книги / Методы и автоматизированные системы аналитического контроля технологических процессов и окружающей среды. Методы и автоматизированные системы промышленного аналитического экологиче

Окончание табл. 7

В состав АСК с низким энергопотреблением для решения задач экологического мониторинга водных объектов входят микропроцессорный блок, накопитель данных, программируемый таймер, адаптер последовательного интерфейса, аккумуляторный блок, блок аналогового ввода и блок датчиков. Входные цепи аналогового блока допускают подключение датчиков электропроводности, температуры и давления. Режим функционирования системы заключается в циклическом измерении заданного набора физических параметров. При отсутствии постоянного канала связи с ЭВМ верхнего уровня результаты измерений заносятся в накопитель данных. Наличие в составе системы последовательного интерфейса с соответствующим программным обеспечением позволяет оперативно программировать режим работы и передавать измерительную информацию в систему верхнего уровня.

С целью снижения общего энергопотребления в данной АСК применен ряд структурных, схемотехнических и программных мер:

– реализация узлов системы на КМОП-элементах;

151

–отключение питания наиболее потребляющих узлов системы (микропроцессорный блок и блок модулей аналогового ввода) в паузах между точками измерения;

–оптимизация входных цепей аналоговых модулей ввода

сучетом номенклатуры используемых датчиков;

–программная реализация части аппаратных функций.

Всистеме предусмотрена возможность отключения питания аналогового блока и микропроцессорного блока на время между циклами измерения, для этой цели в системе имеется программируемый таймер и электронный ключ. Периодичность цикловизмерения программируется в диапазоне от 0,5 с до 0,5 ч.

Возможны два варианта обеспечения питания АСК: кабельный и от аккумуляторных батарей. При батарейном питании связь с ЭВМ верхнего уровня обеспечивается модифицированным двухпроводным последовательным интерфейсом типа «20 мА Токовая петля». Предусмотрено также возможное подключение системы к персональной ЭВМ по стандартному интерфейсу RS-232C. В настоящее время реализован конкретный вариант данной АСК в виде гидрофизического зонда.

При контроле объектов окружающей среды, в частности при анализе вод, широкое применение находит проточноинжекционный анализ. По такому принципу работает АСК рН, электропроводности, остаточного хлора, аммония и нитритов

вводе. Система включает в себя три различных детектора (потенциометрический, кондуктометрический и фотометрический). Первые два детектора позволяют осуществлять непрерывный контроль величины рН и электропроводности анализируемой воды. Фотометрический детектор с диодной матрицей типа АР обеспечивает одновременный контроль пробы воды на различных длинах волн при определении концентрации остаточного хлора, ионов аммония и нитрит-ионов.

Всостав системы входят следующие приборы и устройства:

–спектрофотометр модели 8451А фирмы Hewlett-Packard

сдиодной матрицей, оснащенной накопителем на гибком диске

152

модели HP-9121, клавиатурой модели 9855А и графопостроителем типа НР-7470А;

–рН-метр модели 3500 фирмы Beckmam с проточной измерительной ячейкой «FIAtron 721», снабженной стекляннокаломельной электродной системой;

–кондуктометр фирмы Metrohm с проточной измерительной ячейкой. В ячейку вмонтированы платиновые электроды, расстояние между которыми может изменяться в диапазоне

0,5–6 мм;

–самописец PEC фирмы Radiometer;

–перистальтический насос «Minipuls» фирмы Gilson;

–инжекционные платы L-100-1 фирмы Tecator;

–два трехходовых клапана модели 5301 фирмы Rheodyne;

–8-канальный клапан 1103 фирмы Onmifit;

–устройство для распределения химических реактивов модели ТМ-11 фирмы Tecator.

Система работает в так называемом обратном режиме, так что исследуемая проба воды непрерывно циркулирует через систему. Потенциометрическая и кондуктометрическая ячейки расположены в исследуемом потоке до того места, где в пробу добавляется какой-либо реактив. Клапаны служат для переключения подачи в систему соответствующего реактива при фотометрическом анализе.

При определении содержания нитрит-ионов используются реагенты: сульфаниламид и N-(1-нафтил)-этилендиамин. Для анализа пробы на содержание в ней иона аммония требуется ввод реактива Несслера.

Определение концентрации ионов хлора выполняется различными методами в зависимости от наличия или отсутствия

ванализируемой среде нитрит-ионов. Если их нет, то через канал от клапана в систему поступает о-толуидин. При наличии нитрит-ионов используется нормальная конфигурация проточ- но-инжекционной системы путем переключения соответствующих клапанов, которые обеспечивают подачу раствора метилоранжа. Длина реактора, расположенного перед фотометриче-

153

ским детектором, варьируется с помощью клапана, так как для проведения колориметрической реакции при определении концентрации ионов аммония и хлора (с о-толуидином) она должна быть в 10 раз больше, чем при определении концентрации ионов хлора (с метилоранжем) и нитрит-ионов.

Предложенный метод проточно-инжекционного анализа воды по перечисленным параметрам превосходит существующие стандартные методы их определения по скорости, простоте, точности и экономичности использования реагентов.

Метод был опробован при анализе искусственных водных растворов, имитирующих состав питьевой воды, нехлорированной воды, сточных вод различного происхождения, и применен для непрерывного контроля состава городских сточных вод. Перспективно использование таких АСК для контроля качества входных и выходных потоков от установок очистки воды.

Для измерения ультрамикроконцентраций (на уровне микрограмм на килограмм и нанограмм на килограмм) органических компонентов в воде могут быть применены серийные хроматографические системы при условии организации специальной пробоподготовки анализируемой среды.

В качестве передвижной станции контроля параметров вод может быть использован отечественный прибор типа АЦИТ, который предназначен для измерения и регистрации направления и скорости течения, температуры, давления и электропроводности воды. Станция применяется в автономном режиме и в режиме зондирования с заякоренных судов, оснований и со льда, а также в составе автоматических дрейфующих станций в морях, океанах, озерах и водохранилищах на глубине до 6000 м. В автономном режиме измеритель подвешивается на тросе буйковых станций на определенной глубине.

Автономный цифровой измеритель типа АЦИТ имеет следующие технические характеристики:

1) пределы измерений: скорости течения 0,1…2 м/с, температуры –2...+36 °С, электропроводности воды 0...6 См/м, давления 0...60 МПа, угла наклона (0 ±30)°, направления ± 10°;

154

2)погрешность измерения: температуры ±0,07 ° С, скорости течения ±(0,03…0,05) υ (υ – скорость течения); электропроводности воды ±4 % от верхнего предела, давления ± 1 % от верхнего предела измерения, угла наклона 5°;

3)цикличность измерения 5, 15, 30 и 60 мин, питание от батареи постоянного тока напряжением 9 В;

4)габаритные размеры 260×1050 мм;

5)масса измерителя 30 кг;

6)срок автономной работы до 6 месяцев.

Вкачестве датчика температуры используется платиновый термопреобразователь сопротивления; датчик электропроводности двухконтурный индуктивного типа; датчик скорости течения двухкомпонентный вертушечного типа; датчик давления выполнен в виде манометрической пружины Бурдона с индуктивным преобразователем перемещения. Датчиком направления течения является электролитический магнитный комплекс. Кроме того, имеется электролитический датчик измерения угла отклонения прибора от вертикальной оси.

Вкачестве примера стационарных станций рассмотрим стационарные станции измерения параметров качества воды фирмы MediUm – SENSOR (Германия).

Оборудование станции зависит от поставленной цели

иобъекта измерения. Станции служат для измерения параметров питьевой воды, проточных вод, стоячих вод, сточных вод после очистных сооружений: мутности, окислительновосстановительного потенциала, содержания фенолов, нитритов, нитратов, общего органического углерода ТОС, химического и биологического потребления кислорода (CSB и BSB), содержания аммония, цианидов, фосфатов, содержания нефтепродуктов

идругих параметров.

Станции для измерения параметров воды фирмы MediUm – SENSOR состоят из помещения для измерительных приборов, помещения для компьютерной техники (с системой кондиционирования), системы забора проб.

155

Прибор для обнаружения масляной (нефтяной) пленки действует в автоматическом режиме, устанавливается вне станции, данные передаются к общему накопителю информации.

Данные станции измеряют параметры воды в следующих

Для анализа состава воды могут быть использованы хроматографические системы; в частности, фирмой Dionex (США) разработана серия 8100 онлайн-системных анализаторов сточных вод. Система дает в реальном времени информацию об уровне тяжелых металлов (Fe, Сu, Zn, Со, Сr, Рb), анионов (фторидов, хлоридов, фосфатов, нитратов, сульфатов) и других ионов, находящихся в сточных водах. При этом обеспечивается контроль за отклонением данных, сигнализация при экстремальных условиях, связь с центральным или другим компьютером через интерфейс RS-232.

156

Заслуживают внимания разработки некоторых зарубежных фирм, в частности монитор качества воды типа AQUAMER (Польша). Его аналитические приборы позволяют определять: значение рН; редокс-потенциал; электрическую проводимость; растворенный кислород; температуру; содержание хлоридов, фторидов, цианидов, железа, фосфатов, аммиачного азота; мутность; кислотность, основность, ХПК, общую жесткость, цвет, запах, легкооседающую суспензию; скорость течения; параметры воздуха (температуру, влажность, давление).

5.2. АСК загрязнения воздушной среды

Рассмотрим системы контроля загрязнения воздуха, автоматические станции стационарного и передвижного типов, а также системы контроля промышленных выбросов в атмосферу. Автоматизированная система оперативного контроля воздуха включает в себя сеть контрольно-замерных станций (КЗС), расположенных в точках контроля, одну или несколько центральных станций (ЦС), связанных с центральным постом (ЦП).

При двухуровневой иерархии операции измерения концентраций контролируемых ингредиентов и метеопараметров, управления выдачей их значений (например, с помощью сигналов таймеров), передачи их через аппаратуру передачи данных (АПД) или по телефонному каналу связи, приема данных устройством приема данных (УПД) на ЦС, преобразования поступающей информации устройством аппаратной обработки сигналов (УАОС) и передачи их на ЦП к устройству коммутации, например на вход аналогового мультиплексора (AM), управляемого сигналами таймера ЦП, синхронного с таймерами ЦС, и далее на вход кодера, например аналого-цифрового преобразователя (АЦП), можно эффективно проводить на аппаратном уровне. Операции приема кодов от АЦП через интерфейсные блоки в ЭВМ обычно организуют на аппаратнопрограммном уровне, а операции анализа и оценки качества атмосферного воздуха производят на программном уровне.

157

Обеспечение требуемой конфигурации системы в зависимости от объема решаемых задач контроля производится на программно-управляемом уровне. Изменение конфигурации системы заключается в выборе количества, состава, порядка и цикла опроса каждого элемента архитектуры системы на одном из трех уровней иерархии: датчиков, входящих в каждую КЗС (до 16); КЗС, подключенных к каждой ЦС (до 16); ЦС, подключенных к ЭВМ (до 16). Вариации темпов опроса могут быть от минутного интервала до нескольких часов. Модули системы собраны на базе устройств широкого применения, а для решения задач контроля достаточно применение микроЭВМ.

Известна отечественная АСК типа АНКОС-АГ, которая ориентирована на контроль загрязнения атмосферного воздуха, в том числе в санитарно-защитных зонах промышленных предприятий.

В состав системы входят:

•сеть станций автоматического контроля загрязнения атмосферы;

•центр сбора и обработки информации;

•удаленные терминалы пользователей;

•передвижные лаборатории контроля загрязнения атмо-

сферы.

5.2.1.Стационарные станции контроля воздуха

ВРоссии выпускается комплексная автоматизированная лаборатория типа «Пост-2», предназначенная для проведения стандартных наблюдений за чистотой атмосферного воздуха.

Станция обеспечивает автоматическое измерение и запись концентраций окиси углерода и двуокиси серы; автоматический отбор 33 проб воздуха на определение 5 газообразных примесей, сажи и пыли; автоматическое измерение и запись направления

искорости ветра, температуры и влажности атмосферного воздуха с помощью переносных метеоприборов; автоматический

158

отбор проб воздуха по четырем каналам для последующего лабораторного анализа.

Станция представляет собой комплекс технических средств, включающий в себя группу приборов автоматического контроля чистоты атмосферного воздуха (газоанализаторы для определения окиси углерода типа ГМК-3, двуокиси серы типа ГКП-1); группу приборов для автоматического и ручного отбора проб воздуха на газообразные примеси, сажу и пыль (электрореспираторы типа ЗА-1, ЗА-3, ЗА-30 и автоматический воздухоотборник «Компонент»); группу приборов для ручного и автоматического контроля метеопараметров (анеморумбограф типа М67-МР, датчики температуры и влажности, блок согласования, служащий для регистрации значений температуры и влажности автоматическим самопишущим прибором анеморумбографа, термометр типа TП-6, психрометр типа МБ-4М, барометранероид типа М67).

Данная станция контроля воздуха имеет следующие основные технические характеристики:

1)пределы измерений и автоматической регистрации двуокиси серы 0...1, 2,5, 10 мг/м3 и окиси углерода 0…40, 80, 400 мг/м3;

2)пределы приведенной основной погрешности соответственно 20 и 10 %;

3)количество проб на одну из выбранных примесей до 8;

4)продолжительность отбора одной пробы (20 ± 0,25) мин;

5)продолжительность цикла работы для отбора восьми проб по четырем каналам одновременно 5...24 часа;

6)максимальная производительность станции по отбору проб воздуха 5·104 проб в год при четырехразовом обслуживании в течение суток;

7)габаритные размеры в рабочем положении 2200×2700× ×7100 мм;

8)масса 3,7 т.

В НПО «Аналитприбор» разработан гибкий газоаналитический комплекс для контроля загрязнений атмосферы и воздуха

159

производственных помещений типа АНКАТ 7621, который может бытьиспользованв качестве стационарнойстанции контроля.

Система позволяет осуществлять контроль таких загрязнителейвоздуха, какокись углерода, двуокисьсеры исероводород.

В состав системы могут входить до 16 газоаналитических модулей, каждый из которых с помощью двухпроводной линии связи соединен с блоком обработки и регистрации. Газоаналитический модуль имеет диффузионный пробоотбор и цифровую индикацию показаний. Модули анализаторов питаются от источника, который входит в состав блока обработки информации и ее регистрации микропроцессорного контроллера. Каждый газоаналитический модуль по линии связи, по цепи питания формирует выходной сигнал 4–20 мА.

Микропроцессорный контроллер обеспечивает сбор, обработку токовых сигналов модулей, индикацию по каждому ранее выбранному каналу, регистрацию результатов измерения с помощью термопринтера.

Микропроцессорный контроллер имеет шину связи с ЭВМ верхнего уровня (интерфейс «Стык С2»), шину сухих контактов для подключения внешних устройств сигнализации и управления, шину для подключения самопишущих потенциометров.

Система имеет следующие основные технические характеристики:

1)габаритные размеры, мм, не более:

– модуля газоанализатора 180×100×170,

– блока обработки и регистрации 480×285×70;

2)массу, кг, не более:

–модуля газоанализатора 1,5,

–блока обработки и регистрации 10; 3) диапазон измерения, мг/м3:

–для диоксида серы 0...20, 50, 200,

–для оксида углерода 0...50, 200, 1000,

–для сероводорода 0...20, 50, 200;

4) предел допускаемой основной погрешности (приведенной) для всех газоаналитических модулей ±20 %;

160