Введение к работе
Актуальность темы. Водные объекты Земли представляют собой один из главнейших компонентов окружающей среды. В связи с усиленным антропогенным воздействием на естественные водоемы в настоящее время на передний план выступает проблема проведения экологического контроля их физико- химического состояния. При экологических наблюдениях наиболее часто измеряются такие физические параметры водної среды, как температура, удельная электропроводность, гидростатическое давление, плотность, соленость, мутность. Химический состав водной среды определяется путем измерения концентраций различных вевеств, комплексов и соединений, растворенных в воде или присутствующих в виде взвесей. Кроме того используются такие показатели химического состава как кислотность и химическое потребление кислорода.
Сложившаяся практика осуществления экологических наблюдений, основанная на лабораторных исследованиях химического состава проб, имеет такие существенные недостатки как неоперативность, малая информативность и низкая эффективность регистрации быстропроте-кающих процессов. В особенности это относится к явлениям, имеющих характер выбросов.
Основным фактором, ограничивающим возможность выполнения экологических наблюдений в натурных условиях, является узкая номенклатура существующих измерительных средств. Требованиям экологического контроля в наибольшей степени удовлетворяют автономные ИИС, позволяющие проводить одновременное' измерение нескольких физико-химических параметров водной среды с последующим накоплением, обработкой и передачей измерительной информации в системы сбора данных.
В настоящее время на передний план, с точки зрения создания автономных ИИС экологического назначения, выходят измерительные системы основанные на потенциометрическом методе анализа химического состава водной среды. Достоинствами данного метода измерения являются простота аппаратурного оформления, высокая точность и, в определенных случаях, возможность проведения анализа непосредственно в естественных условиях без предварительной подготовки проб. В связи с появлением в последние годы Сольного числа электродов, селективных к различным типам ионов, развитием потенциометрического мо-
- г -
тода стала иокометрия.
Анализ исследовательских задач и методов натурного эксперимента при экологических наблюдениях показывает, что они не удовлетворяются существующими в настоящее время ионометрическими устройствами по таким характеристикам, как точность, системность, долговременная стабильность и функциональная надежность. Проблемы на пути совершенствования указанных характеристик обусловлены жесткими условиями эксплуатациии, которые требуют от аппаратуры повышенной устойчивости к климатическим и механическим воздействиям. предельной экономичности по питанию и ограничения массогабаритных показателей.
Цель работы и задачи исследования. Цель диссертационной работы заключается в теоретическом исследовании и практической разработке методов построения автономных ионометрических устройств для экологического контроля водных объектов. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
анализ функциональных возможностей и определение особенностей архитектуры автономных ионометрических устройств;
исследование и совершенствование многоканальных ионометрических входных цепей;
исследование и развитие методов построения АЦП для ионометрических каналов с промежуточным частотно- временным преобразованием;
анализ и разработка методов и алгоритмов повышения отказоустойчивости и снижения энергопотребления автономных микропроцессорных измерительных устройств;
исследование методов снижения погрешности при совместных измерениях различных мешающих ионов в многокомпонентных водных растворах.
Методы исследований базируются на использовании теории измерений, теории линейных и нелинейных электрических цепей, теории. цифровой фильтрации, методах экспериментального 'исследования и имитационного моделирования на ЭВМ.
Научная новизна работы заключается в следующем: 1. На основании проведенной систематизации определены принципы совершенствования алгоритмов функционирования автономных микропроцессорных измерительных устройств, обеспечивающих повышение отказо-
- з -устойчивости и надежности хранения накапливаемой измерительной информации;
-
Исследованы и предложены новые структурные методы снижения погрешности преобразования напряжения в частоту при заданном времени преобразования:
-
Исследованы алгоритмические способы весового усреднения, позволяющие повысить точность измерения частотно-временных сигналов.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
-
Разработаны структуры автономній информационно-измерительных систем, позволяющие снизить энергопотребление и расширить функциональные возможности автономных ионометрических устройств.
-
Предложены схемотехнические решения, обеспечивающие повышение стабильности метрологических характеристик и снижающие требования к коммутаторам многоканальных ионометрических входных цепей;
-
Разработаны микропроцессорные АЦП с промежуточным частотно-временным преобразованием, отличающиеся Солее высоким показателем погрешность- время преобразования и позволяющие снизить аппаратные затраты и энергопотребление автономных ионометрических устройств;
-
Созданы действующие образцы автономной ионометрической КИС, превосходящей по совокупности технических характеристик существующие 'измерительные системы для экологического контроля объектов водной среды.
Реализация результатов работы. Основные материалы диссертационной работы использованы при разработке портативного иономера и автономного микропроцессорного измерителя гидрофизических параметров водной среды, внедренного в НИИ Прикладной физики Иркутского Государственного Университета Отдельные технические решения, предложенные в диссертационной работе, внедрены в ІЩИИ им. акад. Л. Е Крылова и технической фирме"Стякс".
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на Всесоюзных научно-технических конференциях "Измерительные-информационные сиетемы"(ИИС-91) (Ленинград, 1991), "Современное состояние аналитического приборостроения в области анализа газовых сред и радиоспектроскопии" (Смоленск, 1991), "Методология измерений" (Лениниград, 1991), на Всесоюзной школе по техническим средствам и методам освоения океана (Москва. 1991), на зональном научно-
- 4 -техническом семинаре "Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления" (Пенза, 1991), а также на научно-техническом семинаре кафедры Информационно-измерительной техники СШГТУ (Санкт- Петербург, 1933).
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 7 печатных работ.
Структура її объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения, содержит 172 страницы основного текста, 31 рисунок, 82 наименования библиографии.
