемо-передатчик, устройство сопряжения (интерфейс) (УС), периферийного процессора обмена данными, ПЭВМ со специальным программным обеспечением, выполняющей функции сервера локальной сети, на которой создается и ведется база данных эксперимента, с требуемым набором периферийных устройств, имеющих статус общесистемных, — сетевой принтер, сетевой плоттер, блок устройств экспресс-обработки и отображения

Рисунок 1.2 — Обобщенная структурная схема ИИС

данных и др. В состав сети также входит ряд ПЭВМ с прикладным проблемно-ориентированным программным обеспечением, позволяющим повысить эффективность работы специалистов — гидрофизиков, гидрохимиков-экологов, гидробиологов-экологов и др. Сюда же входит ПЭВМ руководства экспедицией, на которой решаются задачи оперативного планирования и эффективного управления ходом научных исследований.

Информация об измеренных значениях физических параметров после преобразования в электрические сигналы, усиления, преобразования в цифровую форму для повышения помехоустойчивости через передатчик цифровой информации в последовательном двоичном коде поступает через одножильную или волоконно-оптическую линию связи в бортовое устройство на приемник. В нем она накапливается, идентифицируется, преобразуется в параллельный код и через соответствующий интерфейс поступает в ЭВМ, где масштабируется в соответствии с заданными градуировочными характеристиками для преобразования электрических сигналов в физические величины, предварительно обрабатывается, отображается на видеотерминале оператору, запоминаются, документируется, а также регистрируется аналоговыми регистраторами и графопостроителями. Устройство управления синхронизирует работу цифровых блоков забортного устройства. Возможно управление забортным устройством от ЭВМ путем изменения частоты опроса устройства сбора и преобразования информации (АЦП), выбора требуемого набора измерительных каналов и выработки управляющих и корректирующих воздействий.

Специальное программное обеспечение кроме общепринятых задач, связанных с обработкой результатов исследований и управления экспериментом, должно обеспечивать коррекцию результатов для повышения точности измерений, базирующуюся на современных структурно-алгоритмических и системотехнических методах повышения точности. При этом особое внимание уделяется уменьшению динамических погрешностей измерений, которые являются доминирующими при гидрофизических исследованиях полей зондирующими и буксируемыми приборами и системами. Описанная обобщенная структурная схема ИИС для гидрофизического и экологического мониторинга является гипотетической, включающей последние достижения отечественных и зарубежных приборов и систем.