Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние непрерывных методов измерения концентрации пыли 11
1.1. Введение 11
1.2. Рудничная витающая пыль. Атмосферный пылевой аэрозоль
1.2.1. Основные свойства и характеристики пылевого аэрозоля и его изменчивость 12
1.2.2. Биологическое и физическое воздействие пыли 15
1.3. Задача измерения 18
1.3.1. Научные и прикладные задачи 18
1.3.2. Нормы содержания пыли в воздухе 19
1.3.3. Требования к методам контроля и условиям измерения концентрации витающей
пыли 20
1.4. Методы измерения концентрации пыли 22
1.5. Традиционный радиоизотопный метод измерения
1.5.1. Физический принцип радиоизотопного метода 24
1.5.2. Опыт создания приборов, основанных на радиоизотопном методе 26
1.5.3. Особенности традиционного радиоизотопного метода 31
1.5.4. Радиоизотопный экспресс- пылемер ИКАР 33
1.5.5. Недостатки и перспективы радиоизотопного метода 36
1.6. Результаты анализа методов измерения концентрации пыли 38
1.6.1 .Предпосылки разработки непрерывного радиоизотопного метода 38
1.6.2. Выводы по результатам анатза современного состояния методов измерения концентрации пыли 39
1.6.3. Этапы и задачи исследования 40
ГЛАВА 2. Теория непрерывного измерения концентрации пыли радиоизотопным методом 42
2.1.Основания для разработки теории 42
2.1.1. Терминологические разъяснения 42
2.1.2. Определение непрерывного метода измерения концентрации пыли 43
2.1.3. Проблемы разработки процедуры непрерывного измерения з
2.1.4. Математическая модель "процесе непрерывного измерения концентрации пыли радиоизотопным методом" 52
2.1.5. Постановка задачи о процедуре непрерывного измерения концентрации пыли 61
2.2. Измерение постоянной концентрации пыли. двухшаговая процедура измерения 63
2.2.1. Математическая модель процедуры измерения постоянной концентрации пыли 63
2.2.2. Двухшаговая процедура измерения постоянной концентрации пыли 68
2.2.3. Организация серии двухшаговых процедур для непрерывного измерения концентрации пыли 74
2.2.4. Погрешность измерения постоянной концентрации пыли 75
2.2.5. Сравнительная оценка частных погрешностей традиционного и непрерывного радиоизотопных методов 81
2.2.6. Особенности погрешности измерения, связанной со статистикой отсчетов бета-частиц, в двухшаговой процедуре 87
2.3. Измерение концентрации пыли, изменяющейся во времени 91
2.3.1. Задачи и проблемы, возникающие при анализе влияния изменчивости пыли во времени на результат измерения ее концентрации 91
2.3.2. Связь зависимости мгновенной концентрации пыли от времени с результатом ее измерения 92
2.3.3. Представление результата измерения в виде свертки с весовой функцией 94
2.3.4. Универсальность треугольной весовой функции 102
2.3.5. Сравнение с весовым методом измерения концентрации пыли 113
2.3.6. Преимущество результатов измерения концентрации пыли в двухшаговой процедуре в сравнении с традиционными методами 119
2.3.7. Переход к двухшаговой процедуре с отступом для получения результатов измерения концентрации пыли в виде средних значений за период измерения 124
2.4. Заключение по теории непрерывногоизмерения концентрации пыли радиоизотопным методом 131
Глава 3. Методика экспериментальной проверки положений теории непрерывного измерения концентрации пыли радиоизотопным методом 133
3.1. Основы методики 133
3.1.1. Цель эксперимента 133
3.1.2.Идея эксперимента 133
3.1.3. Задачи эксперимента 135
3.2. Структура и организация экспериментальных работ 135
3.3. Подготовка эксперимента
3.3.1. Аппаратное обеспечение эксперимента 138
3.3.2. Программное обеспечение эксперимента 143
3.3.3. Планирование эксперимента 143
3.4. Экспериментальные работы 144
3.4.1. Объекты и условия измерения 144
3.4.2 Методика решения частных экспериментальных задач 145
3.4.3 Экспериментальные данные 146
3.5. Интерпретация и обобщение результатов эксперимента 147
3.5.1 Обработка экспериментальных данных 147
3.5.2 Анализ связей и зависимостей 147
3.5.3 Формирование заключения по результатам экспериментальной проверки положений теории непрерывного измерения концентрации пыли радиоизотопным методом 148
ГЛАВА 4. Экспериментальная проверка положений теории непрерывного измерения концентрации пыли в воздухе радиоизотопным методом 149
4.1. Осуществление измерений на экспериментальном стенде, формирование массивов экспериментальных данных 149
4.1.1. Измерение скорости испарения жидкости 149
4.1.2. Имитация изменяющейся во времени концентрации пыли с помощью лент переменной поверхностной плотности 152
4.1.3. Измерение концентрации пыли в городском воздухе и в помещении 157
4.2. Подготовка массива первичных экспериментальных данных 162
4.2.1. Проблемы формирования массива экспериментальных данных 162
4.2.2. Подготовка экспериментальных серий, соответствующих измерению постоянной концентрации пыли, для анализа частной погрешности, связанной со статистическим характером регистрации бета-частиц 163
4.2.3. Обеспечение повторяемости экспериментальных серий. Обоснование положений теорий для широкого диапазона концентраций пыли 164
4.2.4. Подготовка экспериментальных серий измерения изменяющейся во времени концентрации пыли 165
4.3. Решение задач экспериментальной проверки положений теории 170 4.3.1. Определение оптимального числа шагов в процедуре по статистической погрешности 170
4.3.2. Погрешность двухшаговой процедуры, связанная со статикой регистрации бета-частиц 175
4.3.3. Зависимость погрешности двухшаговой процедуры, связанной с изменчивостью концентрации пыли от периода измерения 179
4.3.4 Сравнение процедур: двухшаговой и традиционного радиоизотопного методов 181
4.4. Выводы по результатам экспериментальной проверки положений теории о непрерывном процессе измерения концентрации пыли радиоизотопным методом 182
Заключение 185
Литература
- Научные и прикладные задачи
- Определение непрерывного метода измерения концентрации пыли
- Методика решения частных экспериментальных задач
- Подготовка экспериментальных серий, соответствующих измерению постоянной концентрации пыли, для анализа частной погрешности, связанной со статистическим характером регистрации бета-частиц
Научные и прикладные задачи
Знание свойств и характеристик пыли при разработке нового метода измерения необходимо по двум основным причинам. Во-первых, необходимо определить смысл и значение измерения именно концентрации пыли, из чего вытекают условия измерения и требования к новому методу. Во-вторых, свойства и характеристики пыли являются фактором, оказывающим влияние на результаты измерения, например, является источником погрешности определяемой величины.
У нового метода — предмета настоящего исследования — предполагаются в основном две области практического применения (см. п. 1.3). Первая область — контроль загрязнения воздуха в условиях горного производства (как правило, в закрытых или ограниченных объемах) с интенсивным выделением пыли (шахты, разрезы, обогатительные фабрики и т.п.). Вторая область — мониторинг приземных слоев атмосферы и загрязнения поверхности земли техногенными выбросами пыли. В том и другом случае имеем дело с пылью, но особенности ее происхождения и распространения в обоих случаях приводят к тому, что пылевой аэрозоль (в первом случае — рудничный, во втором — атмосферный) по своим свойствам и условиям измерения существенно различаются.
"Аэрозоли — дисперсные системы с газообразной средой и твердой или жидкой фазой" [21]. Пылевой аэрозоль характеризуется содержанием твердой фазы, пыли. "Рудничная пыль — совокупность минеральных частиц размером менее 1 мм, образующихся в процессе ведения горных работ и частично поступающих в шахту с поверхности, находящихся во взвешенном состоянии в рудничной атмосфере, либо осевших на поверхности горных выработок. Рудничную пыль, способную находится в воздухе, называют витающей или пылевым аэрозолем. Она характеризуется концентрацией, дисперсным и вещественным составами и другими свойствами. Предельная крупность витающей пыли определяется скоростью вентиляционного потока, плотностью частиц, типом источника пылеобразования" [22].
По аналогии можно дать и определение атмосферного пылевого аэрозоля. Необходимо только сделать некоторые оговорки. Атмосферная пыль — это тоже совокупность твердых (не обязательно минеральных) частиц размером менее 1 мм, а происхождение ее может быть как техногенным, так и от естественных источников пыли.
Одно из основных отличий рудничного и атмосферного аэрозоля — в диапазоне и значениях концентрации пыли в воздухе. Это отличие условно и носит статистический характер (частота встречающихся значений концентрации). В обоих случаях диапазон встречающихся значений концентрации значителен, ввиду большого разнообразия естественных источников пыли технологических процессов, ее порождающих. Однако большие значения концентрации для шахт и даже открытых горных работ, например, на разрезах, — обычное явление, а для атмосферного аэрозоля — скорей экзотика, и — наоборот. Это объясняется тем, что технологические процессы горного производства являются сильнейшими источниками образования пыли, и выделение пыли происходит обычно в ограниченном пространстве. Атмосферный же аэрозоль, как правило, выбрасывается в большие объемы воздуха и активно рассеивается и осаждается на больших площадях поверхности Земли. Конечно же, и для атмосферного аэрозоля измерения запыленности воздуха могут дать большие значения концентрации. Это может иметь место, например, в непосредственной близости от источников образования пыли (обогатительных или металлургических предприятий, горящих горные отвалы) и, особенно, при интенсивных выбросах пыли (аварийный выброс пыли предприятием, массовый взрыв на угольном разрезе и т.п.). Но эти события нельзя назвать нормальными, и экологический мониторинг атмосферы имеет направленность именно на предотвращение подобных событий (выявление источников загрязнения атмосферы и поиск путей и способов предотвращения).
Для шахт же сильные загрязнения рудничной атмосферы пока что — неизбежность. Существующие способы борьбы с пылью и образованием пыли в настоящее время еще не способны эффективно снижать (или предотвращать) загрязнение рудничной атмосферы. Поэтому, например, используется "защита временем" рабочих от вредного воздействия пыли на органы дыхания горнорабочих [23]. А возникновение опасных состояний, например, по взрывоопасному состоянию преодолевается, уборкой, смывом пыли, осланцеванием выработок, а также иногда временной или даже долговременной остановкой технологических процессов.
Наибольшие значения запыленности воздуха имеют место при добыче каменного угля. По данным [24, 25] в очистных забоях максимально разовая концентрация витающей пыли может достигать 3000 мг/м3, а при отсутствии пылеподавления или неправильной его организации — 10000 мг/м3 и более. Другие технологические процессы, сопровождающие добычу каменного угля, характеризуются меньшим образованием пыли. Тем не менее, и здесь концентрация пыли в воздухе доходит в отдельных случаях до 500 -ь 1000 мг/м [26]. При применении гидромеханических органов разрушения горной массы запыленность воздуха снижается до значений 5 -ь 15 мг/м [27].
В рудниках предприятий цветной металлургии содержание пыли в воздухе значительно меньше. Это объясняется иными свойствами пород и руды, технологией их разрушения, меньшими скоростями движения воздуха и быстрым осаждением (ввиду большей плотности вещества) пыли. При бурении шпуров в условиях Крайнего Севера, когда отрицательная температура ограничивает применение мокрых способов борьбы с пылью, фиксировалась [28] концентрация витающей пыли на уровне 100 -ь 150 мг/м . При обычных
условиях запыленность воздуха составляет 5 -ь 10 мг/м .
Имеются также и данные [29] по загрязнению атмосферы (г. Москва) пылью. В целом состояние воздуха в Москве в 1990 и 1991 годах (в год проводилось около 4000 замеров в различных точках города) по содержанию в ней пыли можно признать удовлетворительным. Среднегодовая и средняя по Москве концентрация пыли была соответственно — 0.09 и 0.08 мг/м при ПДК = 0.15 мг/м . Однако значения максимально разовых концентраций в отдельных районах нередко превосходили значения ПДК (напр., в Люблинском районе фиксировались значения, превышающие 3 ПДК). Имеются также данные по загрязнению поверхности Земли. Известно, что вблизи крупных промышленных центров осаждается почти 4 тонны пыли на гектар в год [30].
Другое отличие рудничного и атмосферного аэрозоля наблюдается в дисперсном составе пыли. Атмосферный аэрозоль распространяется, как правило, на большие расстояния, вследствие чего более тяжелые (или крупные) частицы выпадают на поверхность непосредственно вблизи источников образования пыли или, по крайней мере, на относительно малых расстояниях от источника. Поэтому контроль загрязнения атмосферы будет связан с измерением содержания в воздухе, в основном, мелкодисперсной пыли.
С рудничным аэрозолем ситуация иная. Малая плотность вещества каменного угля и скорости вентиляционных потоков более 1 м/с определяют витание частиц размером до 100 мкм вблизи источников образования пыли [31]. В вентиляционных потоках устойчиво витают частицы диаметром до 10 -ь 20 мкм. В условиях рудников максимальный размер пылевых частиц, витающих в воздухе, обычно не превосходит 20 мкм и даже вблизи источников образования пыли. В остальных местах встречается пыль с максимальным размером частиц 5 -ь 10 мкм [32].
Что касается минерального или вещественного состава пыли, то в этом случае атмосферный и рудничный аэрозоли, практически, равноправны. Про тот и другой можно сказать, что спектр различных вещественных составов велик. Конечно, рассматривая конкретный случай, например, угольную шахту, и конкретный забой, можно утверждать, что вещественный состав пыли в данном случае более или менее определен: угольная пыль с примесью породной (силикатной) пыли. Если же брать в рассмотрение рудничную пыль, какая может встретиться в горном производстве, то многообразие вещественного состава, все же, становится значительным.
В формировании атмосферного аэрозоля принимают участие самые различные источники, как естественные, так и техногенные, что также приводит к разнообразию вещественного состава пыли. Для атмосферного аэрозоля можно было бы ожидать, что примеси пыли с большей плотностью вещества должны выпадать вблизи источника образования пыли, что привело бы к обеднению спектра вещественного состава пыли. Но это — невыраженное явление. Более того, практические задачи по выявлению техногенных загрязнителей воздуха, вероятнее всего, будут решаться именно в регионах с высокоразвитой индустрией, являющейся источником самой разнообразной пыли. Таким образом, основные свойства пыли описываются дисперсным и вещественным ее составом. К рассмотрению приняты две основные задачи контроля загрязнения атмосферы. Первая ("экологическая") — мониторинг атмосферы и поверхности земли — задача выявления интенсивных выбросов пыли промышленными предприятиями при возможно низком общем фоне запыленности атмосферы. То есть в этой задаче придется иметь дело, в основном, с низкими значениями концентраций пыли (фон) и лишь изредка выявлять выбросы — относительно мощные всплески значений концентрации. При этом дисперсный состав пыли тяготеет к мелокодисперсному, хотя во время выбросов возможно появление и крупных фракций пыли (вблизи источников образования пыли). Вторая ("шахтная") — задача измерения сильно запыленных объемов (ограниченных) воздуха. При этом значения концентрация могут быть значительны, а сама задача сводится к выявлению ситуаций, когда запыленность превосходит некий запретный уровень (например, взрывоопасный). Дисперсный состав в этом случае может иметь большой диапазон и включать фракции крупных неустойчиво витающих частиц пыли. "Вес" крупных фракций в общей массе рудничной пыли весьма значителен.
Определение непрерывного метода измерения концентрации пыли
Однако, такой подход правомерен только в том случае, когда погрешности 5at не находятся в прямой взаимозависимости . Поэтому необходим тщательный анализ по выявлению возможных связей между параметрами исследуемой функции.
В разделе 2.1.2 рассматриваются четыре основных фактора искажений результата измерения и соответствующие им погрешности измерения концентрации пыли. В условиях принятого здесь постоянства концентрации пыли во времени отсутствует первая погрешность S,n, связанная с динамикой пыли. Как можно будет убедиться ниже, три другие погрешности являются независимыми. Поэтому при расчете общей погрешности измерения правомерно использовать формулу (2.18). Кроме того, погрешность Svn,
обусловленную ошибкой в определении скорости потока воздуха в сечении фильтра и погрешность 8ап, связанную с ошибкой измерения поверхностной плотности пыли на
фильтре (коэффициента пропускания бета-излучения пылевым препаратом), можно учитывать совместно. Исходя из характера (независимости от параметров, с помощью которых можно управлять процессом и процедурой измерения) эту совместную погрешность примем называть «неустранимой» погрешностью.
Специального рассмотрения требует погрешность 8Nn, обусловленная
статистическим характером регистрации бета-частиц потому, что, во-первых, она представляет собой значительный вклад в общую погрешность измерения, во-вторых, имеет существенные особенности поведения (особые точки, экстремумы) и, в-третьих, она может быть управляема с помощью параметров процедуры измерения.
В противном случае требуется осуществить: во-первых, анализ уже не частных, а полных производных в формуле (2.21), и, во-вторых, приведение указанной многопараметрической функции к ортогональному базису (взаимно независимых) параметров. Частная погрешность измерения концентрации пыли, связанная с погрешностью скорости потока воздуха
Погрешность в определении средней скорости потока воздуха v в сечении фильтра (расхода воздуха) связана исключительно с техническими особенностями пробоотборного устройства (насоса, схемы стабилизации потока воздуха, счетчика объема прокаченного воздуха). Она, Sv, возникает в двух отличающихся ситуациях. Первая ситуация: в приборе осуществляется измерение скорости отбора воздуха, при этом расходомеру воздуха присуща погрешность. Вторая ситуация: величина v определена при предварительной наладке пробоотборного устройства, а погрешность (отклонение от предварительно определенной величины) возникает из-за нестабильности работы пробоотборного устройства.
Однако следующее соображение позволяет объединить их при расчете погрешности: истинной величиной скорости протягивания воздуха является та, которая действительно реализовалась в процессе измерения, а искаженной - величина, участвующая в расчетах конечных результатов измерения. Это соображение состоятельно только при условии плавной нестабильности или расходомера или пробоотборного устройства. Иначе придется учитывать варьирование во времени Sv в связи a = f(t,v), которая является интегральной (2.1). Под "плавной нестабильностью" понимается то, что можно пренебречь величиной
Это может означать, например то, что и сама погрешность Sv, и величины vH3M, vpeM очень медленно меняются, настолько, что в течение периода измерения концентрации пыли Т их изменчивостью можно пренебречь. Также, можно допустить и то, что величина v испытывает периодические флуктуации (пульсации), но с постоянной амплитудой и периодом гораздо меньшим, чем период измерения концентрации пыли Т.
Для современных пробоотборных устройств выполнение требования плавной нестабильности не представляет технической проблемы. Погрешность же измерения расхода воздуха для конкретного пробоотборного устройства или расходомера обычно определяют как постоянную величину для широкого диапазона концентраций пыли или интервалов времени измерения.
Тем не менее, следует предполагать, что Sv остается, и ее величина может оказаться существенной. А поскольку искаженная величина v в расчетах появляется только на последнем этапе - расчете п, то можно заключить, что рассматриваемый источник погрешности и сама погрешность не связаны с прочими частными погрешностями. Тогда Svn = — -8v . (2.19)
Таким образом, рассматриваемая частная относительная погрешность измерения концентрации пыли равна относительной погрешности определения скорости протягивания воздуха через фильтр. Она не связана с другими частными погрешностями, что позволяет учитывать ее отдельно от других погрешностей в формуле (2.18). Кроме того, поскольку она не зависит от параметров процесса измерения, ее можно считать неустранимой в рамках рассмотрения процесса и процедуры измерения.
Отдельно следует отметить то, что могут возникнуть проблемы с определением объема воздуха на малых интервалах времени измерения, сравнимых со временем выхода на рабочий режим отбора воздуха. Такая ситуация может возникнуть при очень больших концентрациях, когда придется ограничивать время измерения, чтобы избежать переполнения фильтра пылью. Также, при очень больших временах измерения, вследствие, например, износа фильтра или значительного увеличения сопротивления воздушному потоку пылевого препарата на фильтре (мелкодисперсная пыль), погрешность dv может существенно возрасти. В обоих случаях речь идет не о нарушении требования плавной нестабильности, а лишь о том, что отклонение величины v от заданного рабочего значения может выйти за допустимые пределы. Для исключения таких ситуаций рекомендуется использовать схему с контролем (измерением) расхода воздуха. Это позволит ввести в численный алгоритм процедуры специальные схемы расчета поправок к результатам измерения, а также процедуры самодиагностики и аварийных переключений режима работы прибора. 2.3.1.2. Частная погрешность измерения концентрации пыли, связанная с ошибкой определения коэффициента пропускания бета-излучения пылевым препаратом на фильтре
Общего решения задача исключения данного фактора не имеет. В традиционном радиоизотопном методе (в приборе "ИКАР") задача минимизации данной частной погрешности решались эмпирическим подбором схемы измерения и характеристик элементов схемы (см. п. 1.5.3). Поскольку в неоднородном по толщине пылевом препарате на фильтре поглощение бета-излучения меньше, чем эквивалентной по массе однородной пленке (см. п. 1.5.3), то результат измерения концентрации пыли традиционным методом оказывается, как правило, завышенным, если только не учитывать поправку
Эта величина была определена для прибора "ИКАР" (&а « 0.8). Допускается, что величина ка может испытывать флуктуации єк0, но незначительные настолько, что вызванная рассматриваемым фактором погрешность измерения совместно с остальными частными погрешностями не превышают максимально допустимой погрешности измерения.
Методика решения частных экспериментальных задач
Можно привести несколько примеров. Достаточно рассмотреть модели поведения концентрации пыли «ступенчатую» и «прямоугольный выброс» (кусочно-постоянная модель изменения концентрации, рис. 2.36), чтобы убедиться, что результат измерения в двухшаговой процедуре отличается и от мгновенной концентрации, и от средней концентрации (время усреднения равно периоду двухшаговой процедуры). Зависимость результатов измерения занимает некое промежуточное положение между ними. В этом можно усмотреть преимущество непрерывного метода: непрерывный радиоизотопный метод эффективнее реагирует на скорость изменения концентрации пыли, чем какой-либо другой метод, измеряющий среднюю концентрацию с таким же периодом4.
Еще одной иллюстрацией служит сравнение результатов сверток с треугольной и прямоугольной весовыми функциями в численных экспериментах, в которых в качестве зависимости мгновенной концентрации пыли от времени используются модели сложного поведения (рис 2.37, 2.38). В одном случае использовалась модель «биение двух близких по частоте гармонических колебаний», в другом — зависимость концентрации пыли, полученная экспериментально с коротким периодом измерения. В обоих случаях (рис 2.37, 2.38) результат измерения в двухшаговой процедуре (свертка с треугольной весовой функцией) лучше отражает особенности поведения мгновенной концентрации, чем результат измерения, который мог бы быть получен весовым методом (свертка с прямоугольной весовой функцией), если бы такой метод можно было сделать непрерывным.
Это утверждение можно выразить в терминах «временное разрешение прибора»: двухшаговая процедура измерения отражает поведение концентрации пыли от времени с меньшим «временным разрешением» по сравнению, например, с «непрерывным весовым» или традиционным радиоизотопным методом. На рис. 2.36 а) приведена зависимость результатов усреднения концентрации пыли с меньшим периодом, которая точнее соответствует результатам измерения в двухшаговой процедуре измерения.
Но здесь необходимо сделать оговорку: временное разрешение двухшаговой процедуры может оказаться различным в различных моделях поведения концентрации. Временное разрешение двухшаговой процедуры определяется шириной локализованной
Ступенчатая модель динамики в некотором приближении соответствует интенсивному (взрывному характеру) выделению пыли, которое может иметь место, например, при внезапном выбросе породы в шахте. При этом непрерывный радиоизотопный метод обеспечит более правдоподобное описание «фронта» зависимости концентрации от времени.
Сравнение результата измерения концентрации пыли в двухшаговои процедуре с мгновенной концентрацией и результатом усреднения концентрации за одинаковый период измерения. прямоугольной функции, свертка с которой наиболее точно (с максимальным коэффициентом корреляции) соответствует результатам двухшаговой процедуры измерения. В указанном примере (рис. 2.36.а) временное разрешение составляет примерно 0.6-0.7 от всего периода измерения одного значения концентрации пыли. Для других моделей поведения концентрации пыли временное разрешение может оказаться другим, но никогда оно не превышает периода измерения в двухшаговой процедуре.
Исходя из вышесказанного, можно утверждать, что если исследователю важно отследить особенности поведения концентрации пыли на коротких интервалах времени, то двухшаговая процедура для него более предпочтительна, по сравнению, например, с традиционным радиоизотопным методом с теми же приборными параметрами. Или, что то же самое: результаты в виде свертки зависимости мгновенной концентрации пыли от времени с треугольной весовой функцией лучше отражают особенности поведения концентрации пыли во времени, по сравнению с результатами простого усреднения мгновенной концентрации на том лее периоде измерения.
Здесь же можно указать одно из решений проблемы — получения средних значений концентрации пыли, не внося никаких изменений в процедуру измерения, но для больших периодов времени. Дело в том, что в нормативных документах о контроле запыленности атмосферы [48, 49] выдвигается требование измерения среднесуточных или среднесменных концентраций пыли. Поэтому достаточно провести усреднение длинной серии независимых измерений концентрации пыли, полученных в непрерывном методе (двухшаговых процедурах). При этом результат усреднения будет (в соответствии с законом больших чисел) сходиться по вероятности5 к среднему значению концентрации за весь продолжительный период времени (сутки, смена).
Но, во-первых, этот подход годится только для больших периодов времени, и, во-вторых, существуют другие способы решения проблемы получения результатов, соответствующих традиционным методам (в виде средних значений концентрации пыли за период измерения). Но главное то, что вопроса контроля динамики пылевого аэрозоля такой подход вообще не решает.
Сравнение результата измерения концентрации пыли в двухшаговой процедуре (2) с мгновенной концентрацией (1), результатом усреднения концентрации за одинаковый период измерения (3) и результатом измерения в двухшаговой процедуре отступом (4) (период измерения интенсивности бета-излучения =0.2-7).
На текущий момент времени ситуация такова что, не всякого экспериментатора устроит (или не во всякой задаче будет необходимо) представление результатов измерения в виде неоднородно усредненной (например, с треугольной весовой функцией) на периоде измерения величины. Об этом можно говорить уже потому, что сейчас наиболее распространены представления результатов измерения именно в виде средних, т.е. с прямоугольной весовой функцией. Более того, различные нормативные документы [48, 49] явно или неявно требуют соответствия результатов измерения концентрации пыли новыми методами результатам, полученным весовым методом.
Наиболее простым является использование двухшаговой процедурой с отступом (рис. 2.12.6), в которой периоды измерения интенсивности бета-излучения короче полупериода измерения концентрации. В этом случае результат измерения представляет собой свертку с весовой функцией, близкой по форме к трапеции. В пределе, когда период измерения интенсивности стремится к нулю, результат полностью соответствует обычному усреднению зависимости мгновенной величины от времени. При этом двухшаговая процедура становится эквивалентом процедуры измерения в традиционном радиоизотопном методе.
Чтобы динамическая погрешность не превышала предела 25% при 12-кратном мгновенном изменении концентрации достаточно установить период измерения интенсивности, равный 1/10 от всего периода измерения концентрации пыли (рис. 2.36, кривая — 4).
Выбрано именно 12-кратное изменение концентрации, исходя из того соображения, что в нормативных документах [48, 49] определяется диапазон измерения концентрации 0.8-ПДК —10-ПДК, т.е. ширина диапазона составляет 12.5-ПДК. При более сильном изменении концентрации либо нижнее, либо верхнее значение концентрации пыли в ступенчатой модели окажется вне диапазона, требуемого нормативными документами, и, следовательно, они перестают регламентировать максимально допустимую погрешность измерения.
Подготовка экспериментальных серий, соответствующих измерению постоянной концентрации пыли, для анализа частной погрешности, связанной со статистическим характером регистрации бета-частиц
В результате, для трехслойного имитатора зависимость прироста поверхностной плотности или, что — то же самое, моделируемая зависимость концентрации пыли от времени, должна представлять собой циклоиду (два периода с небольшим разрывом). В некотором приближении такую циклоиду можно рассматривать как синусоиду. Тем самым, получены серии экспериментальных данных для проверки положений теории, касающихся частной погрешности, обусловленной периодической изменчивостью концентрации пыли во времени.
Как показывает предварительный анализ результатов экспериментов, для набора достаточной статистике желательно уменьшить скорость перемещения ленты еще в несколько раз. Однако возникают некоторые сложности в технической реализации такой лентопротяжной системы. Также, возможно использовать клинообразные имитаторы, благодаря которым может быть уменьшена эффективная линейная скорость пропорционально тангенсу угла, образующего клин. Но при этом требуется, чтобы, во-первых, материал, из которого будет выполнен клин имитатора, был однородным по всей его длине и, во-вторых, исключить возможные поперечные перемещения имитатора.
Оказалось, существует более простой способ решения задачи накопления достаточного объема статистического материала. Кроме модификации лентопротяжной системы с целью уменьшения линейной скорости движения имитатора, можно также применить метод мультисканирования, т.е. многократного повторения одной и той же серии измерений в одних и тех же условиях для того, чтобы набрать необходимый объем экспериментальной статистики. Однако при этом потребуется тщательно контролировать повторяемость условий на старте каждой серии измерений. Эта проблема решается с помощью репера - поперечной полосы полного поглощения (ее роль выполняет рамка имитатора). Благодаря этому во всех сериях удается определить общее «начало отсчета».
Для последующего численного анализа был сформирован массив данных из шести серий (F1-F6), полученных в режиме мультисканирования. Но эти серии оказались полезными только в качестве иллюстрации возможностей метода по измерению периодически изменяющейся концентрации пыли.
Первые серии измерений (11-12) концентрации пыли в городском воздухе (на территории института) оказались малопригодньми для статистического анализа, который необходимо провести для решения ряда задач проверки в эксперименте положений теории, по двум основным причинам. Первая причина заключается в том, что эти серии коротки. Это вызвано тем, что при проведении первых экспериментов использовалась
158 пробоотборной устройство прибора ИКАР, которое не приспособлено для непрерывной работы долгое времят (до суток). Использование однокамерного насоса приводит к пульсациям воздушного потока, что в свою очередь вызывает разрушение фильтра в течение примерно одного часа. Этот недостаток был ликвидирован: использовано демпферное устройство, сглаживающее пульсации потока воздуха, и все последующие серии удавалось проводить длительное время, причем видимого износа фильтра. Другая причина непригодности этих серий для статистического анализа вызвана наличием сбоев по связи между АСПК и компьютером (0.5% - сообщений). Это было вызвано тем, что в АСПК был изначально установлен внутренний такт, равный полсекунды. В дальнейшем тактирующее время в АСПК было установлено, равное одной секунде, и эта проблема также была устранена.
Тем не менее, серия 12 оказалась интересной тем, что в ней обнаружилось яркое проявление изменчивости концентрации пыли, вызванное усилением ветра. Таким образом, эта серия оказалась полезной в качестве иллюстрации приложения метода в конкретной задаче.
В следующих, приведенных в таблице 2.1, сериях (13-15), как показал анализ, концентрация пыли удерживалась на относительно постоянном уровне (изменчивость в пределах нескольких максимально допустимых погрешностей) длительное время. Измерения концентрации пыли в помещении также оказались полезными, так как удалось получить длинные серии с практически постоянным уровнем запыленности воздуха (R2-R3) (рис. 4.5). Это позволило сформировать длинные серии с достаточным объемом статистического материала для решения многих задач экспериментальной проверки положений теории.
Такие результаты измерения обладают положительным свойством. Они почти идеальны для решения задач проверки положений теории, касающихся непрерывного измерения концентрации пыли на малых интервалах времени (при мало изменяющемся содержании пыли в воздухе). Один из недостатков таких измерений сводятся к необходимости длительного времени их выполнения (несколько часов), чтобы обеспечить необходимую статистику для достоверного анализа экспериментальных данных. Однако благодаря автоматизации процесса измерения эта проблема полностью решается.
Другой недостаток сводится к ограниченности диапазона варьирования значений концентраций. В этом случае может помочь следующее соображение. Для проверки положений теории более важную роль по сравнению с концентрацией играет прирост поверхностной плотности в процессе измерения, а больший диапазон ее варьирования может быть обеспечен измерениями разной длительности.
Для решения некоторых задач, связанных с динамикой пылевого аэрозоля, оказались некоторые серии измерений (рис. 4.6), проведенные в больших помещениях (павильон № 6, 9 ВЦ Экспоцентр). Именно здесь были получены самые низкие значения концентрации пыли (среди экспериментов в реальных условиях). Низкая запыленность объясняется тем, что большая часть поверхностей (полы, потолки, стены, перекрытия и т.д.) сделаны из непылящих материалов. Кроме того, большой объем помещения и удачная компоновка вентиляционных систем приводят к тому, что концентрация пыли оказывается ниже ПДК. Другая особенность результатов измерения в большом помещения заключается следующем: в этих сериях обнаружились многократные (в несколько раз с характерным временем около получаса) изменения концентрации пыли, причем эти изменения носили плавный характер. Наибольшие амплитуды изменений отмечены в первые дни проведения выставок (на двух выставках). Поскольку в эти же дни наблюдались наибольшие потоки посетителей, то можно предположить, что именно с этим фактом связана существенная изменчивость запыленности воздуха.
В общей сложности получено более ста серий первичных экспериментальных данных. На их основе удается сформировать массив экспериментальных данных для последующей проверки положений теории о непрерывном радиоизотопном методе измерения концентрации пыли.
Необходимо подчеркнуть, что некоторые наблюдения, полученные при измерении реального пылевого аэрозоля в натурных условиях, существенно расходятся с бытующими стереотипными представлениями о поведении пыли в атмосфере. Во-первых, увеличение концентрации пыли в 6-7 раз (до 4-5 ПДК) при умеренном усилении ветра (5-Ю м/с) достаточно неожиданное явление (рис. 4.5А). По крайней мере этот факт крайне расходится с приводимыми обзорными данными [29], которые обсуждались в п. 1.2.1.
Другой совершенно неожиданный факт заключается в том, что концентрация пыли после изменения в течение нескольких дней от сухой, теплой и безветренной погоды к затяжному (несколько дней подряд почти без перерыва) мелкому моросящему дождю привело не к уменьшению, а, пусть к небольшому, но наблюдаемому, увеличению концентрации пыли (рис. 4.5.Б).
