Введение к работе
Актуальность темы. Экологический мониторинг поверхностных пресных вод является важнейшей частью системы контроля состояния окружающей среды. В настоящее время оценка показателей качества воды производится в специализированных лабораториях с применением методов химического анализа, спектрофотометрии и хроматографии. Значительные временные затраты на проведение лабораторных исследований не позволяют непрерывно отслеживать динамику состава проб пресноводных сред и оперативно реагировать на внезапные изменения экологических показателей водоёма, связанные с выбросами промышленных и сельскохозяйственных отходов, а относительно высокая стоимость лабораторного оборудования не позволяет организовывать повсеместный контроль водоёмов.
Вместе с тем, внезапное появление в водной среде многих загрязняющих веществ и их комбинаций можно зафиксировать по изменению макроскопических физических показателей среды, таких как диэлектрическая проницаемость, удельная проводимость, оптическая плотность, спектральные характеристики и т.д. Из известных методов физического контроля диэлькометрия наиболее чувствительна к экологическим патологиям, поскольку диэлектрические характеристики определяются не только составом, но и структурой водных систем.
Вопросам, связанным с измерением диэлектрической проницаемости и удельной проводимости посвящены многочисленные исследования от классических работ по теории диэлектриков Дебая, Сканави, Фрелиха до современных трудов Ермакова, Подгорного, Подкина, Потапова, Челидзе, Ханаи и других исследователей. Поскольку непосредственное измерение диэлектрических характеристик невозможно, в диэлькометрии эти величины выражают через параметры электрического эквивалента -параллельно соединенных емкости и проводимости (С&двухполюсник).
Диэлькометрический метод позволяет осуществлять экспресс-контроль электрофизических параметров различных веществ, включая водные системы и с этой точки зрения перспективен для интегрального мониторинга пресноводных сред. Однако большинство известных диэлькометрических средств измерений, ориентируется в основном на однопараметровое преобразование и поэтому далеко не полностью использует информационный потенциал метода.
Второй недостаток известных диэлькометрических средств состоит в ограниченном диапазоне удельных проводимостей контролируемых сред. Недоступны для оперативного контроля диссипативные среды, т.е. природные и искусственные водоёмы с повышенными диэлектрическими
потерями контролируемой среды, в частности минерализированные, газо- и бионасыщенные воды.
Эти недостатки в основном связаны с несоответствием технических и, следовательно, информационных характеристик современных диэлькометрических средств задачам экологического мониторинга водных сред. Номенклатура известных средств диэлькометрического спектрального анализа в широкой полосе частот весьма ограничена, а стоимость таких приборов зачастую превышает стоимость многофункционального комплекса приборов для лабораторных исследований.
Таким образом, научные разработки по созданию диэлькометрических измерительных преобразователей, обеспечивающих обнаружение внезапных изменений экологических показателей пресноводных сред, с возможностью оценки уровня и вида загрязнения за счет увеличения чувствительности к действительной составляющей комплексной диэлектрической проницаемости и расширения полосы рабочих частот, весьма актуальны.
Исследования выполнены в соответствии с планом обучения в аспирантуре по теме «Разработка информационно-измерительной системы диэлькометрического контроля диссипативных сред» в течение 3-х лет с 2005 г. по 2008 г., а также планом работы кафедры КиПР СПИ ИжГТУ по научному направлению «Исследование и разработка методов и средств дистанционного контроля и управления технологическими системами» с 2005 по 2009 г.
Объектом исследования являются измерительные преобразователи диэлькометрических систем контроля.
Предметом исследования являются математические модели двухпараметрового измерительного преобразования диэлектрических характеристик диссипативных сред, способы и алгоритмы независимого измерения составляющих комплексной диэлектрической проницаемости диссипативных сред, возможность оценки вида и уровня экологического загрязнения.
Цель работы - научное обоснование технических и методических решений при разработке диэлькометрических измерительных преобразователей для систем интегрального экологического мониторинга пресноводных сред с возможностью оценки уровня и вида загрязнения.
Задачи исследования:
1 Выработка критериев применимости диэлькометрических средств к системам экологического мониторинга водных сред, сравнение известных методов и средств измерения составляющих комплексной проводимости
(адмитанса) С&двухполюсников по этим критериям и определение путей их адаптации к диэлькометрии водных сред.
Разработка и исследование математической модели двухпараметрового измерительного преобразования диэлектрических характеристик диссипативных сред.
Разработка на основе адаптированных методов измерения составляющих адмитанса С&двухполюсников диэлькометрических измерительных преобразователей с повышенной чувствительностью к отклонениям диэлектрических характеристик контролируемых объектов от равновесных значений.
Разработка конструкции емкостного первичного измерительного преобразователя, пригодного к диэлькометрии водных сред.
Разработка методики выявления экологических патологий.
Экспериментальные исследования созданных диэлькометрических измерительных преобразователей, диэлектрических характеристик чистых и загрязненных водных сред, изучение возможности оценки уровня и вида экологического загрязнения.
Методы исследований. В работе использовались: методы физики диэлектриков и электрохимии растворов для классификации видов экологических патологий; методы математического моделирования эквивалентных С&двухполюсников и измерительных преобразователей для теоретического описания процесса измерительного преобразования; методы конструкторского проектирования средств диэлькометрического контроля для создания макетов измерительных преобразователей; методы математической статистики для определения действительных метрологических характеристик разработанных средств измерений; экспериментальные исследования созданных измерительных преобразователей.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждена применением научно обоснованных методов получения и обработки измерительной информации; данными натурных испытаний; использованием поверенных измерительных средств, сходимости расчетных и экспериментальных данных, применением градуировочных жидкостей с известными диэлектрическими свойствами.
На защиту выносятся:
способ оценки инвариантности ортогональных каналов при формировании диэлькометрической информации с использованием функции разрешения по составляющим эквивалентного адмитанса;
широкополосный измерительный преобразователь параметров С&двухполюсников с линейными функциями преобразования за счет параметрической модуляции элементов измерительных цепей;
релаксационный измерительный преобразователь параметров CG-двухполюсников, с каналами измерения составляющих эквивалентного адмитанса;
резонансный фазокомпенсационный измерительный преобразователь параметров диссипативных CG-двухполюсников с повышенной разрешающей способностью за счет переноса спектра информативного сигнала в низкочастотную область;
конструктивное решение первичного измерительного преобразователя со встроенным термопреобразователем для исследования и экологического мониторинга водных сред;
результаты экспериментальных исследований диэлектрических характеристик чистых и загрязненных водных сред.
Научная новизна результатов диссертационного исследования заключается в следующем:
развита теория формирования диэлькометрической измерительной информации с использованием для оценки инвариантности ортогональных каналов функции разрешения по составляющим адмитанса CG-двухполюсников;
предложено новое техническое решение широкополосного измерительного преобразователя параметров CG-двухполюсников, позволяющее снизить погрешность получения диэлектрических спектров водных систем в широкой полосе частот;
предложено новое техническое решение релаксационного измерительного преобразователя параметров CG-двухполюсников, обеспечивающее ввод дополнительных каналов измерения составляющих эквивалентного адмитанса;
предложено новое техническое решение резонансного фазоком-пенсационного измерительного преобразователя параметров CG-двухполюсников, позволившее расширить область применения диэлько-метров на диссипативные водные среды;
проведено экспериментальное исследование диэлектрических характеристик водных систем, подтвердившее возможность оценки вида и уровня некоторых экологических патологий.
Практическая полезность работы. Развитые в диссертации положения теории формирования диэлькометрической измерительной информации и выявленная корреляция диэлектрических свойств и некоторых экологических патологий водных систем позволяют создавать диэлькометрические измерительные преобразователи для систем интегрального экологического мониторинга пресноводных сред, обеспечивающих фиксацию внезапных отклонений диэлектрических
характеристик от равновесных значений с оценкой уровня и идентификацией некоторых видов загрязнений.
Введение функции разрешения по составляющим комплексной диэлектрической проницаемости для оценки инвариантности ортогональных каналов измерительного преобразования облегчает анализ потенциальной информативности диэлькометрических измерительных преобразователей и адаптацию методов и средств измерений к прикладным задачам.
Предложенные в работе новые технические решения измерительных преобразователей параметров CG-двухполюсников могут быть использованы при создании:
компьютеризированных спектроанализаторов диэлектрических сред в полосе рабочих частот 102... 107 Гц;
релаксационных приборов экспресс-анализа состава и свойств неполярных диэлектриков;
резонансных фазокомпенсационных диэлькометров диссипатив-ных сред;
первичных измерительных преобразователей со встроенным термопреобразователем для контроля диссипативных жидких сред.
Результаты экспериментальных исследований загрязненных водных сред удовлетворительно согласуются с известными сведениями об их диэлектрических свойствах и могут служить основой для формирования базы данных по диэлектрическим свойствам экологических патологий пресноводных систем.
Результаты диссертации используются при изучении дисциплины «Материаловедение».
Реализация результатов работы. Результаты работы в виде макетов измерительных преобразователей позволили провести комплексные экспериментальные исследования ряда чистых и загрязненных водных систем, внедрены в учебный процесс и используются при проведении научно-исследовательской и учебно-исследовательской работы на кафедре КиПР СПИ ИжГТУ.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на конференциях: IV электронная заочная конференция с международным участием «Молодежь, студенчество и наука XXI века», Ижевск, 2004г.; VIII международная научно-практическая конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики», Москва, 2005г.; Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций», Самара, 2006г.; VIII международная научно-практическая конференция «Фундаментальные и
прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики», Москва, 2006г.; «Приборостроение в XXI веке», Ижевск, 2007г.; «Теория управления и математическое моделирование», Ижевск. 2008г.; «Информационные системы в промышленности и образовании», Ижевск, 2008г.; «Информационное обеспечение инновационных технологий», Сарапул, 2008 г.; «Электронные устройства и системы», Уфа, 2008.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 15 научных публикациях, в том числе 3 статьях в изданиях, рекомендуемых ВАК, и 2 патентах на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит введение, 4 главы и заключение на 184 страницах машинописного текста. В работу включены 78 рисунка, 17 таблиц, список литературы из 160 наименований.
