книги / Методы и автоматизированные системы аналитического контроля технологических процессов и окружающей среды. Методы и автоматизированные системы промышленного аналитического экологиче
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
А.Г. Шумихин, И.А. Вялых
МЕТОДЫ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ АНАЛИТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Часть 1
Методы и автоматизированные системы промышленного аналитического экологического контроля
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2012
УДК 543.544 Ш96
Рецензенты:
д-р хим. наук, проф. В.Н. Басов (Межрегиональный центр химических
и биологических технологий, ООО «Центр»); д-р техн. наук, доц. Н.Б. Ходяшев (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)
Шумихин, А.Г.
Ш96 Методы и автоматизированные системы аналитического контроля технологических процессов и окружающей среды: учеб. пособие. Ч. 1. Методы и автоматизированные системы промышленного аналитического экологического контроля / А.Г. Шумихин, И.А. Вялых. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2012. – 179 с.
ISBN 978-5-398-00846-3
Рассмотрены методы и средства автоматического контроля состояния окружающей среды, их характеристики и принципы работы, основы построения и примеры применения автоматизированных систем контроля загрязнения воздушной и водной среды, почв.
Предназначено для студентов направления подготовки «Автоматизация технологических процессов и производств».
УДК 543.544
ISBN 978-5-398-00846-3 |
© ПНИПУ, 2012 |
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие................................................................................ |
5 |
1.Характеристика технических средств получения
иобработки информации в составе комплексного
мониторинга..................................................................................... |
8 |
1.1. Структура автоматизированных систем контроля....... |
8 |
1.2. Требования к средствам обработки информации...... |
11 |
1.3. Задачи региональной сети и основные |
|
требования к ней........................................................... |
13 |
1.4. Информационное и программное обеспечение ......... |
14 |
1.5. Базы данных сети мониторинга................................... |
15 |
2. Методы и средства автоматического контроля |
|
состояния окружающей среды...................................................... |
18 |
2.1. Методы и средства химического анализа................... |
18 |
2.2. Классификация методов анализа бинарных |
|
смесей............................................................................. |
22 |
2.3. Агрегатный комплекс средств аналитической |
|
техники .......................................................................... |
36 |
3. Структурные схемы, сигналы и статические |
|
характеристики автоматических анализаторов........................... |
39 |
3.1. Математические модели измерительных каналов |
|
анализаторов.................................................................. |
40 |
3.2. Точность измерительных каналов АСК...................... |
44 |
3.3. Пороговые характеристики (предел обнаружения) |
|
средств и систем аналитического контроля................ |
50 |
4. Методическое обеспечение АСК окружающей среды...... |
54 |
4.1. Спектроскопические методы....................................... |
54 |
4.1.1. Фотометрические методы.................................. |
56 |
4.1.2. Атомно-абсорбционная спектроскопия............ |
67 |
4.1.3. Эмиссионная фотометрия пламени................... |
71 |
4.1.4. Эмиссионный атомный спектральный |
|
анализ.................................................................. |
71 |
4.1.5. Методы люминесценции.................................... |
73 |
4.2. Электрохимические методы ........................................ |
75 |
4.2.1. Вольтамперометрия (полярография)................. |
75 |
3
4.2.2. Потенциометрия ................................................. |
82 |
4.2.3. Кулонометрия ..................................................... |
87 |
4.2.4. Кондуктометрия.................................................. |
90 |
4.3. Методы и средства автоматического газового |
|
анализа........................................................................... |
95 |
4.3.1. Автоматические газоанализаторы..................... |
95 |
4.3.2. Пламенные ионизационные |
|
и фотометрические газоанализаторы................ |
96 |
4.3.3. Ионизационные газоанализаторы..................... |
99 |
4.3.4. Термохимические анализаторы....................... |
103 |
4.3.5. Термомагнитные газоанализаторы ................. |
106 |
4.3.6. Термокондуктометрические |
|
газоанализаторы............................................... |
110 |
4.4. Хроматографические методы.................................... |
115 |
4.4.1. Газовая хроматография.................................... |
115 |
4.4.2. Автоматические газовые хроматографические |
|
анализаторы...................................................... |
119 |
4.4.3. Жидкостная хроматография............................ |
128 |
4.5. Многопараметрические методы и средства |
|
автоматического анализа состава.............................. |
132 |
5. АСК загрязнения окружающей среды.............................. |
137 |
5.1. АСК качества природных и сточных вод................. |
146 |
5.2. АСК загрязнения воздушной среды.......................... |
157 |
5.2.1. Стационарные станции контроля |
|
воздуха .............................................................. |
158 |
5.2.2. Передвижные станции контроля воздуха....... |
164 |
5.2.3. АСК источников загрязнения воздуха............ |
166 |
5.2.4. Лидарные системы контроля атмосферы....... |
172 |
5.3. АСК загрязнения почв................................................ |
174 |
Заключение.............................................................................. |
176 |
Список рекомендуемой литературы ..................................... |
177 |
4
ПРЕДИСЛОВИЕ
Системы экологического менеджмента, создаваемые для достижения высокой экологической результативности функционирования организаций всех видов, в своей деятельности опираются на контроль качества окружающей среды.
Общей целью экологического контроля является обеспечение соблюдения действующих природоохранных и ресурсосберегающих правил, требований и норм на всех этапах производства, строительства, эксплуатации технических объектов или иной деятельности, связанной с активным или косвенным позитивным или негативным изменением окружающей среды.
Основная задача экологического контроля – формирование информационной базы состояния и изменения окружающей среды, получение необходимой и достаточной по критериям полноты, точности и достоверности информации о состоянии окружающей природной среды, об интенсивности техногенных или естественных источников ее загрязнения.
Вцелом все виды экологического контроля можно рассматривать в двух аспектах. В одном случае объектом контроля являются вредные техногенные или естественные воздействия на природную среду, в другом случае объектом экологического контроля является собственно природная среда, подверженная или не подверженная (фоновый контроль) вредным воздействиям. При этом, как правило, определяют качество отдельных компонентов или комплексов природной среды с целью выявления состава и концентрации тех или иных веществ, обычно вредных.
Вобщем случае при экологическом контроле возможны
измерения: линейно-угловые, силы и массы, электрические и магнитные, оптические, химико-аналитические и др. Кон- трольно-измерительная техника для этих целей создавалась в разных ведомствах применительно к нуждам соответствую-
5
щих отраслей народного хозяйства, поэтому среди средств измерения и контроля можно найти практически все их основные виды, обеспечивающие измерения, соответствующие принятой в метрологии классификации.
Основным методом экологического контроля является аналитический контроль. Средства измерения состава и концентрации веществ, используемые в этом методе, обеспечивают опера-
тивное |
получение |
информации о |
загрязнениях воздушного |
и водного бассейнов и почв. |
|
||
В |
настоящее |
время многие |
научно-исследовательские |
и конструкторские организации и промышленные предприятия в России и за рубежом разрабатывают и выпускают различные средства контроля загрязнений окружающей среды, в том числе автоматизированные и автоматические системы (станции), основой которых являются автоматические анализаторы концентрации компонентов.
Целью учебного пособия является ознакомление будущих специалистов в области автоматизации технологических процессов и производств химической и смежных отраслей промышленности с принципами информационного экологического мониторинга, с методами, средствами и принципами функционирования систем автоматизированного аналитического контроля в составе инженерного экологического мониторинга, с некоторыми примерами промышленных систем. Полученные сведения будут способствовать осуществлению видов деятельности, связанных с применением и эксплуатацией автоматических и автоматизированных систем анализа при контроле состояния окружающей среды.
В данном пособии рассмотрены общие характеристики средств получения, обработки и хранения аналитической информации в составе комплексного экологического контроля, классификация методов и средств аналитического контроля, структурные схемы, сигналы и статические характеристики автоматических анализаторов, пороговые характеристики средств
6
и систем контроля окружающей среды, методическое обеспечение автоматизированных и автоматических систем аналитического контроля окружающей среды, принципы построения и функционирования автоматизированных и автоматических систем контроля загрязнений окружающей среды, примеры конфигурации промышленных автоматизированных систем аналитического контроля природных и сточных вод, загрязнения воздушной среды и почвы, их характеристики.
Учебное пособие не знакомит читателя с расчетами и проектированием систем, так как методы анализа и синтеза, подходы к проектированию таких систем аналогичны используемым при создании автоматических и автоматизированных систем аналитического контроля технологических процессов и производств химической отрасли, с которыми студенты знакомятся в курсах по технологическим и техническим измерениям и приборам, автоматизации технологических процессов и производств и др.
7
1. ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПОЛУЧЕНИЯ И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В СОСТАВЕ КОМПЛЕКСНОГО МОНИТОРИНГА
1.1. Структура автоматизированных систем контроля
Инструментальной базой систем контроля природной среды является комплекс технических средств автоматизированных систем контроля (АСК) загрязнения окружающей среды. Разработка таких АСК ведется в настоящее время во всех промышленно развитых странах, в том числе и в России. Цель подобных разработок – создание развитой сети информационно-измери- тельных систем контроля загрязнения окружающей среды, начиная с низовых систем контроля для промышленных предприятий и заканчивая общегосударственной службой наблюдения
иконтроля.
Взависимости от задач, решаемых АСК, их можно классифицировать по следующим типам: промышленные, городские, региональные, общегосударственные и глобальные [1].
Промышленные АСК предназначены для контроля выбросов промышленных предприятий, а также оценки степени загрязнения в районе их санитарно-защитной зоны. Обычно такие АСК входят в состав АСУ предприятия и используют датчики, характерные для выбросов данного предприятия, а также метеодатчики. Места контрольных пунктов выбирают в зависимости от мест выбросов предприятия, розы ветров и размещения жилых зданий в районе предприятия.
Городские АСК используются для измерения уровня загрязнения городской среды выбросами многих предприятий, автотранспортом, а также гидрометеорологических параметров. Они позволяют анализировать степень чистоты окружающей среды в зависимости от погоды, сезона, определяют степень
8
опасности каждого из источников загрязнения, выявляют его долю в общем загрязнении среды, информируют об уровне загрязнения различные службы и организации. В состав городских АСК входят отдельные подсистемы сбора данных, которые представляют собой специализированные устройства на базе ЭВМ с определенным набором датчиков, связанные через подсистемы передачи данных с подсистемами обработки данных. Промышленные системы могут входить в состав городских АСК на правах подсистем низшего ранга.
Региональные АСК предназначены для статистической обработки данных о загрязнении окружающей среды на значительных территориях. Они могут включать в себя несколько городских АСК. С помощью региональных АСК проводятся исследования условий загрязнения и соблюдения требуемых стандартов качества среды, разработка усовершенствованных методов контроля и регистрации загрязнений, оценка последствий загрязнения, выдается необходимая информация непосредственным пользователям данных – инспекторам по охране окружающей среды.
Через сети передачи данных информация попадает в федеральную АСК.
В рекомендациях специальной комиссии СКОПЕ (Научный комитет по проблемам окружающей среды) при ЮНЕСКО в 1972 г. появились первые предложения по Глобальной системе мониторинга окружающей среды (Стокгольмская конференция ООН по окружающей среде). Однако такая система не создана по сей день из-за разногласий в объемах, формах и объектах мониторинга, распределении обязанностей между уже существующими системами наблюдений. Такие же проблемы есть и у нас в стране, поэтому, когда возникает острая необходимость режимных наблюдений за окружающей средой, каждая отрасль должна создавать свою локальную систему мониторинга.
Общая структура аппаратных средств сети наземных измерений в системе комплексного мониторинга включает в себя [2]:
9
1) на нижнем уровне сети:
–стационарные посты по воздуху и воде;
–передвижные и стационарные лаборатории, определяющие состояние атмосферы, воды, почвы, снега;
–передвижные станции контроля выбросов и сбросов;
–инспекционные службы;
–службы получения данных от населения.
Число стационарных и передвижных станций и постов определяется в результате проведения исследований и расчетов на имеющихся моделях конкретной природно-технической геосистемы (или природно-территориального комплекса), а также на основании накопленного опыта наблюдений за окружающей средой;
2)на среднем уровне сети – центры сбора и обработки информации, полученной на нижнем уровне сети, которые отличаютсядруг от друга спецификой и сложностью решаемых задач;
3)на верхнем уровне сети – пользователей информации, полученной в центрах ее сбора и обработки. Непосредственными пользователями данных являются инспектора по охране окружающей среды.
К числу основных составляющих сети мониторинга относятся датчики и анализаторы, устройства загрузки данных, устройства передачи данных и др.
В качестве устройств загрузки данных используются либо универсальные программируемые логические контроллеры, либо специализированные контроллеры.
Устройства передачи данных состоят из передающей и принимающей аппаратуры, компьютерных сетей с линиями связи.
Перспективным направлением для создания единого информационного пространства комплексного мониторинга состояния окружающей среды и управления им может явиться применение PDM-технологий (технологии интеграции информации и управления данными о технических системах).
10