CC BY
37
мого ассортимента теплозащитной спецодежды для условий Крайнего Севера разработаны методические рекомендации по выбору
1. Методические рекомендации по выбору и применению теплозащитной спецодежды на промышленных предприятиях Республики Саха (Якутия): Михайлова В.Н., Куйда Л.В., Горковенко С.И., Шерстов В.А. -Якутск, изд-во ЯНЦ СО РАН, 2000 г. - 50 с.
и применению теплозащитной спецодежды для промышленных предприятий Якутии [1, 2].
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Михайлова В.Н., Куйда Л.В., Шерстов В.А. Комплексная оценка условий труда и качества теплозащитной спецодежды на промышленных предприятиях Якутии. - Якутск: ЯФ Изд-ва СО РАН, 2001. - 164 с.
— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------------------
Михайлова Виктория Николаевна - кандидат технических наук, старший научный сотрудник института социальных проблем труда АН РС(Я).
Горковенко Сергей Иванович - кандидат технических наук, зав. сектором, зам. директора института социальных проблем труда АН РС(Я) по научной работе.
Шерстов Валерий Андреевич - доктор технических наук, главный научный сотрудник института горного дела Севера им. Н.В.Черского СО РАН.
---------------------------------------------- © А.Б. Палкин, 2005
УДК 622.807 А.Б. Палкин
ПРОБЛЕМА ИЗМЕРЕНИЯ ИЗМЕНЯЮЩЕЙСЯ ВО ВРЕМЕНИ КОНЦЕНТРАЦИИ ПЫЛЕВОГО АЭРОЗОЛЯ НЕПРЕРЫВНЫМ РАДИОИЗОТОПНЫМ МЕТОДОМ
Семинар № 19
ТЪ ИПКОН РАН разработан новый ме--О тод непрерывного измерения концентрации пыли. Назначение метода — организация мониторинга загрязнения атмосферы пылевыми выбросами горнодобывающих и других предприятий, а также контроль запыленности воздуха рабочей зоны. На основе нового метода разработан макет-прообраз автоматической станции пылевого контроля (АСПК) [1]. Работа датчика основана на непрерывном измерении интенсивности мягкого бета-излучения, проходящего через пылевой препарат в процессе отбора пробы на фильтр [2].
Радиоизотопный метод измерения концентрации пыли отличается от других косвенных методов (оптических, депремометрических, электрических) меньшим влиянием таких характеристик пыли, как дисперсный и вещественный ее составы [3-5]. Благодаря этому он обеспечивает высокую точность измерения массовой концентрации пыли практически любого типа в широком диапазоне (0.05—500 мг/м3). Непрерывный радиоизотопный метод измерения позволит следить за изменениями концентрации пыли как на коротких, так и на продолжительных интервалах времени. Однако изменчивость концентрации пыли во времени в ее экстремальных
формах может приводить к искажениям результатов измерения в непрерывном методе.
Принцип непрерывного радиоизотопного метода
Возможны различные способы организации процедуры непрерывного измерения концентрации пыли. Например, допускается варьирование числа и продолжительностей периодов измерения интенсивности бета-излучения. Но установлено, что оптимальной является двухшаговая процедура измерения. Последовательно, в процессе отбора пробы пыли на фильтр, осуществляются два измерения (с одинаковым периодом) числа бета-частиц прошедших через пылевой осадок на фильтре. Это позволяет определить среднюю концентрацию пыли с минимальной погрешностью, обусловленной статистическим характером регистрации бета-частиц. Пока концентрация пыли не претерпевает существенных изменений за период ее измерения, утверждение об оптимальности двухшаговой процедуры остается в силе.
В сравнении с традиционным радиоизотоп-ным методом измерения концентрации пыли [4, 5], в котором процедуры пробоотобора и измерения интенсивности разделены во времени, при одинаковых приборных параметрах, новый метод обеспечивает меньшую погрешность измерения и позволяет измерять более низкие уровни запыленности воздуха. Кроме того, в отличие от традиционного метода он позволяет организовать практически непрерывный поток результатов измерения концентрации пыли.
Влияние изменчивости концентрации пыли во времени на результаты измерения непрерывным радиоизотопным методом
Если в течение периода измерения имеют место сильные изменения мгновенного значения концентрации пыли, то результаты измерения непрерывным методом будут отличаться от результатов традиционного радиоизотопно-го и весового методов измерения. Дело в том, что, в отличие от весового или традиционного радиоизотопного методов, при использовании двухшаговой процедуры происходит неодно-
Рис. 1. Весовые функции разных методов измерения концентрации пыли: 1 — весовой метод; 2 — традиционный радиоизотопный метод; 3 — двухшаговая процедура с отступом; 4 — приближенная («треугольная») весовая функция простой двухшаговой процедуры (без отступа); 5 — реальная весовая функция простой двухшаговой процедуры при максимально возможном значении у= 1; 6 — реальная весовая функция простой двухшаговой процедуры при у= 2 (за пределами максимально возможного значения).
родное по периоду измерения Т усреднение мгновенной концентрации п(^. В предложенном непрерывном методе результат измерения концентрации пге5 оказывается тождественным свертке зависимости мгновенной величины п(Г) с весовой функцией g(tc)
То +т
п™ (Т = п(т) * g (Тс ) = | п(Т-Тс ) • g (Тс )АТ .
То
Здесь использованы безразмерные координаты времени т = ^Т, т0 - начало процедуры измерения.
Форма весовой функции g(tc) зависит и от параметров изменчивости концентрации пыли (скорости изменения, амплитуды колебаний концентрации и т.д.) и от параметров процедуры измерения (периодов измерения интенсивности бета-излучения). Существенное влияние на форму g(tc) также оказывает безразмерный параметр у - произведение массового коэффициента поглощения бета-излуче-ния на величину прироста поверхностной плотности пыли на фильтре за период измерения Т.
Но, как было установлено в численном эксперименте, может быть использовано универсальное приближение формы g(tc) (рис. 1), независящее от параметров изменчивости пылевого аэрозоля во времени. Так, например, для двухшаговой процедуры (с двумя равными
по длительности периодами измерения интенсивности М) измерения концентрации пыли достаточно точным приближением весовой функции g(tc) является функция в форме «правильной трапеции» (рис. 1)
-ік У ъ:\
'V' 11?рио4 мхчерения
■0.5 0.0 0.5
1
-ГТ- - к
(Т-А/)-А/ ^ 2 1
Т > \/\ > Т -А/
Т-А/
Для решения исследовательских задач, в которых требуется осуществлять подробное во времени наблюдение за динамикой пылевого аэрозоля, результаты измерения в виде свертки с такой весовой функцией вполне приемлемы. Более того, как показывает и теоретический анализ, и опыт, в сравнении с обычным усреднением такие результаты лучше отражают изменения мгновенной концентрации п(Г) с большими амплитудами на коротких интервалах времени (рис. 2).
Но, тем не менее, такие результаты не являются общепринятыми. Различные нормативные документы (например, [6, 7]) в явной или неявной форме требуют представления результатов именно в виде средних значений концентрации пыли за определенный период времени (например, среднесменная, среднесуточная концентрация). При измерении максимально разовых концентраций также необходимо получить среднее значение (но уже за короткий период времени), чтобы было полное соответствие результатов измерения с традиционными методами, например, весовым. Различие же в результатах может быть интерпретировано как погрешность измерения концентрации.
Установлено, что самыми неблагоприятными моделями поведения пылевого аэрозоля, в которых различие результатов измерения непрерывного радиоизотопного методом, например, от весового метода становится наиболее
ощутимым, являются кусочно-постоянные зависимости мгновенной концентрации пыли п(/) с одним - двумя разрывами первого рода («ступенька», «выброс прямоугольной формы»). Трехкратное мгновенное изменение концентрации способно привести к погрешности, превышающую 25 %, оговоренную в нормативных документах. А такое поведение пылевого аэрозоля, как показывает опыт, достаточно заурядное явление.
Решение проблемы
Наиболее простым является использование двухшаговой процедурой с отступом, в которой между двумя последовательными измерениями интенсивности бета-излучения осуществляется пауза, но без остановки процедуры пробоотбора. В пределе, когда период измерения интенсивности АГинт/Т стремится к нулю, результат пге5 полностью соответствует обычному усреднению зависимости мгновенной величины п(ґ) от времени на периоде Т. Чтобы динамическая погрешность не превышала предела 25% при 10-кратном мгновенном изменении концентрации п(ґ) достаточно установить период измерения интенсивности Аґинт, равный 1/10 от всего периода измерения концентрации пыли Т (рис. 3).
Сокращение периода измерения интенсивности Аґинг, очевидно, будет вызывать увеличение погрешности, связанной со статистикой отсчетов бета-частиц. Чтобы избежать этого, необходимо будет увеличивать изначальную интенсивность и, соответственно, активность источника, что может быть приемлемо лишь до определенных границ. Иначе, если не увеличивать начальную интенсивность источника, можно увеличить период измерения концентрации.
/с\> Т
Рис. 2. Численный эксперимент.
Сравнение результата измерения концентрации пыли в двухшаговой процедуре с периодом Т=15 мин (2) с мгновенной концентрацией (1) и результатом усреднения концентрации за период измерения Т (3). Уровень статистической погрешности для всех методов 2а— (4).
15 _ 15.5 1Є 16.5 17 17.5 18
( час
Отн. период измерения интенсивности, д/инт/г
Рис. 3. Зависимость максимальной относительной погрешности измерения концентрации пыли от относительного периода измерения интенсивности в двухшаговой процедуре измерения с отступом. Модель ступенчатого изменения концентрации: 1 — 3-кратное; 2 — 5-кратное; 3 — 10-кратное; 4 — 20-кратное мгновенное изменение концентрации пыли.
Однако следует ожидать, что 10-кратные мгновенные скачки концентрации п(/) - маловероятное явление. Поэтому переход к двухшаговой процедуре с большим фиксированным отступом является перестраховкой и, кроме того, всегда найдется амплитуда изменения п(/), которая выведет погрешность за допустимые пределы.
Для решения задачи предлагается использовать адаптивную процедуру измерения, в которой алгоритмически в процессе измерения осуществляется управление и периодом измерения интенсивности Д/инт, и всем периодом измерения одного значения концентрации пыли Т. Выбор периода измерения интенсивности Д/инт осуществляется так, чтобы минимизировать динамическую погрешность, а весь период измерения Т - так, чтобы минимизировать ста-
тистическую погрешность. Суммарная погрешность может быть минимизирована или, по крайней мере, приведена к допустимому уровню при средних концентрациях в таком же диапазоне измерения, что и в традиционном методе.
В результате, удается полностью решить проблему влияния изменчивости пылевого аэрозоля во времени на результат измерения. При самой экстремальной изменчивости концентрации пыли во времени статистические параметры результатов измерения непрерывным радиоизотопным методом не хуже, чем в традиционном радиоизотопном методе. В общем случае, при одинаковых приборных параметрах, непрерывный радиоизотопный метод превосходит традиционный в точности измеряемой величины, временном разрешении, диапазоне измеряемых концентраций.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кудряшов В.В., Палкин А.Б. Разработка автоматической станции пылевого контроля. III Всемирный конгресс по экологии в горном деле 7-11 сент., 1999 г. Труды конгресса т. I, -С. 240-247.
2. Палкин А.Б., Кудряшов В.В. Непрерывное измерение концентрации пыли радиоизотопным методом. Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: изд. МГГУ, № 9, 2000, -С. 110-113.
3. Кудряшов В.В., Воронина Ю.В. Направления в разработке приборов пылевого контроля. В сб. Проблемы рудничной аэрологии. - М.: Наука, 1974, -С. 209-214.
4. Кудряшов В.В., Воронина Л.Д., Шуринова М.К. и др. Смачивание пыли и контроль запыленности воздуха в шахтах. - М.: Наука, 1979, 196 с.
5. Большаков В.А., Кудряшов В.В., Воронина
Ю.В. и др. “Радиоизотопный измеритель концентрации пыли”, А/с СССР № 1480555 кл. О 01 N 23/02, 1988.
6. ГОСТ 17.2.4.02-81. Охрана природы. Атмосфера. Общие требования к методам определения за-
грязняющих веществ.
7. ГОСТ 12.1.005-88. Общие санитарногигиенические требования к воздуху рабочей зоны.
— Коротко об авторах --------------------------------------------------
Палкин Андрей Борисович - кандидат технических наук, ст. научный сотрудник ИПКОН РАН.
