Некоммерческое акционерное общество
АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ
Кафедра охраны труда и окружающей среды

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ИСПЫТАНИЙ И КОНТРОЛЯ
Конспект лекций
для студентов  специальности 5В073100 - Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей среды

Алматы 2014

СОСТАВИТЕЛИ: Т.С. Санатова. Методы и средства измерений, испытаний и контроля. Конспект лекций для студентов  специальности 5В073100- Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей среды. -Алматы: АУЭС, 2012. – 61 с.

Содержит основные сведения о видах и методах измерений, контроля, классификации средств измерения. Рассмотрен порядок проведения испытаний при сертификации продукции. Дана классификация средств измерения. Приведены устройство, принцип действия, характеристики и область применения электронных аналоговых и цифровых приборов.

Предназначено для студентов вузов  обучающихся по специальности 5В073100 - Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей среды.

Рецензент: канд. техн. наук, проф. Цыба Ю.А.

Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества «Алматинский университет энергетики и связи» на 2012 г.

© НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2014 г.

Введение

Специалисты в области безопасности жизнедеятельности и защиты окружающей среды должны владеть необходимыми знаниями о методах и средствах контроля характеристик условий труда и  окружающей среды, поскольку инструментальный контроль позволяет наиболее объективно подтвердить соответствие объекта предъявляемым санитарным и экологическим требованиям.

Данный курс лекций поможет студентам понять место и значение измерений при контроле условий окружающей  и производственной среды.

Предлагаемый курс лекции является первой частью методического комплекса по дисциплине «Методы и средства контроля измерений» и предназначен для студентов, магистрантов, специализирующихся в области охраны труда и охраны окружающей среды,  практического применения приборов для измерения различного рода физических величин, контроля и управления условий труда и окружающей среды.

Измерения  и контроль являются основными методами подтверждения соответствия условий окружающей и производственной среды санитарным нормативам. Особенности их применения определяются задачами, которые решает испытательная лаборатория при сертификации.

 Цель курса «Методы и средства измерений и контроля» : теоретическая и практическая подготовка студентов по методам измерений, приобретение навыков работы с приборами по контролю и измерению параметров , загрязнений окружающей среды; формирование у студентов системы знаний , умений и навыков по использованию средств контроля и измерений в безопасности жизнедеятельности.

Задачей дисциплины является овладение студентами знаниями методов и средств контроля и измерений возможных вредностей, оказывающих негативное воздействие на окружающую природную среду и здоровье человека; в оценке вредных компонентов в качественном и количественном выражении. 

В результате изучения данной дисциплины студент должен:

- знать методы и средства анализа объектов окружающей среды и технологических процессов: хроматографический, электрохимический, оптический, массовоспектральный, спектрально-химический и другие;

- уметь  использовать современные методы, принципы и способы контроля и измерения при нормировании качества окружающей среды  и безопасности жизнедеятельности;

- приобрести практические навыки по: работе с приборами и оборудованием по определению условий труда и состояния окружающей  среды, быть компетентными:

- в вопросах определения качества окружающей среды;

- в вопросах применения средств контроля в охране окружающей среды;

- в вопросах измерения параметров качества окружающей среды.

 Лекция №1.  Предмет и задачи курса. Основные термины и понятия

 Цель лекции: изучить основные термины и определения по методам и средствам измерений, испытаний и контроля, ознакомиться с основными единицами средств измерений.

 Содержание лекции: основные физические величины свойств объекта, единицы измерения в см, производные  единицы см.

Физическая величина (ФВ) – одно из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них (например, длина, масса, время, скорость, концентрация, влажность и т.д.). Физической величиной может быть характеристика продукции, подлежащая определению при оценке соответствия. Термин «величина» обычно применяется в отношении тех свойств или характеристик, которые могут быть оценены количественно, т.е. могут быть измерены. Существуют такие свойства или характеристики, которые современный уровень науки и техники ещё не позволяет оценивать количественно, например, запах, вкус, цвет. Поэтому такие характеристики обычно избегают называть величинами, а называют свойствами.

Размер ФВ – количественная определённость физической величины, присущая конкретному материальному объекту, системе, явлению или процессу. Другими словами, размер ФВ есть количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующего понятию «физическая величина» (например, размер длины, массы, силы тока и т.д.)

Значение ФВ – оценка физической величины в виде некоторого числа принятых для неё единиц, причём отвлечённое (безразмерное) число, входящее в значение физической величины, называется числовым значением.

Истинное значение ФВ – значение физической величины, которое идеальным образом характеризует в качественном и количественном отношении соответствующую физическую величину. Например, скорость света в вакууме, плотность дистиллированной воды при температуре 40^о С имеют вполне определённое значение – идеальное, которое мы не знаем.

Действительное значение ФВ – значение физической величины, полученное экспериментальным путём и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него. Например, действительное значение скорости света в вакууме составляет 2,997925108 м/с, плотность дистиллированной воды при температуре 4 °С составляет 103 кг/м³.

Единица ФВ – физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение, равное единице. Единицы одной и той же ФВ могут различаться по своему размеру. Например, метр, фут и дюйм, являясь единицами длины, имеют различные числовые значения:

1 фут = 0,3048 м, 1 дюйм = 0,0254 м.

Кратная единица ФВ – единица, которая в целое число раз больше основной или производной единицы.

Дольная единица ФВ – единица, которая в целое число раз меньше основной или производной единицы.

Кратные и дольные единицы ФВ образуются благодаря соответствующим приставкам к основным единицам (см. таблицу 1.1).

Таблица 1.1- Приставки СИ и множители для образования десятичных кратных и дольных единиц и их наименований

Система ФВ – совокупность ФВ, образованная в соответствии с принятыми принципами, когда одни величины принимают за независимые, а другие  о пределяют как функции независимых величин.

Основная ФВ – физическая величина, входящая в систему и условно принятая в качестве независимой от других величин этой системы. Например, в системе LMT основные величины – длина, масса, время.

Основная единица ФВ – единица основной физической величины, выбранная произвольно при построении системы единиц (см. подраздел 1.2). Например, основные единицы Международной системы единиц (СИ): метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль, кандела.

Рассмотрим наиболее распространённую во всем мире и принятую у нас в стране Международную систему единиц (СИ), содержащую семь основных единиц, которые приведены в таблице 1.2. В названии системы величин применяют символы величин, принятых за основные. Так, система величин механики, в которой в качестве основных приняты длина L, масса M и время T, должна называться системой LMT. Система основных величин, соответствующая Международной системе единиц (СИ), должна  обозначаться символами

 

Таблица 1.2 -  Основные единицы СИ

 

Килограмм равен массе международного прототипа килограмма.

Секунда равна 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Ампер равен силе неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м друг от друга, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2·10^–7 Н.

Кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды.

Температура тройной точки воды – это температура точки равновесия воды в твёрдой (лед), жидкой и газообразной (пар) фазах на 0,01 К или 0,01 °С выше точки таяния льда.

Допускается применение шкалы Цельсия (⁰С). Температура в °С обозначается символом t: t = T – T_о, где T_о = 273,15 K. Тогда t = 0⁰С при Т = 273,15 К.

Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг.

Кандела равна силе света в заданном направлении источника, теоретическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683  Вт/ср.

Размерность ФВ – выражение в форме степенного одночлена, составленного из произведений символов основных физических величин в различных степенях и отражающего связь данной физической величины с физическими величинами, принятыми в данной системе величин за основные, с коэффициентом пропорциональности, равным 1.

Степени символов основных величин, входящих в одночлен, в зависимости от связи рассматриваемой физической величины с основными, могут быть целыми, дробными, положительными и отрицательными. Понятие «размерность» распространяется и на основные величины. Размерность основной величины в отношении самой себя равна единице, т.е. формула размерности основной величины совпадает с её символом.

В соответствии с международным стандартом ИСО 31/0, размерность величин следует обозначать знаком dim. В системе величин LMT размерность величины x будет: dim x = Ll M mT t, где L, M, T – символы величин, принятых за основные (соответственно длины, массы, времени).

Производные единицы системы СИ образуются с помощью простейших уравнений связи между величинами.

Кроме системных единиц системы СИ в нашей стране узаконено

применение некоторых внесистемных единиц:

- атмосфера (98 кПа),

- бар, мм рт. ст., ангстрем (10^{-10 м);}

       - киловатт-час; час (3600 с);

- дюйм(25,4 мм) и др.

Кроме того, применяются логарифмические ФВ – логарифм (десятичный или натуральный) безразмерного отношения одноимённых ФВ. Логарифмические ФВ применяют для выражения звукового давления, усиления, ослабления.

Единица логарифмической ФВ – бел (Б), которая определяется по следующей формуле:

1Б =lg (P2 / P1) при Р2= 10Р1,

где Р2 и Р1 – одноимённые энергетические величины (мощность, энергия).

Для «силовых» величин (напряжение, сила тока, давление, напряжённость поля) бел определяется по формуле:

1 Б = 2 lg(F2/F1) при F2 = 10F1 .

Дольная единица от бела – децибел (дБ): 1 дБ = 0,1 Б.

Измерение совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с её единицей и получение значения этой величины.

Примеры:

1) В простейшем случае, прикладывая линейку с делениями к какой-либо детали, по сути, сравнивают её размер с единицей, хранимой линейкой, и, произведя отсчёт, получают значение величины (длины, высоты, толщины и других параметров детали).

2) С помощью измерительного прибора сравнивают размер величины, преобразованной в перемещение указателя, с единицей, хранимой шкалой этого прибора, и проводят отсчёт.

 Приведённое определение понятия «измерение» удовлетворяет общему уравнению измерений, что имеет существенное значение в деле упорядочения системы понятий в метрологии. В нём учтена техническая сторона (совокупность операций), раскрыта метрологическая суть измерений (сравнение с единицей) и показан гносеологический аспект (получение значения величины).

От термина «измерение» происходит термин «измерять», которым широко пользуются на практике. Всё же нередко применяются такие термины,

как «мерить», «обмерять», «замерять», «промерять», не вписывающиеся в систему метрологических терминов. Их применять не следует. Не следует также применять такие выражения, как «измерение значения» (например, мгновенного значения напряжения или его среднего квадратического значения), так как значение величины – это уже результат измерений.

3) В тех случаях, когда невозможно выполнить измерение (не выделена

величина как физическая и не определена единица измерений этой величины), практикуется оценивание таких величин по условным шкалам.

Испытание – определение одной или нескольких характеристик продукции согласно установленной процедуре.

Задача испытания – получение количественных или качественных оценок характеристик продукции, т.е. оценивание способности выполнять требуемые функции в заданных условиях. Эта задача решается в испытательных лабораториях, её решением является подготовленный протокол испытаний с указанием параметров продукции.

Контроль – процедура оценивания соответствия путём наблюдений и суждений, сопровождаемых соответствующими измерениями, испытаниями и калибровкой.

 

Лекция №2. Характеристика методов и средств контроля и измерений

 

Цель лекции: изучить принципы работы средств измерений и приборов контроля, их основные характеристики.

Содержание лекции: характеристика методов и средств измерений, виды погрешностей: случайная, систематическая, абсолютная, относительная, приведенная, аддитивная, методы измерений.    

 

Средством измерений называется техническое средство (или их комплекс), используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики. В отличие от таких технических средств, как индикаторы, предназначенных для обнаружения физических свойств (компас, лакмусовая бумага, осветительная электрическая лампочка), средства измерений позволяют не только обнаружить физическую величину, но и измерить её, т.е. сопоставить неизвестный размер с известным. Другими отличительными признаками средств измерений являются, во-первых, «умение» хранить (или  воспроизводить) единицу физической величины; во-вторых, неизменность размера хранимой единицы. Если же размер единицы в процессе измерений изменяется более чем установлено нормами, то с помощью такого средства невозможно получить результат с требуемой точностью. Отсюда следует, что измерять можно только тогда, когда техническое средство, предназначенное для этой цели, может хранить единицу, достаточно неизменную по размеру (во времени).

Средства измерений можно классифицировать по двум признакам: конструктивное исполнение; метрологическое назначение. По конструктивному исполнению средства измерений подразделяются на меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи, измерительные системы (комплексы) (см. рисунок 1.1).

Мера физической величины – средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой мерой неопределённости результата измерения является погрешность результата наблюдения. Более подробно погрешности измерений рассматриваются в курсе «Метрология, стандартизация, сертификация». Ниже будут приведены лишь основные сведения о них.

Под погрешностью результата измерения, или просто погрешностью измерения, понимается отклонение результата измерения от истинного (действительного) значения измеряемой физической величины. Записывается это следующим образом:

                                        Δ = X_изм - X ,                                                              (2.1)

 

где Х_изм– результат измерения; X – истинное значение ФВ.

Однако, поскольку истинное значение ФВ остаётся неизвестным, то неизвестна и погрешность измерения. Поэтому на практике имеют дело с приближёнными значениями погрешности или с так называемыми их оценками. В формулу для оценки погрешности подставляют вместо истинного значения ФВ её действительное значение. Таким образом, формула для оценки погрешности имеет следующий вид:

                                              

                                                  Δ = X_изм – X_д,                                                   (2.2)

  

 

где Xд – действительное значение ФВ.

Каковы же основные причины возникновения погрешности?

Можно выделить четыре основные группы погрешностей измерения:

- погрешности, вызванные методиками выполнения измерения (погрешность метода измерения);

- погрешность средств измерения;

- погрешность органов чувств наблюдателей (субъективные погрешности);

- погрешности, обусловленные влиянием условий измерения.

Все эти погрешности дают суммарную погрешность измерения.

В метрологии принято разделять суммарную погрешность измерения на две составляющие – случайную и систематическую погрешности.

Случайная погрешность измерения – составляющая погрешности результатов измерения, изменяющаяся случайным образом (по знаку и значению) в повторных наблюдениях, проведённых с одинаковой тщательностью одной и той же неизменяющейся (детерминированной) ФВ.

Систематическая погрешность измерения – составляющая погрешности результата измерения, остающаяся постоянной или же закономерно изменяющаяся при повторных наблюдениях одной и той же неизменяющейся ФВ.

В общем случае в результатах измерения всегда присутствуют эти обе составляющие. На практике часто бывает так, что одна из них значительно превышает другую. В этих случаях меньшей составляющей пренебрегают. Например, при измерениях, проводимых с помощью линейки или рулетки, как правило, преобладает случайная составляющая погрешности, а систематическая – мала, ею пренебрегают. Случайная составляющая в этом случае объясняется следующими основными причинами:

- неточностью (перекосом) установки рулетки (линейки);

- неточностью установки начала отсчёта;

- изменением угла наблюдения;

- усталостью глаз;

- изменением освещённости.

Систематическая погрешность возникает из-за несовершенства метода выполнения измерения, погрешностей СИ, неточного знания математической модели измерения, из-за влияния условий, погрешностей градуировки и поверки СИ, личных причин. Поскольку случайные погрешности результатов измерения являются случайными величинами, в основе их обработки лежат методы теории вероятностей и математической статистики. Кроме случайной и систематической погрешностей измерения различают так называемую грубую погрешность измерения. Иногда в литературе эту погрешность называют промахом. Грубая погрешность результата измерения – это такая погрешность, которая значительно превышает ожидаемую. Как уже отмечалось, в общем случае проявляются одновременно обе составляющие суммарной погрешности измерения – случайная и систематическая, поэтому

 

                                                         °

                                           Δ =  Δ+ Δ_{сист ,}                                                                                          (2.3)

 

где  Δ- суммарная погрешность измерения, она может быть представлена в виде суммы;

°

Δ– случайная составляющая погрешности измерения;                                                               Δсист – систематическая составляющая погрешности измерения.

Различают также абсолютные и относительные погрешности.

Абсолютная погрешность – погрешность, выраженная в единицах измеряемой величины. Например, погрешность измерения массы в 5 кг – 0,0001 кг. Она обозначается Δ. Данная погрешность может быть как отрицательной, так и положительной. Как правило, она позволяет определить интервал возможных значений измеряемой величины и не позволяет судить о точности измерений. Например, абсолютная погрешность измерения длины составила ± 0,5 м. Если измерялось расстояние между поверхностями Земли и Луны в какой-либо момент времени, то это точное измерение, а если измерялась длина стола точность измерения была крайне низка. Поэтому для характеристики точности измерений удобно применять относительную погрешность.

Относительная погрешность – это безразмерная величина, определяющаяся отношением абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой ФВ.

Точностью измерения называется величина, обратная относительной погрешности. Поскольку значение Хд близко к Хизм (очень мало отличается от него), то на практике обычно принимается 100%.

Приведённой погрешностью средства измерения по входу x или выходу y называют отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению входного XN или выходного YN сигнала.

Обычно в качестве нормирующего значения используется диапазон измерений преобразователя (Хв – Хн) или соответствующий ему диапазон измерений выходного сигнала (Yв – Yн). Приведённая погрешность не позволяет судить о точности измерений, поскольку на точность измерения в данном случае влияет ещё диапазон измерения. Чрезвычайно важными для применения измерительных устройств и правильной оценки погрешности измерений, получаемой при их использовании, являются сведения о зависимости погрешности от значения измерительной величины в пределах диапазона измерений, а также сведения об изменениях этой погрешности под действием влияющих величин. Зависимость погрешности от значения измеряемой величины определяется принятой конструкцией (схемой) и технологией изготовления измерительного устройства. Для рассмотрения этих зависимостей удобно использовать понятие номинальной и реальной статической характеристики измерительного устройства.

 Градуировочная характеристика. Зависимость между значениями величин на входе и выходе средства измерений, полученная экспериментально. Зависимость выходной величины средства измерения от величины на входе в статическом режиме называется статической характеристикой.

Номинальной (или идеальной) статической характеристикой (НСХ) называется характеристика, которая приписана измерительному устройству данного типа, указанная в его паспорте и используется при выполнении с его помощью измерений. Реальной статической характеристикой (РСХ) называется характеристика, которой обладает конкретный экземпляр измерительного устройства данного типа. Статические характеристики называют иначе функциями преобразования.

Из-за несовершенства конструкций и технологий изготовления измерительных устройств РСХ отличается от НСХ. Это отличие и определяет природу погрешностей данного измерительного устройства. Отклонения реальной характеристики от номинальной различны и зависят от значений измеряемой величины по всей шкале. По этому признаку погрешности принято разделять на аддитивную, мультипликативную, линейности и гистерезиса.

Аддитивной погрешностью, или «погрешностью нуля» измерительного устройства (получаемой путём сложения), называется погрешность, которая остаётся постоянной при всех значениях измеряемой величины.

Если влияющие величины, вызывающие изменения положения и формы РСХ, при измерении не выявляются, то рассматриваемое явление определяется как невоспроизводимость и характеризует случайную погрешность измерительного устройства. При этом используют понятия «размах» и «вариация».

Размахом (непостоянством) R выходного сигнала измерительного преобразователя (показаний измерительного прибора) называется разность между наибольшим и наименьшим значениями выходного сигнала. Этот «размах» соответствует одному и тому же значению измеряемой величины, полученному при многократном и одностороннем подходе к этому значению, т.е. при постепенном увеличении или уменьшении измеряемой величины (только при прямом или только при обратном ходе).

Вариацией  выходного сигнала измерительного преобразователя называют среднюю разность между значениями выходного сигнала, соответствующими одному и тому же значению измеряемой величины, полученными при многократном и двустороннем подходе к этому значению, т.е. при постепенном

увеличении и последующем уменьшении измеряемой величины (иначе говоря, при прямом и обратном ходе).

Основная погрешность – это погрешность СИ, находящегося в нормальных условиях эксплуатации. Она возникает из-за неидеальности собственных свойств СИ и показывает отличие действительной функции преобразования СИ в нормальных условиях от номинальной. Нормативными документами на СИ конкретного типа (стандартами, техническими условиями и др.) оговариваются нормальные условия измерений – это условия измерения, характеризуемые совокупностью значений или областей значений влияющих величин, при которых изменением результата измерений пренебрегают вследствие малости. Среди таких влияющих величин наиболее общими являются температура и влажность окружающей среды, напряжение, частота и форма кривой питающего напряжения, наличие внешних электрических и магнитных полей и др. Для нормальных условий применения СИ нормативными документами предусматриваются: нормальная область значений влияющей величины (диапазон значений): температура окружающей среды – (20 ± 5) °С; положение прибора – горизонтальное с отклонением от горизонтального ±2°; относительная влажность – (65 ± 15)%; практическое отсутствие электрических и магнитных полей, напряжение питающей сети – (220 ± 4,4) В, частота питающей сети – (50 ± 1) Гц и т.д.

Рабочая область значений влияющей величины – область значений влияющей величины, в пределах которой нормируют дополнительную погрешность или изменение показаний средства измерений.

Рабочие условия измерений – это условия измерений, при которых значения влияющих величин находятся в пределах рабочих областей. Например, для измерительного конденсатора нормируют дополнительную погрешность на отклонение температуры окружающего воздуха от нормальной. Для амперметра – изменение показаний, вызванное отклонением частоты переменного тока от 50 Гц (значение частоты 50 Гц в данном случае принимают за нормальное значение частоты).

Дополнительная погрешность – составляющая погрешности СИ, возникающая дополнительно к основной погрешности вследствие отклонения какой-либо из влияющих величин от нормального её значения или вследствие её выхода за пределы нормальной области значений.

 

Лекция №3. Виды измерений

 

Цель лекции: изучить классификацию средств измерений.

Содержание лекции: классификация видов измерений, позволяющая систематизировать  разнообразие измерения всевозможных физических величин и облегчающая подход к решению конкретной измерительной задачи.  

 

Виды измерений обычно классифицируются по следующим признакам: характеристике точности – равноточные, неравноточные (равнорассеянные,  неравнорассеянные);

числу измерений – однократные, многократные;

отношению к изменению измеряемой величины – статические, динамические;

метрологическому назначению – метрологические, технические;

выражению результата измерений – абсолютные, относительные;

по общим приемам получения результатов измерений – прямые, косвенные, совместные, совокупные.

Равноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности СИ и в одних и тех же условиях.

Неравноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненных несколькими различными по точности СИ и (или) в разных условиях.

Однократное измерение – измерение, выполненное один раз.

Многократные измерения – измерения одного и того же размера ФВ, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом наблюдений, т.е. состоящих из ряда однократных измерений.

Прямое измерение – измерение ФВ, проводимое прямым методом, при котором искомое значение ФВ получают непосредственно из опытных данных. Прямое измерение производится путём экспериментального сравнения измеряемой ФВ с мерой этой величины или путём отсчёта показаний СИ по шкале или цифровому прибору. (Например, измерения длины, высоты с помощью линейки, напряжения – с помощью вольтметра, массы – с помощью весов.)

Косвенное измерение – измерение, проводимое косвенным методом, при котором искомое значение ФВ находят на основании результата прямого измерения другой ФВ, функционально связанной с искомой величиной известной зависимостью между этой ФВ и величиной, получаемой прямым измерением.

Примеры косвенных измерений:

Отметим, что измерения, в которых искомая величина определяется на основе прямых измерений основных физических величин системы и при использовании физических констант, называются абсолютными.

Косвенные измерения сложнее прямых, однако, они широко применяются в практике либо потому, что прямые измерения практически невыполнимы, либо потому, что косвенное измерение позволяет получить более точный результат по сравнению с прямым измерением.

Совокупные измерения – одновременно проводимые измерения нескольких одноимённых величин, при которых искомые значения величин определяют путём решения системы уравнений, получаемых при измерениях различных сочетаний этих величин.

Пример: значение массы отдельных гирь набора определяют по известному значению массы одной из гирь и по результатам измерений (сравнений) масс различных сочетаний гирь.

Совместные измерения – это производимые одновременно измерения двух или нескольких неодноимённых величин для нахождения зависимости между ними.

Числовые значения искомых величин при совокупных и совместных  измерениях определяются из системы уравнений, связывающих значения искомых величин со значениями величин, измеренных прямым (или косвенным) способом.

Чтобы определить числовые значения искомых величин, необходимо получить, по крайней мере, столько уравнений, сколько имеется этих величин. Хотя в общем случае число прямых измерений может быть и больше минимально необходимого.

В качестве примера рассмотрим задачу экспериментального определения зависимости сопротивления резистора от температуры.

                                        R_t =R₀+at+bt,                                                              (3.1)

 

где R₀ и Rt – значения сопротивлений резистора при нулевой температуре и температуре t соответственно;

 a и b – постоянные температурные коэффициенты.

Требуется определить значения величин R₀, a и b.

Очевидно, ни прямыми, ни косвенными измерениями здесь задачу не решить. Поступим следующим образом. При различных (известных) значениях температуры (она может быть измерена прямо или косвенно) t₁, t₂ и t₃ измеряем (прямо или косвенно) значения.

Решая эту систему относительно R₀, a и b, получаем значения искомых величин. Это пример совместных измерений.

Совокупность приёмов использования принципов и средств измерений составляет метод измерения. Различные методы измерений отличаются прежде всего организацией сравнения измеряемой величины с единицей измерения. С этой точки зрения все методы измерений в соответствии с ГОСТ 16263–70 подразделяются на две группы: методы непосредственной оценки и методы сравнения. Методы сравнения в свою очередь включают в себя метод противопоставления, дифференциальный метод, нулевой метод, метод замещения и метод совпадений.

При методе непосредственной оценки значение измеряемой величины определяют непосредственно по отсчётному устройству измерительного прибора прямого действия (измерительный прибор, в котором предусмотрено одно или несколько преобразований сигнала измерительной информации в одном направлении, т.е. без обратной связи). На этом методе основаны все показывающие (стрелочные) приборы (вольтметры, амперметры, ваттметры, счётчики электрической энергии, термометры, тахометры и т.п.). Следует отметить, что при использовании данного метода измерений мера как вещественное воспроизведение единицы измерения, как правило, непосредственно в процессе измерения не участвует. Сравнение измеряемой величины с единицей измерения осуществляется косвенно путём предварительной градуировки измерительного прибора с помощью образцовых мер или образцовых измерительных приборов.

Точность измерений по методу непосредственной оценки в  большинстве случаев невелика и ограничивается точностью применяемых измерительных приборов.

Точность измерений по методу непосредственной оценки в  большинстве случаев невелика и ограничивается точностью применяемых измерительных приборов.

Метод сравнения с мерой – это такой метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Примеры этого метода: измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирями; измерение напряжения постоянного тока на компенсаторе сравнением с ЭДС нормального элемента.

Метод сравнения с мерой, в котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между этими величинами, называется методом противопоставления.

Это, например, измерение массы на рычажных весах с помещением её и уравновешивающих гирь на две чаши весов при известном соотношении плеч рычага весов. В этом случае при качественном выполнении устройства сравнения (малое трение в опорах, стабильность соотношения плеч рычага и т.п.) может быть достигнута высокая точность измерений (пример – аналитические весы).

Дифференциальный метод – это метод сравнения с мерой, в котором на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой. Этот метод позволяет получать результаты измерений с высокой точностью даже в случае применения относительно неточных измерительных приборов, если с большой точностью воспроизводится известная величина.

Рассмотрим следующий пример. Необходимо измерить постоянное напряжение, истинное значение которого равно U_х= 0,99 В.

В распоряжении экспериментатора имеется набор вольтметров (или один многопредельный) с пределами измерения 0,01; 0,1; 1 В. Пусть погрешность каждого вольтметра при измерении величины, значение которой равно пределу измерения, составляет 1%. Предположим, что имеется также образцовая мера напряжения U₀ =1В, погрешность которой пренебрежимо мала. Очевидно, что, производя измерения методом непосредственной оценки, экспериментатор использует вольтметр с пределом измерения 1 В и получает результат измерений с погрешностью 1%. При дифференциальном методе измерения экспериментатор включает источники измеряемого постоянного напряжения U_х бразцового напряжения U0 последовательно и встречно и измеряет их разность U₀-U_х= 0,01В вольтметром с пределом измерения 0,01 В. В этом случае разность U₀-U_х будет измерена с погрешностью 1%, а, следовательно, значение напряжения будет определено с погрешностью 0,01%. Указанный метод широко используется, в частности, при поверке средств измерений (например, измерительных трансформаторов тока и напряжения). На нём основана работа очень распространённых в электроизмерительной технике мостов постоянного и переменного токов.

Эффект повышения точности результатов измерений, достигаемый при дифференциальном методе, оказывается тем значительнее, чем ближе значение меры к истинному значению измеряемой величины. В том случае, когда результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля, дифференциальный метод измерений превращается в нулевой. Очевидно, что в нулевом методе измерений используемая мера должна быть изменяемой (регулируемой), а прибор сравнения выполняет функции индикатора равенства нулю результирующего воздействия измеряемой величины и меры.

Нулевой метод позволяет получить высокие точности измерений и широко используется, например, при измерениях электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием или постоянного напряжения компенсатором постоянного тока.

Методом замещения называется метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой. Это, например, взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов. Метод замещения можно рассматривать как разновидность дифференциального или нулевого метода, отличающуюся тем, что сравнение измеряемой величины с мерой производится разновременно.

Метод совпадений – это метод сравнения с мерой, в котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов. Примерами этого метода являются измерения длины с помощью штангенциркуля с нониусом, измерение частоты вращения стробоскопом.

  Описанные выше различия в методах сравнения измеряемой величины с мерой находят своё отражение и в принципах построения измерительных приборов.

С этой точки зрения различают измерительные приборы прямого действия и приборы сравнения. В измерительном приборе прямого действия предусмотрено одно или несколько преобразований сигнала измерительной информации в одном направлении, т.е. без применения обратной связи. Так, например, приведена структура электронного вольтметра переменного и постоянного тока, которая содержит выпрямитель В, усилитель постоянного тока УПТ и измерительный механизм ИМ. В этом приборе преобразование сигнала измерительной информации идёт только в одном направлении.

Характерной особенностью приборов прямого действия является потребление энергии от объекта измерения. Однако это не исключает возможности применения приборов прямого действия для измерения, например, электрического сопротивления или ёмкости, но для этого необходимо использовать вспомогательный источник энергии.

Измерительный прибор сравнения предназначен для непосредственного сравнения измеряемой величины с величиной, значение которой известно.

Измеряемая  величина x и однородная с ней величина x₀ подаются на входы устройства сравнения УС. Величина x₀получается от регулируемой меры М. В зависимости от результата сравнения х с х₀ устройство управления УУ воздействует на меру М таким образом, чтобы величина x - x₀ уменьшалась. Процесс уравновешивания заканчивается, когда x₀ = x . При этом значение измеряемой величины отсчитывается по шкале регулируемой меры. Если в устройстве сравнения происходит вычитание величин х и x₀, то в данном приборе реализуется сравнение измеряемой величины с мерой нулевым методом. Очевидно, что любой измерительный прибор сравнения должен иметь цепь обратной связи и замкнутую структуру. Обратная связь может применяться и в приборах прямого действия, однако в них она всегда охватывает не весь процесс преобразования, а только его часть.

Например, в структурной схеме усилитель постоянного тока может быть охвачен обратной связью. В измерительных приборах сравнения в цепи обратной связи всегда формируется физическая величина, однородная с измеряемой, которая подаётся на вход прибора.

Следует отметить, что сравнение измеряемой величины с мерой в приборах сравнения может осуществляться либо одновременно (нулевой метод), либо разновременно (метод замещения).

Таким образом, приведённая классификация видов и методов измерений позволяет не только систематизировать разнообразные измерения всевозможных физических величин и тем самым облегчить подход к решению конкретной измерительной задачи, но и с общих позиций подойти к рассмотрению структур и принципов действия различных измерительных приборов.

 

Лекция №4. Поверка и испытания средств контроля и измерений

 

Цель лекции: изучить методы поверки приборов контроля и виды  исследовательский испытаний.

Содержание лекции: виды испытаний оборудования: исследовательские оценочные, контрольные, квалификационные, приемосдаточные, периодичность испытаний.

 

Испытания продукции – это разновидность контроля, поэтому им также присущ системный подход. В систему испытаний входят следующие основные элементы: объект (изделие, продукция), категория испытания, средства для проведения испытаний и замеров (испытательное оборудование и измерительные приборы или регистрирующие средства измерений), исполнитель испытания, нормативно-техническая документация на испытания (программа, методики).

В зависимости от стадии жизненного цикла продукции проводятся следующие испытания:

- исследования – исследовательские;

- разработка – доводочные, предварительные;

- производство – приёмочные, квалификационные, предъявительские, приёмосдаточные, периодические, типовые, инспекционные, сертификационные;

- эксплуатация – подконтрольная эксплуатация, эксплуатационные периодические, инспекционные.

Исследовательские испытания при необходимости проводят на любых стадиях жизненного цикла продукции. В процессе производства продукции покупные материалы, комплектующие изделия могут подвергаться контрольным испытаниям при входном контроле, а составные части собственного изготовления – при операционном. Исследовательские испытания проводят для изучения поведения объекта при том или ином внешнем воздействующем факторе (ВВФ) или в том  случае, если нет необходимого объёма информации. Чаще всего это бывает, когда объект недостаточно изучен, например, при исследовательских работах, проектировании, выборе оптимальных способов хранения, транспортирования, ремонта и технического обслуживания. В цехах опытного производства по эскизам изготовляют модели, макеты, опытные образцы сборочных узлов или деталей, которые затем испытывают. В процессе испытаний оценивают работоспособность образца, правильность конструкторского решения, определяют возможные характеристики, выясняют закономерности и тенденции изменения параметров. Различные проверки проводят по специальной программе, которую разрабатывает ведущий конструктор. Исследовательские испытания проводят в основном на типовом представителе с целью получения информации о совокупности всех объектов данного вида. Таким образом, эти испытания проводятся для изучения характеристик свойств объекта, формирования исходных требований к продукции, выбора технических решений, определения характеристик продукции и её составных частей, выбора наиболее эффективных методов производства, эксплуатации (применения) и контроля продукции; определения условий эксплуатации. Исследовательские испытания часто проводят как определительные и оценочные. Цель определительных испытаний – нахождение значений одной или нескольких величин с заданной точностью и достоверностью. Иногда при испытаниях надо лишь установить факт годности объекта, т.е. определить, удовлетворяет ли данный экземпляр из ряда объектов данного вида установленным требованиям или нет. Такие испытания называются оценочными.

Испытания, проводимые для контроля качества объекта, называются контрольными. Назначение контрольных испытаний – проверка на соответствие техническим условиям определённых экземпляров комплектующих изделий или составных частей при изготовлении.

В результате испытаний полученные данные сопоставляют с установленными в технических условиях и делают заключение о соответствии испытываемого (контролируемого) объекта нормативно-технической документации (документации на поставку комплектующих изделий). Доводочные испытания проводят на стадии НИОКР для оценки влияния вносимых в техническую документацию изменений, чтобы обеспечить достижение заданных значений показателей качества продукции. Необходимость испытаний определяет разработчик либо при составлении технического задания на разработку, либо в процессе разработки; он же составляет программу и методику испытаний.

Квалификационные испытания проводят в следующих случаях: при оценке готовности предприятия к выпуску конкретной серийной продукции, если изготовители опытных образцов и серийной продукции разные, а также при постановке на производство продукции по лицензиям и продукции, освоенной на другом предприятии. В остальных случаях необходимость проведения квалификационных испытаний устанавливает приёмочная комиссия.

Испытаниям подвергают образцы из установочной серии (первой промышленной партии), а также первые образцы продукции, выпускаемой по лицензиям и освоенной на другом предприятии.

Приёмосдаточные испытания проводят для принятия решения о пригодности продукции к поставке или её использованию. Испытаниям подвергают каждую изготовленную единицу продукции или выборку из партии. Испытания проводит служба технического контроля изготовителя с участием в установленных случаях представителя заказчика. При наличии на предприятии государственной приёмки приёмосдаточные испытания проводят её представители. При испытаниях контролируют значения основных параметров и работоспособность изделия. При этом контроль установленных в НТД показателей надёжности изделий может осуществляться косвенными методами. Порядок испытаний установлен в стандарте общих технических требований или технических условиях, а для продукции единичного производства – в техническом задании.

Периодические испытания проводят с целью:

- периодического контроля качества продукции;

- контроля стабильности технологического процесса в период между очередными испытаниями;

- подтверждения возможности продолжения изготовления изделий по действующей документации и их приёмки;

- подтверждения уровня качества продукции, выпущенной в течение контролируемого периода;

- подтверждения эффективности методов испытания, применяемых при приёмочном контроле.

Периодические испытания предназначены для продукции установившегося серийного (массового) производства. При их проведении контролируют значения показателей, которые зависят от стабильности технологического процесса, но не проверяются при приёмосдаточных испытаниях. Для испытаний представляют образцы продукции, отобранные в соответствии со стандартами, техническими условиями и прошедшие приёмосдаточные испытания.

Программа периодических испытаний разнообразна и максимально приближена к условиям эксплуатации.

Типовые испытания – контроль продукции одного типоразмера, по единой методике, который проводят для оценки эффективности и целесообразности изменений, вносимых в конструкцию или технологический процесс. Испытаниям подвергают образцы выпускаемой  продукции, в конструкцию или технологический процесс изготовления которых внесены изменения. Проводит эти испытания изготовитель с участием представителей государственной приёмки или испытательная организация. Программу испытаний устанавливают в зависимости от характера внесённых изменений.

Инспекционные испытания осуществляют выборочно с целью контроля стабильности качества образцов готовой продукции и продукции, находящейся в эксплуатации. Их проводят специально уполномоченные организации (органы госнадзора, ведомственного контроля, организации, осуществляющие внешнеторговые операции и др.) в соответствии с НТД на эту продукцию по программе, установленной организацией, их выполняющей, или согласованной с ней. Сертификационные испытания проводят для определения соответствия продукции требованиям безопасности и охраны окружающей среды, а в некоторых случаях и важнейших показателей качества продукции: надёжности, экономичности и т.д.

Сертификационные испытания – элемент системы мероприятий, направленных на подтверждение соответствия фактических характеристик продукции требованиям НТД. Сертификационные испытания, как правило, проводят независимые от производителя испытательные центры. По результатам испытаний орган по сертификации принимает решение о соответствии продукции требованиям НТД. Сертификация предполагает взаимное признание результатов испытаний поставщиком и потребителем продукции, что особенно важно при внешнеторговых операциях. Программу и методы испытаний устанавливают в сертификационной документации и указывают в положении по сертификации данного вида продукции с учётом особенностей её изготовления, испытаний и поставки.

Эксплуатационные периодические испытания проводят для определения возможности или целесообразности дальнейшей эксплуатации (применения) продукции в том случае, если изменение её показателя качества может создать угрозу безопасности, здоровью, окружающей среде или привести к снижению эффективности её применения. Испытаниям подвергают каждую единицу эксплуатируемой продукции через установленные интервалы наработки или календарного времени.

По условиям и месту проведения различают испытания:

- лабораторные, осуществляемые в лабораторных условиях;

- стендовые, проводимые на испытательном оборудовании в испытательных или научно-исследовательских подразделениях. Испытательное оборудование может выпускаться серийно, например вибрационные стенды для испытаний на вибрацию, ударные стенды и др., а может специально разрабатываться (проектироваться и изготовляться) в процессе создания нового изделия для его испытания с целью получения каких-либо характеристик (показателей);

- полигонные, выполняемые на испытательном полигоне, например испытания автомобилей;

- натурные – испытания в условиях, соответствующих условиям его использования по прямому назначению. В данном случае испытываются не составные части изделия или его модель, а только непосредственно изготовленная продукция. Характеристики свойств изделия при натурных испытаниях определяются непосредственно без использования аналитических зависимостей, отражающих физическую структуру объекта испытаний или его частей.

 

Лекция №5. Физико - химические методы исследования объектов окружающей среды

 

Цель лекции: изучить виды наблюдений за уровнем загрязнения атмосферы, методы отбора и подготовки проб к анализам контролируемой среды для проведения производственного мониторинга выбросов и сбросов загрязняющих веществ предприятий.

Содержание лекции: выбор постов наблюдений и контроля загрязнения  атмосферного воздуха, подготовке проб к анализам, методом отбора  проб,  методы определения   запыленности.

 

Общие положения.

Степень загрязнения атмосферы зависит от количества выбросов вредных веществ и их химического состава, от высоты, на которой осуществляются выбросы, от климатических условий, определяющих перенос, рассеивание и превращение выбрасываемых веществ. Правила организации наблюдений за уровнем загрязнения атмосферы разработаны для селитебной зоны (города и населенные пункты). Наблюдения в этом случае проводятся на постах трех категорий: стационарные, маршрутные, передвижные.

В соответствии «Инструкция по проведению производственного мониторинга выбросов и сбросов загрязняющих веществ предприятий» замеры  производятся хемилюминесцентными газоанализаторами: Каскад-100 – (СО); Р-310 (NO/ NO₂); С-310 (SO₂), выпущенными предприятием «ОПТЭК» гор.Санкт-Петербург, а также с использованием других измерительных приборов и аксессуаров.

При выборе постов контроля загрязнения атмосферного воздуха учитывается влияние источников загрязнения не связанных с деятельностью предприятия (в частности влияние автотранспортных средств).

 Отбор и подготовка проб к анализам контролируемой среды.

Стадия пробоотбора при мониторинговых наблюдениях представляет собой важный этап организации экологического мониторинга. Необходимо обеспечить условия, при которых проба будет достоверно отражать содержание определяемых компонентов в окружающей среде. Большое значение имеет сам объект исследования. Так, например, атмосферный воздух  постоянно меняется, а концентрации взвешенных примесей невысоки. Поэтому, при контрольных отборах атмосферного воздуха на содержание взвешенных частиц (сажи) через поглотители (фильтры)  прокачиваются различные объемы воздуха, зависящие от погодных и др. условий. При отборе водных, почвенных и растительных проб, для уменьшения случайных погрешностей  проводятся параллельный (контрольный) отбор образцов.

Для избежания посторонних загрязнений на стадии отбора проб должны приняты меры предосторожности. Неправильное хранение проб также может привести к изменению их состава, вследствие термического разложения, химических реакции и т.д. Во многих случаях при проведении отбора проб  должна быть  проведена их консервация – необходимая операция, позволяющая в дальнейшем транспортировать пробы в аналитические стационарные лаборатории.

Стадия подготовки проб является первой ступенью аналитической фазы. В период подготовки помехи от неизвестных факторов должны быть полностью исключены. Целью подготовки пробы является – перевод определяемого материала в форму, пригодную для анализа с помощью выбранных методов.

Метод отбора проб в сосуды. При отборе проб воздуха можно пользоваться обычными 1 — 2-л бутыля­ми, если чувствительность применяемого метода для данного вещества велика (порядка 1 мкг) или концентрация его в воздухе значительна. Бутыли снаб­жены пробками, в которые вставлены две стеклянные трубки — длинная, до­ходящая почти до дна, и короткая. На концы трубок надевают небольшие резиновые трубки с зажимами и отверстия закрывают стеклянными па­лочками. Приемы заполнения бутылей исследуемым воздухом различны:

 а) через бутыль протягивают 10-кратный объем воздуха;

 б) бутыль заполняют до предела водой или насыщенным раствором поваренной соли. В месте отбора пробы воздуха жидкость выливают и бутыль заполняется исследуемым воз­духом;

 в) из бутыли посредством вакуум-насоса откачивают воздух до опре­деленного остаточного давления (по манометру). В месте отбора пробы сни­мают стеклянные палочки, открывают зажимы и исследуемый воздух запол­няет бутыль.Пробы воздуха можно также отбирать в газовые пипетки или резиновые камеры.

Пробы воды должны отбираться в стеклянные емкости V=0,5 дм³. При необходимости в ряде случаев, добавляется консервант. На анализы нефтепродуктов – четыреххлористый углерод, на тяжелые металлы – азотная кислота и т.д.

Объем одной пробы воды на общий химический анализ составит 1 дм³, такой же объем отдельно отбирается на нефтепродукты, тяжелые металлы и общую радиоактивность.

Согласно инструкции по отбору поверхностных и сточных вод на химический анализ, утвержденной Министерством  экологии и биоресурсов РК от 28.11.1994 г. и установленным требованиям к методам отбора сточных вод, содержащих загрязняющие примеси, при отборе проб должны быть  использованы пластиковые пробоотборники. Они  обеспечивают сохранение химического состава исследуемой воды при транспортировке, что важно в дальнейшем при определении химических компонентов.

На каждом мониторинговом участке (посту) растения должны  отбираться в гербарные сетки. Пробы почвы и растительности для контроля загрязнения вредными веществами  должны  помещаться в полиэтиленовые мешки с последующим  этикетированием. Масса каждой пробы почвы должна быть не менее 250-300 грамм, растительности - 50-150 грамм.         

Сведения, касающиеся характеристики натурного полевого материала, состояния водных источников, почвенно-растительного покрова и радиоактивного фона будут учитываться на месте. Для получения аналитических данных по химическому составу проб, загрязнению токсикантами и радионуклидами, собранные натурные материалы должны быть  направлены в стационарные аналитические лаборатории.

Методы определения ингредиентов при лабораторных аналитических исследованиях должны соответстветствовать  ГОСТам и включают: ионометрию, фотометрию, сенсорную газометрию, ИК-спектрометрию, хроматографию, атомную абсорбцию, гаммаспектроскопию и рутинные анализы.

Микрообъемный метод. Микрообъемный метод основан на поглощении вещества титрованным рас­твором щелочи и обратном титровании избытка щелочи кислотой. Этот ме­тод применим для определения в воздухе окиси и двуокиси углерода, угле­водородов после сжигания их до угольного ангидрида. В качестве щелочи используют едкий барий, титрование проводят соляной кислотой.

Фотометрические методы. Фотометрические методы анализа основаны на измерении интенсивности светопоглощения окрашенными растворами. К ним относятся колориметри­ческие и нефелометрические методы, основанные на визуальных наблюде­ниях или осуществляемые с помощью специальных приборов — фотоэлектро- колориметров, спектрофотометров и нефелометров.

Колориметрический визуальныый метод основан на спо­собности некоторых окрашенных растворов к светопоглощению пропорцио­нально концентрации веществ, вызывающих окраску. Интенсивность окраски пробного раствора сравнивается с окраской серии стандартных шкал, приго­товленных из стандартных растворов или из устойчивых растворов, имитиру­ющих нужную окраску.

При приготовлении реактивов и построении шкал применяется только дис­тиллированная, иногда даже дважды перегнанная вода, реактивы должны быть химически чистыми. В некоторых случаях возникает необходимость про­верять соответствующими реакциями отсутствие в них иона вещества, опре­деляемого в пробе.

При выполнении анализа пользуются только колориметрическими пробир­ками из бесцветного стекла, а при приготовлении стандартных растворов применяют мерные колбы на 25—100 мл и микропипетки на 1—2 мл.

Количество вещества рассчитывают по формуле :

                                                       ,                                                                        (5.1)

где х—количество определяемого вещества, мг/м³ ·;

а—найденная по шкале концентрация определяемого вещества, мкг;

б— объем жидкости, взятый для анализа, мл;

b—объем жидкости в поглотительном приборе, мл;

  V₀— объем воздуха, пропущенный через поглотительную среду,

Если проба воздуха отбирается при очень высоких или низких темпера­турах и давлении, V₀ приводится к нормальным условиям по формуле:

                                   ,                                                                      (5.2)

 

 

где V_t— объем пропущенного воздуха (л) при температуре t и атмосфер­ном давлении Р.

 Фотоэлектроколориметрический метод основан на измере­нии ослабления интенсивности светового потока, прошедшего через окрашен­ный раствор. Приемником лучистой энергии служит фотоэлемент. Возника­ющий ток измеряют с помощью гальванометра. Сила фототока для моно­хроматического потока световой энергии прямо пропорциональна интенсив­ности падающего на фотоэлемент излучения. Отечественной промышленно­стью выпускаются фотоэлектроколориметры ФЭК-М.

Нефелометрический метод основан на явлении Тиндаля — рас­сеянии света твердыми частицами, находящимися во взвешенном состоянии в растворах. Для измерения оптической плотности мутных растворов приме­няют универсальные фотоэлектрические микроколориметры — нефелометры ФЭК-Н-57 для измерения светопоглощения в видимой и ближней ультрафио­летовой области спектра в диапазоне длин волн 315—660 нм. Приемниками световой энергии служат два сурьмяно-цезиевых фотоэлемента, включенных по дифференциальной схеме.

Применяются также люминесцентный, спектроскопический полярографиче­ский и хроматографический методы анализа проб воздуха.

Люминесцентный метод. Метод основан на способности некоторых веществ отдавать поглощенную ими энергию в виде светового излучения. Явление, когда по окончании про­цесса возбуждения люминесценция практически прекращается, называется флуоресценцией, когда же она продолжается в течение некоторого времени — фосфоресценцией.

Для возбуждения флуоресценции используют ртутно-кварцевые лампы ПРК-2 и ПРК-4. Для задержки видимой области спектра и выделения ультра­фиолетового излучения определенной длины волны применяют светофильтры УФС-1, УФС-2, УФС-3, УФС-4.

Спектроскопический метод. Метод основан на способности элементов, помещенных в пламя вольтовой дуги (3500—4000° С), давать определенный спектр излучения, который про­пускается через систему линз и фиксируется на фотопластинке. Каждый эле­мент обладает своим спектром излучения, своей характерной линией спектра. С помощью микрофотометра измеряют интенсивность потемнения спектраль­ных линий, присущих данному веществу, интенсивность потемнения фона пла­стинки и ряда специально подобранных «э/галонов» — стандартов. Определе­ние ведут по градуировочным графикам.

Полярографический метод. Метод основан на измерении предельного тока диффузии, возникающего при электролизе испытуемого раствора с помощью ртутных (или других) электродов; при этом катодом служат капли ртути, вытекающие из капилля­ра, а анодом — слой ртути в электролизере, имеющий значительно большую поверхность, чем катод. На эту ртуть в электролизере наливают испытуемый раствор. В момент разряжения на электроде ионов, способных восстанавли­ваться или окисляться, при определенном потенциале возникает ток, который после достижения некоторой величины остается постоянным, так называемый предельный ток диффузии.

 

Лекция №6. Хроматографический метод

 

Цель лекции: изучение принципа работы хроматографического метода раздельного определения веществ, находящихся в сложных газовых или жидких смесях

Содержание лекции: изучить принцип работы приборов, работающих по  хроматографическому методу, экспресс- методы определения загазованности воздуха, методы определения запыленности воздуха.

 

Метод разработан для раздельного определения веществ, находящихся в сложных газовых или жидких смесях. Смесь пропускается через колонку, в которой имеются две фазы вещества:  неподвижная — твердое вещество (силикагель, активированный уголь и др.) или жидкость (органический рас­творитель), нанесенная или газ (см. рисунок 6.1) . При движении исследуемой смеси между двумя фазами скорость компонентов смеси различна, вследствие чего выход их из колонки происхо­дит неодновременно. В зависимости от природы веществ, составляющих ис­следуемую смесь, при анализе используют различные виды хроматографии — ионообменную, распределительную, газовую и др. Наибольшее применение в настоящее время имеет газовая хроматография, так как ей присущи высокая чувствительность, избирательность, быстрота и автоматизация процесса разделения и гистрации.

 

 

1- источник газа-носителя; 2—манометр; 3— осушитель; 4 — ввод пробы; 5 —хроматографическая колонка; 6 — тер­мостат; 7 — детектор; 8— са­мописец.

 

Рисунок 6.1- Схема хроматографической установки

 

Быстрые методы. К быстрым методам анализа воздуха относятся колориметрические и линей­но-колористические методы, которые позволяют быстро в месте отбора про­бы определять концентрацию загрязняющих воздух веществ.

Колориметрические методы. Основаны на протягивании возду­ха, содержащего загрязняющее вещество, через раствор, фильтровальную бу­магу или зерненый твердый сорбент и измерении интенсивности полученной на них окраски путем сравнения с окраской стандартных шкал.

Другой вариант метода заключается в протягивании воздуха через те же поглотительные среды и измерении объема протянутого воздуха до появления на них определенной окраски. Определение ведется по градуировочной кривой зависимости объема протянутого воздуха от концентрации вещества.

Линейно-колористический метод. Основан на протягивании исследуемого воздуха через индикаторные трубки и измерении длины окра­шенного слоя порошка по заранее приготовленным шкалам, показывающим зависимость этой длины от концентрации данного вещества. Анализ прово­дится на приборах УГ-1, УГ-2 (см. рисунок. 1.11) и на приборе фирмы «Дрегер».

Весовой метод определения пыли. Содержание пыли, находящейся в воздухе, определяется так называемым весовым методом (мг/м³). Одним из аспирационных приборов (воздуходувки, эжекторы и др.) исследуемый воздух протягивается через фильтр, который взвешивают до и после отбора пробы. Количество протянутого воздуха изме­ряется реометром, ротаметром или любым другим способом.

Наиболее распространенными фильтрами для пыли в настоящее время признаются аналитические фильтры аэрозольные АФА из перхлорвинилового фильтрующего материала (фильтры Петрянова — ФП или фильтры перхлор- виниловые Петрянова —ФПП). Из многих фильтров, применяемых для осаж­дения различных веществ (пыли, паров, туманов и др.), для исследования пыли используют фильтры АФА-В-10 и АФА-В-18 (буква В обозначает при­годность фильтра для весового анализа, а цифры 10 и 18 обозначают пло­щадь фильтра, см²). В ряде случаев, в частности на рудниках, применяются также фильтры из беззольной фильтровальной бумаги; количество осевшей на фильтрах пыли определяют после сжигания фильтра путем взвешивания золы. В некоторых случаях используют так называемые мембранные фильтры с целью изучения наиболее мелкой пыли, а также микроорганизмов, загряз­няющих воздух.

Концентрацию пыли рассчитывают, как и при старом стандартном мето­де - использовании фильтров из ваты:

                                        ,                                                         (6.1)

где n— количество пыли, мг/м³;

      q₁— масса чистого фильтра, мг;

       q₂— масса фильтра с пылью, мг;

       ω—скорость отбора пробы, л/мин;  

       t—продолжительность отбора пробы, мин;

1000 — множитель для определения концентрации в 1 м³ воздуха.

В настоящее время фильтры АФА-В (см. рисунок 6.2) широко применяют и для изучения дисперсности пыли и для определения состава пыли. Для определения дис­персности пыли по числу частиц разных фракций фильтры предварительно просветляют над парами ацетона, а затем под микроскопом подсчиты­вают число частиц различного разме­ра и рассчитывают содержание ча­стиц каждой величины в процентах от общего числа подсчитанных пы­линок.

Состав пыли можно определять различными методами: химическими, спектрофотометрическими, петрогра­фическими, рентгеноструктурным ана­лизом и др.

 

 

а — общий вид фильтра; б — фильтр; в — защитные кольца.

Рисунок 6.2- Фильтр

 

 Лекция №7. Определение газов и паров в воздухе

 

Цель лекции: ознакомиться с основными характеристиками и методами определения концентрации окислов азота в воздухе.

Содержание лекции: методы определения содержания окислов азота методами отбора проб, используемые реактивы.

 

Окислы азота. Окислы азота (нитрогазы) — смесь кислородных соединений азота (М₂0, NO, N₂0₃, NO2, N2O₅). Основной составной частью смеси является двуокись азота. Состав окислов изменяется в зависимости от температуры, влажности воздуха и других факторов. При анализе воздуха учитывают наиболее ток­сичные:

N0 (окись азота)—молекулярная масса 30,01; бесцветный газ; плотность по отношению к воздуху 1,038; масса 1 л газа при нормальных условиях 1,34 г; температура кипения— 151,8° С; 100 объемов воды растворяют 5 объ­емов окиси азота. Окись азота — кровяной яд, переводит оксигемоглобин в метгемоглобин; обладает как окислительными, так и восстановительными свойствами; натрий, калий, фосфор сгорают в ней;

N0₂ (двуокись азота)—молекулярная масса 46,01; желто-бурый газ с резким запахом.

При температуре ниже 140° С двуокись азота частично полимеризуется в азотноватый ангидрид (N₂0₄). При повышении температуры N₂0₄ снова распадается на две молекулы N0₂.

N₂O₄ (азотноватый ангидрид) — молекулярная масса 92,02; при —11,2° С кристаллическое вещество, при 0° С — бесцветная жидкость плотностью 1,47, закипающая при 21° С с выделением бурых паров N0₂. При температуре вы­ше 150° С полностью разлагается на окись азота и кислород, пары обесцве­чиваются. При действии воды и влаги воздуха N0₂ и N₂0₄ образуют азоти­стую и азотную кислоты. Двуокись азота обладает общетоксическим и раз­дражающим действием на дыхательные пути;

N2O₅ (пятиокись азота — азотный ангидрид)—молекулярная масса 108,01; бесцветные кристаллы, расплывающиеся на воздухе; плотность 1,64; возго­няется при 32,3° С; в воде растворяется с выделением тепла, образуя азотную кислоту; раздражает дыхательные пути, сильный окислитель ( Метод основан на реакции двуокиси азота с иодидом калия и образовании нитрита калия, который при взаимодействии с реактивом Грисса-Илосвая дает азокраситель розового цвета). Определению мешают нитросоединения, легко отщепляющие ион нитрита.

Реактивы. Стандартный раствор № 1: 0,015 г перекристаллизованного нитрита натрия (NaK0₂) растворяют в 100 мл 8%-ного раствора иодида ка­лия (KI), 1 мл раствора соответствует 100 мкг двуокиси азота; раствор устой­чив два месяца.

Стандартный раствор № 2, содержащий в 1 мл 10 мкг двуокиси азота: рас­твор № 1 разбавляют в 10 раз 8%-ным раствором иодида калия. Этот рас­твор устойчив в течение месяца.

Реактив Грисса-Илосвая:

а) растворяют 0,5 г сульфаниловой кислоты в 150 мл 10%-ной уксусной кислоты;

 б) 0,1 г а-нафтиламина вносят в 20 мл воды; смесь кипятят 2—3 мин на водяной бане; бесцветный раствор сливают с осадка и доводят его объем до 150 мл добавлением 10%-ной уксусной кис­лоты. непосредственно перед анализом смешивают равные объемы растворов «а» и «б». Хранят их в темных склянках.

Отбор пробы. Отбор можно проводить двумя способами: протягивают воздух через два последовательно соединенных поглотитель­ных прибора, содержащих по 10 мл 8%-ного раствора иодида калия. Скорость отбора 5—7 л/ч; достаточно отобрать 1—2 л воздуха;

В сухую бутыль емкостью 2 л вносят 10 мл 8%-ного раствора иодида ка­лия, откачивают из нее воздух до остаточного давления 20—50 мм рт. ст. и закрывают зажим. На производстве путем открывания зажима отбирают про­бу воздуха.

После отбора раствор в течение двух часов периодически взбалтывают, омывая при этом стенки бутыли.

Ход анализа. 1 и 5 мл раствора из каждого поглотительного прибо­ра или бутыли вносят в пробирки. В пробирке с 1 мл раствора жидкость доводят до объема 5 мл добавлением 8%-ного раствора иодида калия.

Из стандартного раствора № 2 готовят шкалу с содержанием 0; 0,3; 0,5; 1; 2; 3; 4 и 5 мкг двуокиси азота в 5 мл 8%-ного раствора иодида калия.

Во все пробирки шкалы и пробирки с пробами вносят по 1 мл реактива Грисса-Илосвая и взбалтывают. Через 20 мин добавляют по 0,5 мл 0,01-н. раствора сульфита натрия, снова взбалтывают и колориметрируют или изме­ряют оптическую плотность растворов на фотоэлектроколориметре, пользуясь кюветой 10 мм при длине волны 530 нм.

Лекция №8. Сернистый газ (сернистый ангидрид) — S0₂

 

Цель лекции: ознакомиться с основными характеристиками и методами определения концентрации сернистого ангидрида и окиси углерода в воздухе.

Содержание лекции: методика измерения концентрации оксидов серы, углерода, используемые реактивы, методика  отбора проб, физико-химические свойства сернистого ангидрида и угарного газа  перечень используемых приборов.    

 

Молекулярная масса 64,07; бесцветный газ, с характерным запахом, обна­руживаемый при содержании его от 8 мг/м³; плотность 2,264; масса 1 л сер­нистого газа при нормальных условиях 2,926 г; температура кипения —Ю^С, температура плавления —72,5° С; в 1 л воды при 20° С растворяется 39,4 л сернистого газа; проявляет восстановительные свойства. Раздражает слизи­стые оболочки дыхательных путей.

Определение сернистого газа. Метод основан на окислении S0₂ хлоратом калия до серной кислоты и на реакции серной кислоты с нитратом свинца в водно-спиртовой среде. Нефелометрируется взвесь сульфата свинца. Мешает определению присутствие серо­водорода.

Реактивы. Стандартный раствор № 1: 0,0272 г сульфата калия (K2SO4) растворяют в 100 мл воды; в 1 мл содержится 100 мкг SO2.

Стандартный раствор № 2, содержащий 10 мкг сернистого газа в 1 мл: разбавляют стандартный раствор № 1 в 10 раз 3%-ным раствором хлората калия.

Спиртовой раствор нитрата свинца: к 20 мл 10%-ного водного раствора ни­трата свинца прибавляют 0,8 мл 1%-ной азотной кислоты и 80 мл этилового спирта, после взбалтывания раствор должен оставаться прозрачным.

Отбор пробы. 2—3 л воздуха протягивают со скоростью 25 л/ч через два поглотительных прибора с пористой пластинкой № 1, содержащих по 5 мл 3%-ного раствора хлората калия.

Ход анализа. В три пробирки наливают по 5 мл спиртового раствора нитрата свинца. Добавляют из первого поглотительного прибора в первую пробирку 2 мл раствора, а во вторую 0,5 мл; в третью пробирку добавляют 2 мл раствора из второго поглотительного прибора. Во вторую пробирку до­ливают до 7 мл 3%-ного раствора хлората калия. Готовят шкалу стандартов. В семь пробирок вносят по 5 мл спиртового раствора нитрата свинца. Добав­ляют стандартного раствора № 2 столько, чтобы в шкале содержалось 0; 2; 3; 4; 5; 7; 10; 15 и 20 мкг сернистого газа SO2. Объем жидкости доводят до 7 мл добавлением 3%-ного раствора хлората калия, взбалтывают и через 10—15 мин нефелометрируют. Рассчитывают по формуле (1.1).

Из стандартных растворов № 2 и № 1 готовят шкалу, содержащую 0; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9; 10; 20; 30 и 40 мкг сероводорода в 5 мл поглотительного раствора. Во все пробирки шкалы и пробирки с пробами вносят по одной кап­ле раствора крахмала и по 1 мл 1%-ного раствора нитрата серебра. Взбалты­вают и через 5 мин колориметрируют. Расчет ведут по формуле (1.1).

Окись углерода—СО. Молекулярная масса 28; бесцветный газ; плотность по отношению к возду­ху 0,967; температура кипения —190° С; температура плавления —205° С; масса 1 л газа при нормальных условиях 1,25 г; мало растворим в воде; пре­делы воспламеняемости в смеси с воздухом 12,5—74% (объемн.). Окись угле­рода переводит оксигемоглобин крови в карбоксигемоглобин, вследствие чего нарушается обмен кислорода в организме.

Определение окиси углерода. Метод основан на окислении окиси углерода до двуокиси йодноватым ан­гидридом, поглощении двуокиси углерода гидратом окиси бария и титровании избытка барита соляной кислотой.

Для выполнения анализа необходимы: бутыль для отбора проб воздуха, аппарат для очищения воздуха и окисления окиси углерода, микротитровальные установки для 0,01-н. Раствора гидрата окиси бария и соляной кислоты, микропоглотители, закрепленные на специальной подставке, и очистительная система.

Бутыль для отбора проб воздуха (на 1—2 л) снабжена пробкой, в кото­рую вставлены две стеклянные трубки — короткая и длинная, доходящая почти до дна. На концы этих трубок надевают резиновые трубки с зажимами и стеклянными палочками, закрывающими входные отверстия. При отборе проб воздуха бутыль предварительно наполняют до предела водой. В месте отбора пробы жидкость выливают, а исследуемый воздух проникает в бутыль. Обычно оставляют в бутыли 20—30 мл воды, чтобы создать водяной затвор при хранении бутылей в перевернутом состоянии. Отводные резиновые труб­ки закрывают зажимами и стеклянными палочками.

В таблице 8.1 приведен перечень необходимых средств и приборов измерений.

 

Таблица 8.1- Перечень необходимых технических средств и приборов для наблюдения за загрязнением окружающей среды при проведении производственного мониторинга

Наименование  прибора	Основные технические данные
1	2
Газоанализатор С-310	Лабораторный (стационарно-полевой)  прибор предназначен для измерения массовых концентраций двуокиси серы (SО2) в атмосферном воздухе. Прибор непрерывно – автоматического действия. Измеряет содержание двуокиси серы в воздухе селитебной и рабочей зоны в диапазоне от 0 до 2000 мкг/м3
Газоанализатор «КАСКАД-100»	Лабораторный (стационарно-полевой)  прибор предназначен для измерения массовых концентраций СО (оксида углерода) в атмосферном воздухе. Прибор непрерывно – автоматического действия. Измеряет содержание оксида углерода в воздухе селитебной и рабочей зоны в диапазоне от 0 до 50 мг/м3
Аспиратор – мод. 822	Лабораторно – переносной прибор для забора атмосферного воздуха при определении содержания взвешенных частиц и сажи
Атомно-абсорбционный спектрофотометр ААS - 1N, фирма «Цейсс Иена», Германия.	Лабораторный прибор предназначен для определения содержания тяжелых металлов приоритетной и   промежуточной группы (свинца, меди, кадмия, цинка, ртути, мышьяка, олова, ванадия, никеля, хрома и др.) в жидкой фазе (в водных, почвенных, растительных и биологическихпробах). Чувстви-тельность составляет от следовых количеств (нг/кг) до 500 мкг/кг ткани (образца)
Хроматограф СНRОМ-5	Лабораторный прибор для определения количественного состава углеводородов в почво-грунтах, в том  числе замазученных  почв на месторождениях углеводородного сырья с чувствительность от следовых количеств до 1000 мг/кг
Спектрофотометр SРЕСОRD 751R	Лабораторный прибор для спектрофотометрического определения общего содержания нефтепродуктов в почво-грунтах по поглощению валентных и деформационных колебаний С – Н углеводородов в области регистрации спекторов 400 – 4000 см-1. Чувствительность от 1мкг/кг до 1000мкг/л
Гамма – спектрометрическая установка с детектором из Gе – 35 % эффективности, фирмы Саnberrа Раckаrd,Бельгия.	Лабораторный прибор для определения содержания природных и наведенных радионуклидов (радия 226, радия 228, тория 228, уран 238, калия 40 цезия 137), в водных и почвенных пробах. Чувствительность от 0,01 Бк/кг до 500 Бк/кг
Радиометр ДРГ-01	Переносной радиометр по определению гамма – фона на местности. Чувствительность от 0 до 1000 мкр/час
Пробоотборные трубки СН25401 и 8101691 (углеводороды нефти) с аспиратором АССURO, фирмы Дрэгер	Трубки для кратковременных приземных измерений содержания углеводородов бензина 10/а, в атмосферном воздухе с диапазоном измерений от 10 до 300 ррm
Анализатор влажности ВМА – 30	Прибор для определения влажности почв, растений и др., чувствительность от 0до 100%Т, где Т – оптическая плотность
1	2
Фотометр лабораторный ЛМФ – 72М	Прибор для определения биогенных химических элементов (Р,N,С, гумус и т.д.) в водных и почвенных средах. Диапазон оптический в пределах 670 – 750 нм
Пламенный фотометр FLA – РХО	Прибор для определения химических элементов (Са,Мq,Nа,К) в воде, почвах, в оптическом диапазоне 400-800 нм
Атомно – абсорбционный спектрофотометр С115 N	Прибор для определения металлов в водных растворах (почвы, биообъекты ). Чувствительность от 1мкг/л до 500 мкг/л
Анализатор вольт амперометрический ХАН-2	Прибор для определения содержания свинца, меди, кадмия, цинка, ртути, мышьяка, олова и др. в природной питьевой воде, сточных водах, биологических объектах. Диапазон измерения концентраций от 1,0 до 1000 мкг/л.
Анализатор нефтепродуктов  «НЕВОД –101»	Прибор для определения общего содержания нефтепродуктов в воде, почве, растениях. Чувствительность от 0,04 до 1000 мг/дм3

 

Лекция №9. Исследование параметров микроклимата, систем вентиляции, пылегазового режима измерение температуры воздуха

 

Цель лекции: измерение параметров воздушной среды.

Содержание лекции: изучить параметры, характеризующие  микроклимат производственных помещений: температура, влажность скорости воздушного потока,  принцип работы, область применения.

 

Температура воздуха.Температура воздуха в рабочих помещениях зависит от количества тепла, поступающего в помещение от источников тепловыделения конвекционным путем, количества тепла, уходящего из этого помещения через ограждения и различные открытые проемы, и разбавления его приточным наружным воз­духом.

Измерение на рабочих местах и вообще в рабочей зоне, как правило, про­водят на высоте 1,3—1,5 м от рабочей площадки, а при значительном изме­нении температуры воздуха по высоте — дополнительно на уровне ног (0,2—0,3 м).

Термометры. Наиболее распространенными приборами для измерения температуры воз­духа являются ртутные и спиртовые термометры.

При измерениях температуры выше 0° С следует пользоваться ртутными термометрами, так как ртуть при нагревании расширяется равномерно, а спирт — неравномерно. При температуре ниже —39° С ртуть замерзает; спирт же не замерзает даже при температурах ниже —100° С. Следовательно, для измерения низких температур необходимо пользоваться спиртовыми термометрами.

Термогигрометры ИВТМ-7 предназначены для непрерывного или периодического измерения температуры и относительной влажности воздуха. Они широко применяются для контроля параметров в цехах, на участках производства оборудования, складах и других помещениях. К достоинствам приборов ИВТМ-7 относятся:

- ЖК- или светодиодная индикация показаний;

- попеременная или одновременная индикация двух измеряемых величин на дисплее — температуры и относительной влажности; 

- возможность настройки порогов световой и звуковой сигнализации;

- автоматическая запись измеренных значений (до 10000 результатов измерений у портативных моделей и до 30000 – у стационарных) в энергонезависимую память в режиме реального времени. Настройка записи, просмотр, сохранение данных производится с помощью специального программного обеспечения.

- пересчет результатов измерения влажности в различные единицы: % отн. вл., г/м³,^оС_т.р., в том числе с учетом давления;

- наличие встроенных электромагнитных реле (у стационарных моделей), с помощью которых в режиме реального времени возможно регулировать температурно-влажностный режим посредством включения/выключения исполнительных устройств (нагревателей, увлажнителей и др.);

- наличие настраиваемых аналоговых выходов (у стационарных моделей);

- объединение в единую измерительную сеть из однотипных и разнотипных приборов с последующим выводом параметров на компьютер. Эта возможность реализуется с помощью специального программного обеспечения NCServer и вспомогательного оборудования (адаптеров, преобразователей интерфейсов, радио-модема и др.).

Измерение влажности воздуха. Влажность воздуха в отличие от его температуры в рабочих помещениях колеблется не так резко и часто, поэтому ее измеряют, как правило, только в рабочей зоне на основных рабочих местах. В цехах и на производственных участках с технологическими процесса­ми, при которых применяются хранящие­ся в открытых емкостях вода или вод­ные растворы, особенно с подогревом (например, мокрое обогащение руд, оро­шение агломерата, травление и промывка металла и т. п.), влажность воздуха ис­следуют более детально. В подобных случаях важно измерить влажность не­посредственно у источников влаговыделения, на разных расстояниях от них и высотах, в смежных помещениях, на раз­личных стадиях технологического про­цесса и т. д. Для измерения влажности воздуха чаще всего используют психрометры (см. рисунок 9.1).

Гигрометры. Гигрометры служат для прямого определения относительной влажности. Волосяные гигрометры основаны на способности человеческого волоса благо­даря его гигроскопичности удлиняться во влажном воздухе и укорачиваться в сухом воздухе.

Волосяной гигрометр МВ-1 представляет собой рамку, на которой верти­кально натянут специально обработанный обезжиренный человеческий волос, укрепленный одним концом на металлической рамке, другим — на оси стрел­ки. При изменении длины волоса под влиянием изменения относительной влажности воздуха стрелка гигрометра перемещается вдоль шкалы и указы­вает процент относительной влажности воздуха.

 

Рисунок 9.1 –Психрометр

 

Конденсационный гигрометр М-56 состоит из датчика и соединенного с ним электрическим кабелем измерительного мостика в отдельном кожухе. Прин­цип его действия основан на охлаждении металлического зеркальца конден­сирующейся из окружающего воздуха влагой. Для охлаждения зеркальца используют полупроводниковый элемент. Измерение температуры поверхно­сти зеркальца происходит в момент появления на нем следов воды (или льда) и осуществляется с помощью вмонтированного в него проволочного микросопротивления, включенного в неравновесную проволочную схему (ме­тод точки росы).

Измерение скорости движения воздуха. При исследовании скорости движения воздуха необходимо иметь в виду, что из-за пульсирующего характера тепловыделений, а также из-за нерав­номерного расположения их источников направление воздушных потоков в производственных помещениях может резко меняться. Воздушные потоки час­то имеют вихревой, турбулентный характер, поэтому перед измерением скоро­сти движения воздуха необходимо определить его направление.

Анемометры. Для измерения скорости движе­ния воздуха применяют анемомет­ры— чашечные и крыльчатые (см. рисунок 9.2). В чашечном анемометре при­емной частью служит крестовина с четырьмя полушариями, укреплен­ная на вертикальной оси и защищен­ная от механических повреждений проволочной защитой. Под действи­ем ветра полушария вращаются, что отмечается счетчиком, включаемым арретиром. Пределы измерения 9— 20 м/с; порог чувствительности 0,8 м/с.

Чашечные анемометры применяют при замерах больших скоростей (до 15—18 м/с) и в условиях часто меняющихся направлений или турбулентных движений.

 

 

 а — чашечный; б — крыльчатый.

Рисунок 9.2 -Анемометры

 

Кататермометры. Для замера малых скоростей движения воздуха (при температуре воздуха и окружающих поверхностей не выше 29° С) может быть использован ката­термометр — спиртовой термометр с цилиндрическим или шаровым резервуа­ром внизу, который переходит в капилляр с расширением в его верхней части (см. рисунок 9.3). Шкала кататермометра проградуирована от 35 до 38° С в цилинд­рическом приборе и от 33 до 40° С в шаровом приборе; средняя точка шкалы 36,5° С.

Действие кататермометра основано на охлаждении его резервуара в зави­симости от метеорологических условий среды, в частности от скорости движе­ния воздуха. Перед измерением кататермометр нагревают путем погружения в воду, нагретую до 65—75° С, так, чтобы спирт заполнил половину или немного более верхнего уширения капилляра. Затем кататермометр тщательно вытирают досуха и подвешивают вертикально таким образом, чтобы он не качался.

Электроанемометры. По тому же принципу зависимости скорости охлаждения нагретого тела от скорости движения воздуха действуют электроанемометры, в которых приемником служит проволока, нагреваемая электротоком до заданной тем­пературы: температура измеряется электротермометром  двух последовательно включенных термопар и стрелочного гальванометра. Одна из термопар привари­вается к нагреваемому током проводнику, вторая определяет температуру воз­духа в измеряемой точке.

 

а-цилиндрический, б-шаровой.

Рисунок 9.3 -Кататермометры

 

Для контроля скорости потока воздуха и организации системы вентиляции используют термоанемометры серии ТТМ-2. Приборы могут быть выполнены как в портативном, так и в стационарном варианте. Термоанемометры возможно объединять в сеть, создавая систему контроля скорости потока воздуха в различных точках.

К достоинствам приборов ТТМ-2 относятся:

- широкий диапазон измеряемых скоростей потока воздуха;

- индикация текущих значений параметров измерений;

- возможность протоколирования результатов измерений с последующей передачей их на компьютер по RS-232 (для портативных моделей) и RS-232, RS-485, USB (для стационарных моделей);

- наличие функции усреднения показаний;

- длительный срок работы без подзарядки аккумуляторов (ТТМ-2–01, ТТМ-2-02);

- в стационарных моделях возможность пересчета скорости потока в расход (методом площадь-скорость);

- наличие встроенных устройств коммутации (электромагнитных реле) и настраиваемых аналоговых выходов (в стационарных моделях).

 

    Лекция №10.  Измерение интенсивности инфракрасного излучения, освещенности, уровней шума и вибрации запыленности газов

 

    Цель лекции: ознакомиться с приборами контроля интенсивности инфракрасного излучения и методами контроля освещенности, уровней шума и вибрации, определение запыленности газов. 

Содержание лекции: методы контроля и средства измерений теплового измерения, естественной и  искусственной освещенности, уровней шума и вибрации, а тмосфернго  давления.

 

Источниками инфракрасного (теплового) излучения, как известно, являют­ся поверхности, температура которых выше по сравнению с поверхностями, подвергающимися облучению; относительно работающего человека такими источниками могут быть все окружающие его поверхности с температурой выше температуры тела человека (36—37° С). Чем больше разность темпера­тур излучаемых и облучаемых поверхностей, тем интенсивнее облучение. Не­зависимо от этой разности интенсивность излучения изменяется обратно про­порционально квадрату расстояния от источника излучения.

Актинометры. Актинометры, в которых для регистрации инфракрасного излучения ис­пользованы термоэлектрические явления, называются электроактинометрами. В настоящее время в практике производственных исследований применяется актинометр Носкова (см. рисунок 10.1).

 

Рисунок  10.1- Актинометр Носкова

 

Барометры. Для измерения атмосферного давления служат барометры. Наиболее точ­ны ртутные барометры, но они чувствительны к тепловому воздействию и по­этому не должны подвергаться тепловому (инфракрасному) облучению, а также контактировать с предметами, температура которых отличается от температуры окружающей воздушной среды.

В практике метеорологических наблюдений для измерения атмосферного давления применяют барометры-анероиды разных моделей. Простейший из них имеет металлическую анероидную коробку, деформирующуюся с измене­нием атмосферного давления. Деформация с помощью передаточного механиз­ма приводит в движение стрелку, перемещающуюся на неподвижном цифер­блате со шкалой, градуированной в мм рт. ст.

 

 

10.1 Методы  контроля и средства измерений  освещенности, уровней шума и вибрации

 

В процессе исследования освещения приходится измерять плоскостную (го­ризонтальную, вертикальную и наклонную) и объемную (цилиндрическую и полусферическую) освещенности.

 

Для измерения плоскостной освещенности наиболее удобны объективные люксметры. В СССР наиболее распространен люксметр Ю-16, изготавливае­мый заводом «Вибратор». Прибор представляет собой сочетание селенового фотоэлемента и зеркального миллиамперметра (см. рисунок 10.2).

Световой поток, падая на фотоэлемент, вызывает в электрической цепи фотоэлемента ток, величина которого зависит от освещенности фотоэлемента. Шкала миллиамперметра, измеряющего этот ток, проградуирована непосред­ственно в люксах. Шкала освещенности имеет три предела — до 25, 50 и 100 лк. Приложенный к прибору светофильтр (комбинация молочного стекла и ме­таллической решетки) расширяет диапазон шкалы в 100 раз.

Фотоэлемент люксметра нельзя сильно засвечивать, так как это вызывает преждевременное его старение. Поэтому измерение освещенности начинают с применения «более грубой шкалы». После грубого определения освещенности переходят на ту шкалу, по которой освещенность может быть отсчитана наи­более точно. Погрешность при измерении освещенности люксметром составля­ет ±10%.

 

 

 

 

 

Лекция №11. Измерение коэффициента естественной освещенности

 

Естественное освещение нормируется коэффициентом естественной осве­щенности (к. е. о.), характеризующимся отношением горизонтальной осве­щенности, замеренной на высоте 1 м от пола внутри помещения, к горизон­тальной освещенности вне помещения, создаваемой небосводом (иногда под к. е. о. подразумевают отношение освещенности на рабочем месте к горизон­тальной освещенности под открытым небом). Следовательно, к. е. о. показы­вает долю естественного освещения, проникающего внутрь здания и освеща­ющего некоторую горизонтальную поверхность на высоте 1 м от пола.

При измерении к. е. о. необходимо соблюдать ряд условий:

а) замеры освещенности внутри и снаружи помещения производятся одно­временно, т. е. для замера к. е. о. нужны два люксметра и два наблюдателя;

б) замеры к. е. о. возможны лишь при небе, затянутом облаками. Допу­стимо прямые солнечные лучи, падающие на экран люксметра, при замере наружной освещенности перекрывать небольшими экранами. От исследова­ния к. е. о. в помещениях, залитых солнечным светом, следует воздерживать­ся и выжидать случая, когда небо будет покрыто легкими облаками, т. е. станет диффузно рассеивающим;

 в) наружная горизонтальная освещенность измеряется на открытом ме­сте, освещаемом всем небосводом. Чаще всего такие измерения проводятся на крыше здания;

г) люксметры чаще всего снабжаются коррегирующими фильтрами, по­скольку фильтры люксметров коррегированы на спектр ламп накаливания.

Порядок замера к. е. о. следующий:

а) в помещении, для которого определяется к. е. о., выбирают базовую точку, хорошо освещаемую естественным светом, так чтобы с нее хорошо обо­зревалось все помещение. Фотоэлемент люксметра (или измерительная пластинка фотометра) укладывается на горизонтальную подставку на высоте 1 м от пола. У этого люксметра остается один из фотометристов;

б) второй фотометрист располагается на открытом пространстве или на крыше здания (лучше на крыше). Экран люксметра устанавливается гори­зонтально;

в) по сигналу третьего лица (или по сверенным часам) фотометристы де­лают отсчеты горизонтальной освещенности снаружи и внутри помещения — на базовой точке;

г) число отсчетов освещенности на базовой точке и под открытым небом — не менее десяти;

  д) фотометрист, замерявший наружную горизонтальную освещенность, возвращается в цех и совместно с первым фотометристом рассчитывает к. е. о. для выбранной базы внутри помещения. К. е. о. базы определяется как сред­нее арифметическое для отдельных отсчетов освещенности, полученной на ба­зе и на открытом месте.

После определения к. е. о. базовой точки приступают к определению к. е. о. любой другой точки помещения. Для этого один из фотометристов остается на базовой точке (для которой уже определен к. е. о.), а другой устанавливает фотоэлемент (горизонтально) в точке, в которой хотят заме­рить к. е. о. По сигналу одного из фотометристов одновременно замеряется горизонтальная освещенность на высоте 1 м от пола и на базе. Тогда к. е. о. для новой точки определится по формуле

                               ,                                                                    (11.1)

где _Егхпгб.— горизонтальные освещенности, замеренные в искомой точке и на базовой точке соответственно.

Для эффективного контроля параметров, а также поддержания и регулирования процессов производства на определенном уровне необходимо аналитическое обеспечение. Неотъемлемой частью этого обеспечения является база контрольно-измерительной техники на предприятии-изготовителе.

 

 11.1  Измерения параметров шума

 

С развитием электроники в значительной мере улучшилась акустическая метрическая техника. Электронные усилительные устройства позволили коли­чественно регистрировать параметры колебаний с амплитудами смещения, эк­вивалентными диаметрами самых малых атомов. К сожалению, до настоящего времени с помощью разработанных приборов измеряются только звуковые давления или колебательные скорости (при исследовании параметров вибра­ций регистрируются также ускорения). Интенсивность, плотность и мощность звуковой энергии необходимо определять теоретическим путем, на основании измерений звуковых давлений.

Характеристика измеряемых акустических параметров приведена в таблице 3.1. В инженерной практике борьбы с шумами измеряют не звуковые давле­ния, а их уровни. Измеренное звуковое давление Р в какой-либо точке при­нято представлять как уровень звукового давления:

                       

 

                                   ,                                                                      (11.2)

 

где Р₀ — принятое начальное минимальное значение.

Приемники звуковых колебаний (микрофоны) реагируют на звуковые дав­ления (конденсаторные, динамические) или на колебательную скорость (лен­точные) .

 

Лекция № 12. Приборы для акустических измерений (продолжение)

 

Цель лекции: ознакомиться с приборами контроля интенсивности инфракрасного излучения и методами контроля освещенности, уровней шума и вибрации, определение запыленности газов. 

  Содержание лекции: характеристика измеряемых акустических параметров, приборы для акустических измерений, низкочастотная виброизмерительная аппаратура.

  

Измерительный микрофон должен иметь равномерную чувствительность (малые нелинейные искажения) в широком диапазоне частот. Размеры микро­фона должны быть столь малыми, чтобы они не вносили искажений в звуко­вое поле помещения. Наиболее совершенным, вследствие чего и наиболее часто употребляемым, является конденсаторный микрофон. Принцип его устройства отвечает принципу конденсатора, емкость которого изменяется при изменении расстояния между обкладками. На рисунке 11.1 изображена схема конденсаторного микрофона. Перед неподвижным электродом 2 находится натянутая металлическая мембрана, прогибающаяся под воздействием на нее периодических звуковых давлений. Подвижная и неподвижная обкладки кон­денсатора включены в цепь постоянного тока с нагрузочным сопротивлением. Конденсаторный микрофон, так же как и динамический, реагирует только на звуковое давление. Под действием переменного звукового давления мембрана 1, прогибаясь, изменяет емкость конденсатора. При сближении электродов емкость конденсатора увеличивается, при удалении — уменьшается. Напря­жение, возникающее в микрофонной цепи, изменяется пропорционально смещению мембраны. Постоянная времени микрофонного контура должна быть больше периода нижней граничной частоты, воспринимаемого прибором звукового диапазона. В противном случае микрофон будет давать сигналы мл выходе, равные собственной частоте подвижной мембраны конденсатора.

Схематическая последовательность включения отдельных звеньев электро­акустической аппаратуры в комплексе, представляющем шумомер, изображе­на на рисунке 11.3. Как правило, шумомер имеет четыре или две корректирующие характеристики: А, В, С, «лин» или А, С.

Шумомеры бывают I и II классов. Шумомеры первого класса имеют частотный диапазон от 20 до 12500 Гц, второго класса — от 31,5 до 8000 Гц. Шумомер I класса должен иметь частотные характеристики А, В, С и «лин». Корректирующая характеристика «лин» представляет собой практически прямолинейную характеристику с допускаемыми завалами ниже 31,5 и выше 5000 Гц.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    

 

1 — металлическая подвижная мембрана;

2 — неподвижный электрод;

3— корпус микрофона;

4— изолирующая стенка неподвижного электрода;

5 — отверстие, компенсирующее постоянное статическое давление;

6 - вы­ходные электроды микрофона.

Рисунок 12.1-  Схема конденсаторного микрофона

Микрофоны датской фирмы Брюль и Кьер имеют диаметр от 23,77 до 3,17 мм. Динамический диапазон их от 15 до 184 дБ. Диапазон принимаемых частот от 20 - 30 до 20000 - 40000 и даже 140000 Гц .

1 — подвижная диафрагма с катушкой;

2 — гофрированный . закрепляющий воротник;

3 — катушка на цилиндрической части диафрагмы;

4— фланцы микрофона;

5 — постоянный цилиндрический магнит;

6 — отверстие для выравнивания статического давления

Рисунок 12.2- Схема электродинамического микрофона

Из отечественных микрофонов наиболее широкое распространение получи­ли МК-6 и МИК-6. Диаметр микрофонных капсулей МК-6 равен 15 мм; МИК-6 соответственно 17 мм. Диапазон воспринимаемых без заметных иска­жений частот: от 20 до 40000 Гц для МК-6 и от 20 до 20000 Гц для МИК-6.

                          

 

 

Шумомер II класса должен иметь две частотные характеристики: А и С.  В качестве прямолинейной для этого типа шумомера служит характеристи­ка С, которая от частоты в 100 Гц постепенно понижается в сторону низких частот. Завал в области высоких частот начинается от частоты 1500 Гц. Час­тотные характеристики шумомеров в свободном звуковом поле относятся к полному комплекту шумомера, включая микрофон.

 

12.1 Низкочастотная виброизмерительная аппаратура

 

В настоящее время заводом «Виброприбор» выпускается аппаратура для измерения низкочастотной вибрации (НВА-1) и вибрации шума (ЙШВ-1) с пьезоэлектрическими датчиками. Предназначена она для измерения средне­квадратичных значений уравнений виброскорости и приведенной скорости в октавных полосах частот.

НВА-1 применяют для измерения установившейся вибрации на машинах, механизмах, средствах транспорта и других объектах . По условиям эксплуатации аппаратура соответствует требованиям. Для измерения уровней в октавных полосах частот применяется блок октавных фильтров со среднегеометрическими частотами 2; 4; 8; 16; 31,5; 63; 125; 250 Гц. Пределы измерений общих и октавных уровней виброскорости и приведенной скорости ±1,4 дБ для частот от 2 до 300 Гц и 2 дБ для ча­стот 1,4—2 Гц.

Измеритель шума и вибрации ИШВ-1 предназначен для измерения значе­ний среднеквадратичных уровней звукового давления, виброускорения и виб­роскорости в октавных полосах частот и уровней звука по коррекции А, В, С машин, различных механизмов, средств транспорта и др.

Аппаратура переносная с сетевым и автономным питанием (см. рисунок 12.1).

1-измерительный усилитель;

2 - предусилитель с измерительным микрофоном типа М-101;

    3 -преобразователь пьезоэлектрический виброизмерительный типа Д-28;

4 -адаптер;

5 - интегратор;

6 - пистонфон типа ПП-101;

7 - блок сетевого питания;

8 - калибровочное устройство КУ-3

 

 12.2 Выбор измерительной аппаратуры

 

Для проведения анализа вибраций на соответствие их параметров требо­ваниям санитарных норм средства измерения должны обеспечивать измере­ние действующих значений колебательной скорости (м/с) или ее уровней (дБ) в октавных полосах частот для вибрации ручных машин от 8 до 2800 Гц, для вибрации рабочих мест от 2 до 90 Гц.

Для этих целей могут быть рекомендованы отечественные комплексы НВА и ИШВ, комплекты приборов фирмы R. F. Т. (ГДР): виброметры SM211, SM231, SM241 с октавными фильтрами OF-lOl и OF-201 и др. и прецизионные измерительные приборы датской фирмы «Бюль и Кьер»: комплект типа 3501, включающий шумомер 2203, октавные фильтры типа 1613, интегратор ZR-0020 и набор пьезодатчиков 4312. Определение запыленности газов. Для определения запыленности газов чаще всего используют прямой ме­тод, состоящий из следующих основных операций:

а) отбора из запыленного газового потока его части, в которой концентра­ция и дисперсный состав пыли не отличаются от основного потока;

б) полного улавливания пыли, содержащейся в отобранном газе, напри­мер фильтрацией с последующим взвешиванием осажденной пыли;

в) измерения объема отобранного газа и пересчета его на нормальные условия.

Кроме прямого метода определения запыленности, существуют косвенные методы, когда о запыленности судят по тем или иным показателям физиче­ских свойств запыленного газового потока (например, степени поглощения световых или тепловых лучей при их прохождении через поток) или осаж­денной из него пыли (например, ослабления радиоактивного излучения, про­ходящего через слой пыли; гидравлического сопротивления слоя пыли и др.).

Автоматические приборы определения запыленности с использованием указанных косвенных методов еще недостаточно надежны, поэтому они полу­чили ограниченное применение.

Отбор проб газа при прямом методе определения его запыленности.

Наиболее важными факторами при отборе проб газа являются место и скорость отбора.

 Место отбора. Отбор проб газа следует производить на прямом участке газопровода с неизменными размерами и площадью поперечного сечения, где газовый поток находится в установившемся состоянии, не подвержен возмущениям из-за резкого изменения сечения газопровода или направления движения газа; от­сутствуют возвратные или вращательные движения газового потока; пыль равномерно распределена насколько это возможно по сечению газохода.

В связи с этим нельзя, например, производить отбор газа непосредствен­но за вентиляторами и циклонами, где газовый поток неравномерен, вра­щается и значительно колеблется его давление.

Если при этом в разных точках сечения газопровода запыленность газа одинакова, в дальнейшем замеры можно производить в одной точке, на­пример в центре газопровода. В противном случае следует, разбив сечение газопровода на равные по площади участки, определить запыленность в каж­дом из этих участков; полученные величины запыленности умножить на ко­личество газа, проходящего через соответствующие участки газопровода, а по полученным результатам определить средневзвешенную величину запыленно­сти для всего сечения газопровода, используя формулу  

                 _{,                                                                    (12.1)}

 

где  w₁ ,w₂… ,w_n — средние скорости газа на участках газопровода;             z₁,z₂,  ..., z_n— средние запыленности газа там же.

                   

Лекция №13. Основные физико-химические свойства золы и пылей. Параметры очищаемых газов. Оценка эффективности систем пыле- и золоулавливания

 

Цель лекции: ознакомиться с методами дисперсного анализа с предварительным выделением частиц из газовой фазы.

Содержание лекции. В настоящем разделе  подробно рассматривается главным образом влияние тех или иных физико-химических свойств улавливаемых частиц и параметров газовых потоков на работу систем пыле- и золоулавливания и на выбор для них соответствующих аппа­ратов.

 

Основные положения. Надежность и эффективность работы систем газоочистки в значительной мере зависят от физико-химических свойств золы или пыли и от основных параметров газо­вых потоков, которые должны быть хорошо изучены и учтены как при проектировании систем газоочистки, так и при организации их эксплуатации. В настоящем разделе справочника подробно рассматривается главным образом влияние тех или иных физико-химических свойств улавливаемых частиц и параметров газовых потоков на работу систем пыле- и золоулавливания и на выбор для них соответствующих аппа­ратов.

Методы исследования физико-химиче­ских свойств пылей весьма многообразны, многим из них посвящены специальные монографии. Однако подавляющее количе­ство материалов, приводимых в таких мо­нографиях, рассчитано на сотрудников узкоспециализированных лабораторий, рас­полагающих сложным и дорогим оборудо­ванием. Поэтому ниже рассмотрены только те из приборов и методов исследования, которые по простоте и доступности приоб­ретения или изготовления необходимого для работы оборудования могут найти доста­точно широкое применение на многочислен­ных промышленных предприятиях и электростанциях страны, а также в отделах технической помощи проектных организа­ций. В остальных случаях приведены ссыл­ки на соответствующую литературу.

 

13.1 Плотность частиц

 

             Важнейшей характеристикой золы и пыли является их плотность, кг/м³ или г/м³. Различают истинную плотность, на­сыпную и кажущуюся.

Насыпная плотность пыли, в отличие от истинной, учитывает наличие воздуш­ных зазоров между частицами свеженасыпанной пыли. Насыпной плотностью пользуются для определения объема, кото­рый занимает пыль в бункерах. С увели­чением однородности частиц по размерам насыпная плотность пыли уменьшается, так как увеличивается относительный объем воздушных прослоек. Насыпная плотность слежавшейся пыли оказывается примерно в 1,2—1,5 раза больше, чем у свеженасыпанной.

Кажущаяся плотность представляет со­бой отношение массы частицы к занимае­мому ею объему, включая поры, пустоты, неровности и т. п. Гладкая монолитная частица имеет кажущуюся плотность, прак­тически совпадающую с истинной. Такие частицы в сухих инерционных аппаратах улавливаются лучше, чем пористые, так как при одинаковой с последними массе они испытывают меньшее увлекающее воздейст­вие очищенных газов, покидающих газоочистительную установку. И наоборот, ча­стицы с меньшей кажущейся плотностью лучше улавливаются в таких газоочисти­тельных установках, как пенные аппараты и рукавные фильтры, из-за большей веро­ятности захвата частиц водой или фильтро­вальной тканью.

Кажущаяся плотность золы зависит от ее состава и может колебаться от долей грамма для частиц золы, содержащих га­зовые пузырьки и вспученные, пористые частицы недожога, до нескольких граммов на 1 см³ для золы, содержащей частицы железа, восстановленного из окислов, вхо­дящих в состав минеральной частицы топ­лива.

Ощутимое снижение кажущейся плот­ности по сравнению с истинной наблюдает­ся у пылей, склонных к коагуляции или спеканию частиц, таких как сажа, окислы цветных металлов и др.

Кажущуюся плотность золы или пыли находят путем погружения навески их в жидкость, которая не смачивает поверх­ность частям и не заполняет имеющихся в них пор.

Поведение частиц различной крупности в пыле- и золоулавливающих аппаратах неодинаково,  поэтому для обоснованного выбора и правильной оценки работы систем газоочистки необходимы сведения о дис­персном составе подлежащего улавливанию продукта. В технике пыле- и золоулавли­вания принято различать: первичные разме­ры пылевых частиц, которые они имели в момент своего образования; размеры ча­стиц, возникающих в процессе их коагуля­ции в пылегазовых трактах; размеры ча­стиц в виде хлопьев и комочков после вы­деления их из газовой фазы. В первых двух случаях широко используется понятие о так называемых стоксовских размерах частиц. Под стоксовским размером любой, в том числе агрегатированной частицы, по­нимается размер сферической частицы, имеющей такую же скорость седиментации, как и данная несферическая частица или агрегат.

Дисперсный состав золы или пыли определяется экспериментально. Одни ме­тоды и приборы для экспериментального определения дисперсности пылей позволя­ют определять фактические размеры частиц, другие — их стоксовские диаметры. Кроме того, в одних случаях может быть найде­но распределение частиц по первичным размерам, в других случаях — с учетом степени их агрегации в газовых потоках.

При решении большинства вопросов, связанных с очисткой газов, основной инте­рес представляют распределения по стоксовским размерам, приобретаемым части­цами в пылегазовых трактах и определяю­щим их поведение в пыле- и золоулавли­вающих аппаратах. С этой точки зрения исследования дисперсного состава золы и пылей целесообразно выполнять с помощью методов, позволяющих разделять частицы на фракции непосредственно в газоходах. Фракцией называют относительную долю частиц, размеры которых находятся в опре­деленном интервале значений, принятых в качестве нижнего и верхнего пределов.

Каждый из методов дисперсионного анализа имеет определенные, не всегда совпадающие с другими методами границы применимости. Поэтому в ряде случаев приходится пользоваться методами диспер­сионного анализа, позволяющими находить распределения частиц лишь по первичным размерам.     

 

13.2 Ситовый анализ

 

Ситовый анализ основан на механическом разделении частиц по крупности. Материал загружается на сито с ячейками известного размера и путем встряхивания, постукивания, вибрации или другими спо­собами разделяется на две части — остаток и проход. Просеивая материал через набор различных сит, можно разделить пробу на несколько фракций.

Через отверстия сита могут проходить все частицы, размеры которых в двух измерениях не превышают размера отверстия. Размеры частиц в третьем измерении теоретически не имеют значения при просеивании через сито. Таким образом, просеивание представляет собой разделение частиц на фракции на основании их геометрических размеров только в двух измерениях.

Размеры отверстий в тканых ситах образуют ряд 0,04; 0,045; 0,05; 0,056; 0,063; 0,071; 0,08; 0,09; 0,1; 0,125; 0,14; 0,16; 0,18; 0,2; 0,224; 0,25; 0,28; 0,315; 0,355; 0,4; 0,5; 0,56; 0,63; 0,71; 0,8; 0,9; 1; 1,25; 1,6; 2; 2,5 мм. Сита с большими размерами ячеек изготавливаются просечкой отверстий в ли­стовом металле.

Сита представляют собой цилиндриче­ские обечайки, закрытые снизу сетками. Рассев может производиться механически или вручную. Для механического рассева сита собираются в стопку колонкой так, чтобы сверху вниз размер ячеек убывал. После самого мелкого сита устанавливается сплошное дно, на котором собирается самая мелкая фракция.

Для механического рассева выпускаются специальные приборы, например прибор 028М и анализатор ситовый 162Т—ГР тип 71БГР. Технические харак­теристики этих приборов приведены в таблице  12.1

 

Т а б л и ц а 13.1 - Основные технические характеристики приборов для ситового анализа

 

Предварительно просушенная проба золы или пыли массой 25—100 г помещается в верхнее, наиболее грубое сито. По истечении 20 мин работы прибора остаток на каждом сите взвешивается. Полученные остатки называются неполными, поскольку вышележащие сита задерживают часть материала, которая полностью собралась бы на каждом из нижележащих опт. Откла­дывая соответствующим образом значения неполных остатков в системе координат, можно построить гистограмму.

Полный остаток на каждом сите может быть получен как сумма неполных остатков на этом и вышележащем ситах. По значениям полных остатков строятся кривые вида R(d₄) (см. рисунок 1-1,8 и г) или составляются таблицы.

Ручной рассев производят последовательно на каждом сите, начиная с самого тонкого, или на небольшом наборе сит. Сита закрываются поддоном и крышкой. В процессе просеивания следует совершать два-три коротких возвратно-поступательных движения в горизонтальной плоскости, затем встряхивать сито легким ударом поддона о стол и поворачивать сито на некоторый угол. Просев заканчивается тогда, когда после контрольных встряхиваний сита над листом бумаги на него выпадает не более 0,1% исходной для данного сита навески золы или пыли.

При ручном и механическом рассеве тонкой пыли с частицами, склонными к слипанию, сита могут забиваться: частицы, соизмеримые по величине с размерами ячеек, могут застревать в них и выключать из работы значительную площадь сита. Для устранения этого явления вместе с пробой золы или пыли в сита помещают латунные штифты длиной 10 мм (около 30 г на каждое сито). Штифты остаются в ситах в продолжение всего времени рассева. При рассеве пыли, склонной к истиранию, в ка­честве вспомогательного средства рекомен­дуется применять гладкие резиновые кубики.

При проведении ситового анализа сле­дует учитывать, что частицы с размерами меньше 10—20 мкм могут в процессе про­сеивания слипаться в крупные прочные агломераты, что приводит к значительным ошибкам из-за возникающего завышения результатов по крупным фракциям. Поэто­му в тех случаях, когда имеется менее 1 % частиц с размерами крупнее 60 мкм, сито­вый анализ в рассмотренном аппаратурном оформлении применять не следует.

Более совершенные методы ситового анализа (мокрое и воздушноструйное рассеивание, печатные сита с микроячейками размером до 2 -мкм, предназначенные для мокрого просева с вибрацией под вакуумом).

 

 Лекция №14. Методы дисперсионного анализа с предварительным выделением дисперсной фазы из газовой среды

 

 Цель лекции: ознакомиться с методами дисперсного анализа с предварительным выделением дисперсной фазы из газовой среды.

Содержание лекции.  Приведены методы дисперсионного анализа с указанием методики подготовки проб. В седиментационном   анализе используемые методы накопления осадка и пофракционного оседания. Импакторы  и  др. методы.

 

 Подготовка представительной пробы частицы. Для проведения дисперсионных анализов методами, предусматривающими предварительное выделение дисперсной фазы из газовой среды, необходимо тщательно отобрать представительную первичную пробу частиц и правильно  подготовить ее к анализу. Первичная проба частиц, содержащихся  газах, представляет собой совокупность всех проб, отобранных за равные промежутки времени в течение одного опыта в сечении газохода после газоочистного  аппарата. Первичная проба частиц, уловленных пыле- или золоулавливающим аппаратом, представляет собой совокупность всех равных по массе проб, отобранных в течение опыта через равные промежутки времени из системы пыле- или золоудаления. Первичная проба, отобранная в любом из 3 трех перечисленных случаев, подвергается проба, отобранная в любом из 3 перечисленных случаев, подвергается перемешиванию и сокращению.

Перемешивание производится по методу конуса. Он заключается в постепенном насыпании порций частиц в коническую кучу таким образом,  чтобы насыпаемый материал равномерно распределялся относительно оси конуса. Для этого целесообразно применять воронку, укрепленную на штативе и постепенно поднимаемую по мере увеличения высота конуса.

После того как вся проба насыпана в коническую кучу, производят повторное ее перемешивание. Для этого, передвинув штатив с воронкой на другое место, начинают насыпать новый конус, забирая порции материала из нижних наружных слоев первого конуса со всех его сторон. Операцию такого перемешивания проделывают 3-4 раза.

Сокращение пробы производят методам квантования. Для этого  перемешанную пробу, насыпанную в виде конуса, сплющивают, в результате чего получается в плане круглая куча небольшой высоты. При сплющивании конической к учи не должна смещаться геометрическая ось конуса, для чего рекомендуется надавливать на вершину конуса каким- либо плоским предметом достаточной величины в направлении, совпадающем с осью конуса. Образовавшийся в результате сплющивания слой круглой формы во всех своих частях должен иметь одинаковую толщину. Пробу, имеющую вид диска, делят двумя взаимно перпендикулярными диаметрами на четыре равных сектора. Для этой цели целесообразно применять крестовину,  спаянную из двух взаимно перпендикулярных жестяных полос.  Часть пробы, содержащейся в одной паре противоположных секторов,  отбрасывают, а оставшуюся используют для дальнейшей такой же переработки до тех пор, пока не будет получена проба необходимой для данного анализа массы. Перед каждым кантованием пробу надо перемешивать по методу конуса.

 Первичные пробы частиц, отобранные после газоочистного аппарата, часто бывают столь невелик, что целиком используются для анализа.  

 

  14.1 Жидкостная седиментация

 

Седиментационный анализ основан на зависимости скорости осаждения однородных частиц в вязкой среде от их стоксовских размеров. Обычно используется осаждение твердых частиц в жидкости под действием гравитационных сил. Для определения дисперсного состава частиц с размерами менее 2—3 мкм ввиду медленности их оседания в поле сил тяжести применяют центробежные поля. В седиментационном анализе при условии, что осаждение происходит под действием гравитационных сил, могут использоваться два метода:

1) метод накопления осадка. Перед началом опыта суспензия равномерно перемешана так, что в начальный момент времени любая твердая частица с равной вероятностью находится на любой высоте седиментационного объема. Седиментация происходит из каждого элемента объема среды;

2) метод пофракционного оседания. Дисперсионная среда не содержит твердую фазу, а исследуемый материал в начальный момент времени вносится на ее открытую поверхность в виде небольшой порции суспензии. Эта суспензия распределяется тон­ким слоем на поверхности дисперсионной среды, и седиментация всех частиц начинается из этого слоя.

Дисперсный состав частиц может быть определен посредством измерения во времени на заданной высоте седиментационного объема концентрации твердой фазы, плотности суспензии и массы осадка. Для измерения концентрации применяются: отбор проб суспензии на известной глубине седиментационного объема через фиксированные промежутки времени, измерения эффекта рассеяния и поглощения света, а также радиоактивного излучения. Плотность суспензии измеряют с помощью арео­метров или посредством поплавков, полностью погруженных в суспензию («метод водолаза»). Масса осадка определяется по изменению массы седиментационной чашки, подвешенной к весам посредством тонкой нити или стержня.

Дисперсионную среду подбирают так, чтобы ее вязкость была оптимальной для проведения анализа — крупные частицы осаждаются не слишком быстро, а малые— не очень медленно.

Наибольшее значение в теории седи­ментации имеет закон Стокса, выражающий силу сопротивления f, оказываемую вязкой средой движущейся шарообразной частице при ламинарном обтекании

                                        f=-3πµd_чw,                                                               (14.1)

где d₄ — диаметр частицы;

µ— динамиче­ская вязкость среды;

w— скорость частицы.

Оседание частицы, имеющей плотность р, в вязкой среде с  плотностью р происходит под действием силы тяжести fg, которая в этих условиях равна:

,                                                          (14.2)

При достижении равномерной скорости падения w сила сопротивления среды уравновешивает силу тяжести. Из условия равенства этих сил

                                         ,                                                 (14.3)

                                          ,                                                 

Значения величин µ, р_ч и р бывают известны из условий эксперимента, поэтому, определяя скорость падения частицы w=h/τ, где h и τ — соответственно высота и время падения, можно найти ее размер:

                .                                                 (14.4)

Закон Стокса, а, следовательно, и фор­мула (1-9) применимы в случае, если выполняется условие Re=d₄wp/µ=d₄hp/τµ< <0,2.

При Re=0,5 ошибка в вычислениях по формуле (1-9) составляет 6,5%. Формулы, содержащие поправки к закону Стокса и расширяющие область применимости седиментационного анализа см. в.

Ниже кратко рассматриваются наиболее распространенные методы седиментационного анализа с помощью взвешивания осаждающихся частиц, а также путем определения концентрации твердой фазы на заданной высоте седиментационного объема. Оба они относятся к методу накопления осадка.

Исследуя распределение частиц по размерам первым методом можно пользоваться прибором, состоящим из стеклянного цилиндра с помещаемой в него стеклянной чашечкой, которая подвешивается к чувствительным весам. Взвешивая осевшие частицы через определенные промежутки времени, можно найти их дисперсный состав. В качестве весов может использоваться тонкий кварцевый шпиц. Степень отклонения шпица под нагрузкой должна быть прямо пропорциональна массе груза. Шпиц должен выдерживать массу погруженной в жидкость чашечки плюс примерно 1 г. Отклонение конца шпица массой осаждающихся на частиц должно регистрироваться с помощью горизонтального микроскопа,

Например типа МГ. Желательно иметь шпиц с чувствительностью 5 мг на одно деление окулярной сетки микроскопа. Такой шпиц получают путем оттягивания штапика (палочки) из оптического кварцевого стекла диаметром 3—6 мм примерно до 300 мм. Оттянутый конец изгибается в виде крючка остроугольной формы.

 

1 — кварцевый шпиц; 2 — штатив; 3 – горизонтальный микроскоп;         4 -садиментационный сосуд; 5 — раздвижная крышка; 6 — чашечка; 7 – нить подвеса; 8 - капроновая вставка в нить подвеса на границе воздух — жидкость.

 

Рисунок 14.1- Весы Фигуровского

 

В экспериментально-производственных мастерских Московского института электронного машиностроения организовано мелкосерийное производство седиментометра СB-5-ТЛ-МТИ, сконтруированного в Московском торфяном институте  на базе аналитических весов типа АДВ-200.

При исследовании распределения частиц по размерам вторым методом пользуются различными седиментационными пипетками. Наибольшее распространение в зарубежной и отечественной практике получила пипетка Андреазена .Она представляет собой калиброванный цилиндр диаметром 6 см, наполняемый седимантационной жидкостью (объем 550 см³). На пробке установлена пипетка объемом 10 см³, позволяющая через определенные промежутки времени отбирать пробы с одной и той же глубины. Масса пыли, вводимой в седиментационную жидкость, обычно берется равной 5-10 г. Отбирая пробы с одной и той же глубины через равные промежутки времени и измеряя концентрацию суспензии, можно найти дисперсность исследуемой пыли.

Подготовка пробы к седиментационному анализу заключается в следующем. Навеску пыли растирают резиновой пробкой до полного исчезновения комочков в фарфоровой чашечке с несколькими миллилитрами жидкости. Полученную суспензию помещают в цилиндр, в котором должно производиться осаждение, и доливают жидкость до нужного уровня. Если в суспензии образуются хлопья, то следует добавить стабилизатор или применить другую жидкость. Для воды стабилизирующими добавками могут служить углекислый натрий, пирофосфат натрия, тринатрийфосфат, щавелевокислый и кремнекислый натрий, водные растворы аммиака и некоторые другие вещества. Важные, чтобы дисперсионная среда, применяемая для седиментационных анализов, отвечала следующим требованиям:

1) не вызывала никаких изменений частиц дисперсной фазы, например, их растворения или набухания;

2) не была агрессивной и не вступала в химическую реакцию с частицами;

3) хорошо смачивала частицы;

4) по всей вязкости и плотности обеспечивала возможность анализа частиц данной  степени дисперсности;

 5) в дисперсионной среде не должны образовываться агрегаты частиц, т.е. суспензия  должна быть агрегативно-устойчивой. Выбор дисперсионных жидкостей и стабилизирующих добавок в зависимости от вида анализируемого материала.

 Суспензию тщательно взмучивают. Если седиментационный анализ производится первым из рассматриваемых методов, то в цилиндр с взмученной суспензией быстро помещается подвешенная к весам чашечка, освобождается арретир весов, включается секундомер и начинается запись показаний через точно фиксируемые промежутки времени.

Весы с подвешенной чашечкой должны быть установлены на нуль еще до ввода в цилиндр суспензии.

Если седиментационное исследование производится вторым методом, то из цилиндра со взмученной суспензией через  точно фиксируемые промежутки времени пипеткой отбираются одинаковые объемы жидкости для определения концентрации суспензии.

Получаемые результаты рекомендуется обрабатывать следующим способом. На миллиметровой бумаге строится кривая осаждения. По оси ординат откладываются показания весов или значения концентрации твердых частиц в суспензии, по оси абсцисс – время в минутах. После построения кривых осаждения рассчитывается время осаждения частиц с определенными размерами, например 5, 10, 20, 30, 40 и 50 мкм. Затем через соответствующие точки кривой проводятся касательные и от­мечаются точки пересечения касательных с осью ординат. Значения, отсекаемые ка­сательными, пересчитываются на проценты от максимального значения, отложенного по оси ординат, что дает процентное со­держание фракций.

 

Лекция №15. Методы дисперсионного анализа без предварительного выделения частиц из газовой фазы (продолжение)

     

 Цель лекции: ознакомиться с методами дисперсного анализа с предварительным выделением дисперсной фазы из газовой среды.

 Содержание лекции.  Приведены методы дисперсионного анализа с указанием методики подготовки проб. В седиментационном   анализе используемые методы накопления осадка и метод пофракционного оседания. Импакторы  и  др. методы.

 

Импакторы основаны на избирательной сепарации частиц по размерам при пропу­скании пробы газа через ряд последовательно установленных сопл уменьшающе­гося сечения, под которыми расположены плоские (реже цилиндрические) осадительные поверхности (подложки). Сочетание сопла и подложки принято называть ступенью (каскадом) прибора.

Проба газа, содержащего взвешенные частицы, изокинетично  просасывается через прибор с постоянным расходом. На каждой из подложек происходит инерционное осаждение частиц, причем средний размер частиц, осажденных в каж­дой из последующих ступеней, получается меньше, чем в предыдущих. Для улавливания самых мелких частиц на выходе из последней ступени инерционного осаждения часто устанавливается фильтр — ступень осаждения методом фильтрации. Таким образом, анализируемые частицы оказывают­ся разделенными на фракции, число кото­рых равно общему числу ступеней импактора. Импакторы, отличаясь простотой кон­струкции и быстротой проведения анализа, позволяют находить дисперсный состав частиц с учетом степени их агрегации в газовых потоках.

Конструкция одной из моделей импакторов НИИОГаз показана на рисунок 14.1. При­бор состоит из семи ступеней, шесть из которых рассчитаны на инерционное осаж­дение частиц, а седьмая — на осаждение методом фильтрации. Каждая из ступеней инерционного осаждения состоит из стакана, включающего в себя одно или несколько сопл с установленной напротив подложкой в виде тарелки.

Наличие в последних ступенях инерционного осаждения нескольких сопл позволяет лучше распределить осадок частиц по поверхности подложки. Для достижения необходимой эффективности столкновений частиц с поверхностью осаждения в под­ложки запрессовывается тонковолокнистый материал, например стеклянная или базаль­товая вата. При низких температурах по­тока, из которого отбирается проба, можно использовать материалы типа.

Дисперсионные анализы, выполняемые с применением импакторов, сводятся к опре­делению доли и размеров частиц, осевших в каждой ступени. Последние могут быть найдены по известной из калибровки при­бора зависимости эффективности осажде­ния частиц от числа Стокса:

                                                                                                    (15.1)

Важной особенностью импакторов, которая делает принципиально достижимой высокую точность дисперсионных анализов, является сильно выраженная зависимость между размером частиц и эффективностью их осаждения.

 

Рис. 15.1 Импактор (модель НИИОГаз Ум)

1 я 2 -одиночные сопла; 3 - 6- сопловые решетки; 7- фильтр; 8 - крышка; 9 - отсосная труб ка; 10- поджимной болт для уплотнения прокладок; II — корпус;   12- тарельчатая подложка 13- заборный носик 14-наконечник

 

Другие методы

Для дисперсионного анализа частиц без их предварительного выделения из газовой фазы могут быть использованы пробоотборные циклоны. В СССР определенное распространение получили циклонные сепараторы В. Т. Самсонова и С. С. Янковского. Первый из них предусматривает отбор пробы частиц в два параллельно установленных циклона, второй — два или большее количество последовательно установленных циклонов.

При параллельной установке циклонов они размещаются вне газохода и отбор пробы производится с помощью пылезаборных трубок, в которых может происходить то или иное искажение дисперсного состава отбираемых частиц.

Конструктивное оформление прибора с последовательно установленными циклонами позволяет размещать их непосредственно внутри газохода. Однако, как показывают расчеты, центробежные силы, развивающиеся в соединительных трубках между отдельными циклонами, существенно превышают силы, действующие на частицы в самих циклонах. Неизбежный контакт частиц со стенками этих трубок способен вносить существенно большие ошибки в результаты анализов, чем применение пылезаборных трубок.

Поэтому использование циклонных сепараторов может быть оправдано только в тех случаях, когда в процессе анализа необходимо отобрать значительно большую массу частиц, чем это возможно с помощью импакторов.

 Из других приборов, относящихся к рассматриваемой здесь группе методов можно указать на разработанный Г. М. Скрябиным  РАД - ротационный анализатор дисперсного состава промышленной пыли. Прибор имеет вращающийся ротор с кольцевым каналом, в котором потоку отбираемых газов сообщается вращательное движение. Под действием возникающих при этом центробежных сил анализируемые частицы осаждаются на стенки ротора. Для удобств сбора осадка частиц в проточной части ротора устанавливаются тонкостенные алюминиемые стаканчики, которые вместе смогут быть взвешены на аналитических весах.

 Последовательность осаждения частиц в зависимости от их размера и скорость нарастания осадка в канале ротора аналогичны процессу накопления осадка на чашечке жидкостного седиментографа. Это позволяет при обработке экспериментальных результатов, полученных с помощью РАД, использовать математический аппарат седиментационного анализа. Хотя часть прибора с вращающимся ротором вводит­ся непосредственно в газоход, отбор пробы все-таки приходится производить через более или менее короткую пылезаборную трубку, что несколько снижает ценность прибора.

                                          Список литературы

1. Закон Республики Казахстан «О пожарной безопасности». - Алматы, 1996 г.

2. Закон Республики Казахстан «О промышленной безопасности на

опасных производственных объектах». - Астана, 2002 г.

3. Закон республики Казахстан «О безопасности и охране труда». - Астана, 2004 г.

4. Закон Республики Казахстан «О техническом регулировании». - Астана, 2006 г.

5. Охрана труда и техника безопасности в практической деятельности субъектов Республики Казахстан./ Сост. Скала. В.И. - Алматы: «LЕМ», 2002. - 276 с.

6. Сборник нормативных актов Республики Казахстан по охране труда. Под ред. Адбаевой К.А., Спатаева. Н.Д. - Караганда, 2002. - 356 с.

7. Охрана труда в электроустановках: Учебник для вузов/ Под ред. Князевского Б.А. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 3336 с.

 

Содержание

1	Введение	3
1	Предмет и задачи курса. Основные термины и понятия	4
2	Характеристика методов и средств контроля и измерений	8
3	Виды измерений	13
4	Поверка и испытания средств контроля и измерений	18
5	Физико - химические методы исследования объектов окружающей среды	22
6	Хроматографический метод	26
7	Определение газов и паров в воздухе	29
8	Сернистый газ (сернистый ангидрид) — S02	30
9	Исследование параметров микроклимата, систем вентиляции, пылегазового режима измерение температуры воздуха	35
10	Измерение интенсивности инфракрасного излучения, освещенности, уровней шума и вибрации запыленности газов	38
11	Измерение коэффициента естественной освещенности	40
12	Приборы для акустических измерений (продолжение)	43
13	Основные физико-химические свойства золы и пылей. Параметры очищаемых газов. Оценка эффективности систем пыле- и золоулавливания	48
14	Методы дисперсионного анализа с предварительным выделением дисперсной фазы из газовой среды	52
15	Методы дисперсионного анализа без предварительного выделения частиц из газовой фазы (продолжение)	56
16	Список литература	61