<<
>>

2.3.1. Погружные измерители основных гидрофизикохимических показателей.

Погружные измерители в составе СПК должны обеспечивать непрерывное автоматическое измерение в реальном масштабе времени физикохимических параметров водной среды.

По результатам многолетней отработки различных типов погружных датчиков в лабораторных и натурных условиях, выполненных при непосредственном участии автора, исходя из перечня основных, необходимых при экологическом контроле показателей (см.

гл. 1, табл. 11), и требования надежного функционирования в автономном режиме, состав датчиков, предлагаемых для включения в СПК, ограничен следующими показателями: удельная электрическая проводимость, температура,

водородный показатель pH, окислительно-восстановительный потенциал Eh,

массовая концентрация растворенного кислорода, удельная радиоактивность (измеритель рассмотрен ниже). Контролируется и глубина, на которой измеряются указанные показатели.

В структуре СПК многопараметрическая система измерения гидрофизикохимических показателей рассматривается как совокупность отдельных измерительных каналов. Каждый канал включает в себя датчик, электронный блок, шестнадцатиразрядный аналого-цифровой преобразователь, линию передачи цифрового кода, использующую стандартный интерфейс, включающий адаптер интерфейса RS-485, конвертер интерфейса RS-485/232 и ПВМ, на виртуальной панели которой после обработки сигнала по соответствующему алгоритму индентифицируется значение измеряемого параметра. Такая схема построения обеспечивает необходимые точность измерения и быстродействие измерительных каналов.

Рассмотрим принципы работы измерительных каналов, разработанных в процессе создания СПК,

Удельная электрическая проводимость (УЭП) - величина, обратная сопротивлению, определяется наличием в водной среде ионных составляющих. Чистая вода в результате собственной диссоциации имеет удельную электрическую проводимость при 250C, равную 0,005483 мСм/м.

Диапазон измерения УЭП для природных поверхностных вод (от пресных до соленых океанических) за счет присутствующих в них ионизированных растворенных веществ лежит в пределах от 0,005 до 6,5 См/м, что и определяет требование к датчику УЭП в составе СПК по диапазону измерений.

Метод измерения УЭП установлен стандартами ИСО 7888 [107].

'9

Метод предусматривает использование датчика проточного или погружного контактного типа с двумя или более электродами, либо датчика с электродами индукционного типа. Датчик проточного типа стандартом

ИСО 7888 рекомендован для измерения величин УЭП менее 0,001 См/м, т.е. для величин более низких, чем характерные для природных поверхностных вод.

Канал измерения удельной электрической проводимости (УЭП) построен на основе погружного контактного четырехэлектродного датчика, выполненного в виде осесимметричного цилиндрического тела. Центральный электрод в виде диска и корпус датчика являются токовыми электродами, а два кольца, расположенные между ними - потенциальными электродами. В качестве материала для электродов и корпуса датчика используется титановый сплав. Эпоксидный компаунд является диэлектриком между электродами.

Выбор между погружным контактным датчиком и индукционным бесконтактным был сделан в пользу первого варианта, т.к. в результате проведенных нами исследований было установлено, что данное построение канала УЭП позволяет при больших проводимостях (до 6,5 См/м) иметь погрешность измерения и чувствительность не хуже, чем при использовании индуктивных бесконтактных датчиков, а при малых проводимостях 0,005-0,2 См/м получать существенно лучшие характеристики.

Электронный блок канала УЭП обеспечивает питание датчика током переменного напряжения с частотой 10 кГц и выработку аналогового сигнала, пропорционального параметру УЭП среды.

Высокая точность и стабильность измерений канала УЭП достигаются благодаря использованию в электронном блоке системы автоматического регулирования с астатизмом первого порядка для поддержания стабильного напряжения между потенциальными электродами, при этом ток, протекающий между токовыми электродами, пропорционален параметру УЭП жидкости и не зависит от степени загрязнения самих токовых электродов.

Высокое входное сопротивление усилителя, подключенного к потенциальным электродам, исключает появление электрохимических

потенциалов, связанных с протеканием тока через потенциальные электроды на вход усилителя.

Для обеспечения измерения параметра УЭП в характерном для поверхностных вод диапазоне 0,005-6,5 См/м необходима разбивка диапазона на два поддиапазона. Переключение электронного блока УЭП с одного поддиапазона на другой осуществляется автоматически.

Температурная компенсация при измерении УЭП осуществляется в соответствии с рекомендациями стандарта ИСО 7888 с точностью измерения температуры ±0,1 °С.

Температура является одним из важнейших гидрофизических показателей, который не только определяет возможность и скорость протекания тех или иных гидрофизикохимических процессов в акваториях, но и является фактором, который надо учитывать при измерениях УЭП, массовой концентрации растворенного кислорода, водородного показателя и т.д. При этом точность измерения температуры должна быть не хуже ±0,loC в диапазоне температур, характерном для природных поверхностных вод в различное время года, т.е. в диапазоне от 0 до плюс 35 °С.

В составе СПК канал измерения температуры (Т) построен с использованием проволочного датчика температуры, который представляет собой медный микропровод, расположенный между титановыми цилиндрами, обеспечивающими его герметизацию и защиту от механических повреждений.

Требуемая точность измерений обеспечивается стабильностью электрического сопротивления медного микропровода во времени и специальной технологией изготовления, позволяющей существенно снизить зависимость выходного сигнала от гидростатического давления (тензоэффект).

Электронный блок обеспечивает питание датчика и усиление сигнала, пропорционального значению температуры окружающей среды.

Необходимое быстродействие канала обеспечивается конструкцией чувствительного элемента (постоянная времени 0,05 с) за счет использования минимальной толщины стенок изолирующих титановых цилиндров (100 мкм), медного микропровода диаметром 20 мкм, а также использованием специальной технологии изготовления чувствительного элемента.

Водородный показатель pH характеризует концентрацию ионов водорода в среде и имеет большое значение при оценке качества природных вод, т.к. определяет кислую или щелочную реакцию водной среды. Для химически чистой воды при температуре 22 °С pH=7,0. При величинах рН7 — щелочная. На величину pH природных поверхностных вод влияют температура, давление, соленость, наличие химических примесей. С учетом приведенных факторов диапазон измерения pH для измерителей в составе СПК должен быть установлен в пределах от 2 до 12 ед. pH с точностью ±0,1 ед. pH.

При измерениях водородного показателя следует учитывать, что повышение температуры увеличивает концентрацию ионов Н+ или уменьшает pH, что обуславливает необходимость введения температурной поправки.

Давление воды на глубинах уменьшает pH вследствие увеличения константы диссоциации воды и угольной кислоты. Изменения pH хорошо коррелируют с изменениями содержания двуокиси углерода (обратно пропорционально) и кислорода (прямо пропорционально), При измерениях в морской среде наблюдаются сезонные колебания величин pH в верхнем слое толщиной несколько десятков метров. Наибольшие величины pH бывают весной или летом (время наибольшего развития водорослей), наименьшие - ЗИМОЙ.

Методы измерения водородного показателя установлены стандартом ИСО 10523. Эти методы делятся на два класса - колориметрические (индикаторные с использованием цветовой шкалы) и электрометрические.

Точность колориметрических методов, основанных на подборе индикаторов и сравнении цвета анализируемой пробы с цветом эталонных растворов, ограничена, при этом необходимо вводить солевые и температурные поправки. И основное - этот метод предназначен для контроля отобранных дискретных проб и его трудно автоматизировать.

Электрометрические (потенциометрические) методы определения pH основаны на измерении ЭДС электрохимической ячейки, состоящей из пробы (объема) воды, стеклянного электрода и электрода сравнения.

Потенциометрические методы могут быть при разработке соответствующей конструкции датчика использованы in situ, а процесс измерения может быть автоматизирован.

Сравнение особенностей двух рекомендованных стандартом методов обеспечивает безусловный выбор в пользу электрометрического (потенциометрического) метода при разработке конструкции канала измерения водородного показателя для использования в составе СПК,

Такая конструкция канала измерения водородного показателя разработана нами в ходе создания СПК и используется в их составе.

Канал измерения водородного показателя в составе СПК базируется на потенциометрическом методе с использованием измерительной ячейки, состоящей из индикаторного твердоконтактного стеклянного электрода и электрода сравнения.

В качестве электрода сравнения используется хлорсеребряный электрод, погруженный в насыщенный раствор КС1. Необходимость работы преобразователя в условиях вибраций и в различных пространственных положениях потребовала создания специальной конструкции электрода сравнения, в которой использован принцип "двойного соединения". Внутренний объем с хлорсеребряным электродом, погруженным в насыщенный раствор КС1, через стеклянный капилляр соединяется с объемом, заполненным кристаллическим КС1, который в свою очередь

отделен от анализируемой среды избирательно проницаемой для воды силиконовой мембраной с микрооотверстием. Вода, проникая внутрь, растворяет кристаллической КС1. Создающийся подпор поддерживает непрерывное истечение раствора, что обеспечивает стационарное состояние диффузии и постоянство диффузионного потенциала. Запас кристаллического КС1 обеспечивает непрерывную работу электрода в течение не менее 100 сут.

Индикаторный и электрод сравнения имеют большое выходное сопротивление. Для согласования выходного сопротивления электродов с входным сопротивлением аналогоцифрового преобразователя внутри электродов расположены согласующие усилители с большим входным сопротивлением.

В структуре измерительной части канала учитывается необходимость введения поправки на температуру контролируемой среды. Для введения расчетной поправки используются показания датчика температуры.

Окислительно-восстановительный потенциал Eh водной среды определяется наличием ионов разной валентности и нейтральных молекул одного и того же элемента (например, Fe+3 и Fe+2), совокупность которых образует отдельную окислительно-восстановительную систему. Наличие подобных систем для разных химических элементов в водной среде приводит к появлению определенного окислительно-восстановительного состояния водной среды, измеряемого в вольтах. В природных водах Eh, может изменяться от —700 мВ до +1200 мВ и зависит от концентрации окислителей, восстановителей, температуры и pH среды. Измерение Eh осуществляется относительно принятой за стандартную окислительно- восстановительную реакцию перехода молекулярного водорода в ионное состояние H2 - 2e m in WM" Я.-. .. ,

КсЯВ-— - ■ ⅜-π⅞.-8---------- 1. Wr⅛⅛⅞⅜n¾l

Рис. 2.3. Структурная схема системы измерения ГФХП

<< | >>
Источник: Гуральник Дмитрии Леонтьевич. Создание и Внедрение В практику экологического контроля и мониторинга судовых природоохранных комплексов [Электронный ресурс]: Дис. ... д-ра техн. наук : 03.00.16, 05.11.13 .-М.: РГБ, 2005. 2005

Скачать оригинал источника

Еще по теме 2.3.1. Погружные измерители основных гидрофизикохимических показателей.:

  1. Глава 7. Бронхиальная астма
  2. Глава 11. Анафилактические реакции
  3. Глава 13. Лекарственная аллергия
  4. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
  5. ЛЕЧЕБНО-ПРОФИЛАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА КОЖНО-ВЕНЕРОЛОГИЧЕСКОГО ДИСПАНСЕРА
  6. 3.5.3. ОЦЕНКА И ПРОГНОЗ СТРАТЕГИЧЕСКИХ РИСКОВ СОВРЕМЕННОЙ РОССИИ
  7. V. Организация оказания хирургической и травматологической помощи пострадавшим
  8. Глава 3. Изучение динамики основных демографических показателей в РФ и Москве
  9. Основные макроэкономические показатели.
  10. Оглавление
- Акушерство и гинекология - Анатомия - Андрология - Биология - Болезни уха, горла и носа - Валеология - Ветеринария - Внутренние болезни - Военно-полевая медицина - Восстановительная медицина - Гастроэнтерология и гепатология - Гематология - Геронтология, гериатрия - Гигиена и санэпидконтроль - Дерматология - Диетология - Здравоохранение - Иммунология и аллергология - Интенсивная терапия, анестезиология и реанимация - Инфекционные заболевания - Информационные технологии в медицине - История медицины - Кардиология - Клинические методы диагностики - Кожные и венерические болезни - Комплементарная медицина - Лучевая диагностика, лучевая терапия - Маммология - Медицина катастроф - Медицинская паразитология - Медицинская этика - Медицинские приборы - Медицинское право - Наследственные болезни - Неврология и нейрохирургия - Нефрология - Онкология - Организация системы здравоохранения - Оториноларингология - Офтальмология - Патофизиология - Педиатрия - Приборы медицинского назначения - Психиатрия - Психология - Пульмонология - Стоматология - Судебная медицина - Токсикология - Травматология - Фармакология и фармацевтика - Физиология - Фтизиатрия - Хирургия - Эмбриология и гистология - Эпидемиология -