Приборы и оборудование по охране окружающей среды

Введение 

     Информация  о состоянии окружающей природной  среды, об изменениях этого состояния  давно используется человеком для  планирования своей деятельности. Уже  более 100 лет наблюдения за изменением погоды, климатом ведутся регулярно  в цивилизованном мире. Это всем нам знакомые метеорологические, фенологические, сейсмологические и некоторые другие виды наблюдений и измерений состояния  окружающей среды. Теперь уже никого не надо убеждать, что за состоянием природной среды надо постоянно  наблюдать. Все шире становится круг наблюдений, число измеряемых параметров, все гуще сеть наблюдательных станций. Все большей сложностью обладают проблемы, связанные с мониторингом окружающей среды.

     Целью работы является ознакомление с общими принципами работы приборов по контролю окружающей среды, их описание и применение.

 

     Нефелометр 

     Нефелометр - прибор для количественного химического  анализа мутных сред, основанный на измерении интенсивности света  рассеянного взвешенными частицами  среды.

     Области применения: обработка питьевой воды, обработка сточных вод, пищевая  промышленность, нефтехимическая промышленность.

      Еще одно, более полное определение  нефелометра - (от греч. nephele - облако и ...метр) - оптический прибор для измерения степени мутности жидкостей и газов по интенсивности рассеяния ими света. Действие нефелометра основано на сопоставлении интенсивности света, рассеянного средой, с интенсивностью рассеяния эталона (мутное стекло и др.). Нефелометры бывают визуальные и фотоэлектрические. Используются при исследовании дисперсных систем. Несколько иное, распространенное название нефелометра – мутномер. В нефелометрах для определения мутности используется принцип светорассеяния, определяемого под углом 90° к источнику. Поскольку в конструкции большинства современных анализаторов мутности применяются детекторы как на проходящее, так и на рассеянное под различными углами к источнику излучение.

     Полученные данные дают информацию не о мутности как таковой, а о содержании взвешенных веществ, которые эту мутность обеспечивают. Природа анализируемых взвешенных частиц, их размер и концентрации являются определяющими в выборе соответствующих условий, а значит и единиц измерения. Результаты измерений зависят от условий их проведения, природы образца и конструкции прибора.

     Рассмотрим  данный прибор на примере конкретной модели «Нефелометр (мутномер) HI 98703».

     HI 98703 - портативный микропроцессорный  нефелометр (мутномер), обеспечивающий лабораторную точность измерений и в полевых условиях. Новый прибор фирмы HANNA оснащен современной оптической системой и вольфрамовым источником света, которые обеспечивают надежное и безошибочное измерение мутности. Для большей точности измерительный диапазон разбит на три поддиапазона: от 0.00 до 9.99 NTU с разрешением 0.01 NTU, от 10.0 до 99.9 NTU с разрешением 0.1 NTU и от 100 до 1000 NTU с разрешением 1 NTU.

      Фотодиодный источник излучения: в  отличие от других турбидиметров источником излучения в этой модели является инфракрасный фотодиод, имеющий длительный срок службы и обеспечивающий постоянную интенсивность излучения в течении всего срока. Данная модель оснащена новой системой TIS (Tag Identification System), которая позволяет пользователю сохранять время и координаты проведенного измерения.

     Простота: прибор предельно прост в эксплуатации. Все сообщения о неисправностях отражаются в виде кодов ошибок на дисплее. Также на дисплее отображается уровень заряда батареи, а при  низком уровне заряда батареи - на дисплее  появляется сообщение об этом. Подсветка  дисплея позволяет легко видеть время и измеряемые данные.

     

     Хранение  калибровочных данных: модель автоматически  сохраняет данные последней калибровки. Также прибор снабжен памятью  на 200 измерений и имеет возможность  калибровки по трем точкам (0, 10 и 500 NTU). HI 98703 дополнительно снабжен интерфейсом USB 1.1 и RS232.

     Нефелометры встречаются так же несколько  в и ной области применение, нежели мутномеры. Рассмотрим на примере конкретной моедли Осредняющий нефелометр модели 3563.

     Высокочувствительный  трехволновый осредняющий нефелометр со шторкой обратного рассеяния предназначен для коротких и длительных измерений коэффициентов рассеяния атмосферных и лабораторных аэрозолей.

     Нефелометр  особенно полезен при изучении климатических  явлений, прозрачности среды и качества воздуха.

     Прибор  имеет следующие особенности:

     - Чувствительность по отношению  к коэффициенту рассеяния света  - до 2,0 × 10-7  на метр (при усреднении 60 сек) 

     - Высокое разряжение, что обеспечивает  точные измерения даже в том  случае, если проба значительно  отличается от того воздуха,  в атмосфере которого установлен  прибор;

     • Учет фонового Рэлеевского рассеяния в воздухе в реальном времени по сравнению с сигналом полного рассеяния путем контроля температуры и давления пробы

     • Компенсация в реальном времени  темнового тока ФЭУ и источника света с использованием ротационного референтного переключателя;

     • Измерение полного (от 7 до 170 градусов) и обратного (от 90 до 170 градусов) сигнала  рассеяния с использованием вращающейся  шторки обратного рассеяния для  блокирования освещенного объема пробы  в области 7 – 90 градусов

     • Одновременное детектирование по трем длинам волн

     Прочие  особенности:

      - встроенные сенсоры относительной  влажности и температуры

      - встроенный подогрев для исключения  конденсации из-за высокой влажности

      - минимальный подогрев пробы  для сохранения первоначальной  влажности пробы аэрозоля

      - встроенный микропроцессор для  сбора и обработки данных, управления  прибором и обмена данными  с внешним компьютером

      - разнообразные выходные сигналы  для подключения компьютеров  и регистраторов данных

      - автоматическая фильтрация для  продувки чистым воздухом для  установки нуля

      - минимальные потери аэрозоля  при прохождении через систему

      - регулируемое время усреднения (от 1 до 4096 сек)

      - встроенные часы с батареей

 

       Применение:

     Интегрирующий нефелометр разработан специально для  изучения воздействия на климат Земли  потоков аэрозольных частиц, а  также для изучения приземной и высотной визуальной чистоты воздуха в незагрязненных районах. Прибор также может быть использован как детектор частиц для изучения интересующих параметров, таких, как коэффициент рассеяния света после подготовки пробы, включая ее подогрев, увлажнение, разделение по размерам.

     Коэффициент рассеяния – характеристика аэрозоля, которая часто изменяется. Интегрирующий  нефелометр измеряет угловое интегральное рассеяние света, которое определяется величиной коэффициента рассеяния, используемой в законе Ламберта-Бэра для вычисления суммарной экстинкции. 

     Принцип работы:

     Модель 3563 имеет 3 рабочих длины волны  и контролирует обратное рассеяние. В процессе работы небольшая турбинная  воздуходувка всасывает аэрозоль через  входной порт большого диаметра в  измерительную ячейку. Там проба  освещается под углом 7 – 170 градусов галогеновым источником, свет от которого подается через оптическую линию и опаловый стеклянный диффузор. Пространство, занимаемое пробой, просматривается тремя ФЭУ через серию диафрагм, установленных по оси корпуса прибора. Рассеяние измеряется по отношению к темному фону, обеспечиваемому высокоэффективными ловушками света.

     Ловушки света, диафрагмы, светопоглощающие покрытия используются для минимизации сигнала рассеяния от стенок прибора.

     Рассеянный  аэрозолем свет разделяется на три  полосы с использованием широкополосных цветных фильтров, установленных  перед детектором ФЭУ. Постоянно  вращающийся референтный переключатель обеспечивает три режима детектирования сигнала.

     Первый  режим, описанный выше, представляет собой измерение сигнала рассеяния  аэрозоля, возникающего при открытии вращающейся задвижки. Во втором режиме весь свет блокируется, и измеряется темновой ток ФЭУ, который в дальнейшем вычитается из измеренного сигнала.

     В третьем режиме в поток света  устанавливается прозрачная шторка, которая позволяет измерить сигнал источника света. Таким образом, в приборе компенсируются изменения  в источнике света.

     В режиме обратного рассеяния, шторка обратного рассеяния вращается  перед источником света для блокирования света в диапазоне от 7 до 90 градусов.  Если эта часть света блокирована, только рассеянный в обратном направлении  свет попадает на детектор ФЭУ. Сигнал обратного рассеяния можно вычесть  из суммарного сигнала для вычисления прямого рассеяния. Если в его  измерении нет необходимости, шторка обратного рассеяния устанавливается  в позицию для измерения полного  рассеяния.

     Периодически  встроенный во входное устройство клапан активируется и перекрывает поступление  аэрозоля, пропуская пробу через  высокоэффективный фильтр. Таким  образом измеряется сигнал чистого воздуха для данной точки измерений. Этот сигнал вычитается из сигнала рассеяния аэрозоля наряду с темновым сигналом ФЭУ, для того чтобы получить чистый сигнал рассеяния аэрозоля. Параметры рассеяния света частицами для всех трех длин волн для суммарного рассеяния и обратного рассеяния усредняются и передаются на компьютер или регистратор данных для сохранения.

     Встроенный  подогреватель минимизирует возможность  конденсации, вызванной влажностью аэрозоля. При высокой влажности  находящиеся в атмосфере частицы, такие, как сульфаты и хлориды  натрия поглощают воду и могут  в связи с этим подвергнуться  фазовому переходу. В результате возможно изменение размеров частиц, формы  и индекса рефракции, что скажется на процессе измерений. Использование  прибора в лаборатории с кондиционированием воздуха часто приводит к тому, что относительная влажность пробы достигает уровня более 100 %. В этом случае нагреватель защищает от проблемы конденсации путем подогрева стенок пробоотборной ячейки для соответствия температуре воздуха на входе. При необходимости подогреватель может быть отключен.

     Закон Ламберта-Бэра

                                                            I/Io = e(-σx)

     где:

       Io – интенсивность источника света;

     I–  интенсивность света после прохождения  через воздух;

     X – толщина среды, через которую  проходит свет;

      Σ – коэффициент суммарной экстинкции (включает коэффициент рассеяния  и коэффициент поглощения)

       Нефелометр определяет коэффициент  рассеяния, из которого вычисляется  коэффициент экстинкции. Символ  b часто используется вместо σ для представления коэффициента суммарной экстинкции.

     Программное обеспечение

     В комплект поставки входит программное  обеспечение, которое обеспечивает выполнение необходимых процедур для  установки прибора, проверки его  статуса, начало и завершение процесса сбора данных, просмотр результатов. Программное обеспечение позволяет  вывести на дисплей отчет в  формате опроса, который удобен для  интерпретации. Данные также сохраняются  в отдельном файле.

 

     Технические характеристики:

     Тип источника света - галогеновая лампа;

     Тип детектора - фотоумножительная трубка;

     Длины волн - 450 (синий), 550 (зеленый), 700 (красный) нм;

     Полоса  пропускания (для каждой волны), не хуже - 40 нм;