Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ФІЗИКО–МЕХАНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ім. Г. В. КАРПЕНКА
НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ
Погребенник Володимир Дмитрович
УДК 621.317.39 : 532.574.6
МЕТОДИ І ВИМІРЮВАЛЬНІ СИСТЕМИ
ОПЕРАТИВНОГО ВИЗНАЧЕННЯ ІНТЕГРАЛЬНИХ ПАРАМЕТРІВ ВОДНОГО СЕРЕДОВИЩА ТА ДОННИХ ВІДКЛАДІВ
05.11.16 –інформаційно–вимірювальні системи
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Львів –
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана у Фізико–механічному інституті ім Г. В. Карпенка Національної академії наук України
Науковий консультант
доктор технічних наук, професор Сопрунюк Петро Маркіянович,
Фізико-механічний інститут ім. Г.В.Карпенка НАН України, м. Львів,
завідувач відділу електричних вимірювань фізичних величин
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор Стадник Богдан Іванович,
Національний університет "Львівська політехніка", м. Львів,
директор Інституту комп'ютерних технологій, автоматики і метрології
доктор технічних наук, професор Володарський Євген Тимофійович,
Національний технічний університет "КПІ", м. Київ,
професор кафедри автоматизації експериментальних досліджень
доктор технічних наук, старший науковий співробітник
Гайський Віталій Олександрович,
Морський гідрофізичний інститут НАН України, м. Севастополь,
завідувач відділу автоматизації океанографічних досліджень
Провідна установа:
Вінницький державний технічний університет Міністерства освіти та науки України, кафедра метрології та промислової автоматики
Захист відбудеться "02"липня 2002 р.
о 14 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.226.01 у
Фізико–механічному інституті ім. Г. Карпенка НАН України за адресою:
, м. Львів, вул. Наукова, 5
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Фізико–механічного інституту ім. Г. Карпенка НАН України (м. Львів, вул Наукова, 5)
Автореферат розіслано "24" травня 2002 р.
В.о. вченого секретаря
спеціалізованої вченої ради,
доктор технічних наук, професор Воробель Р.А.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Вивчення водного середовища та донних відкладів відноситься до фундаментальних проблем дослідження океанології, екології та геології. Водні об`єкти України зазнають інтенсивного антропогенного впливу: за останні роки концентрації забруднення води виросли у 5-40 разів, а грунтів –у 1,5-5 разів. Знання екологічного стану Чорного та Азовського морів, рік та озер України необхідне для розроблення національних та міжнародних програм їх екологічного відновлення, для економічної кооперації. Звідси –потреба в екологічному моніторингу довкілля.
Оперативний (кризовий) моніторинг водного середовища передбачає спостереження у реальному часі за окремими об'єктами у районах аварій і зонах надзвичайної екологічної ситуації та прийняття рішень щодо їх ліквідації.
Відомі зараз засоби та інформаційно-вимірювальні системи (ІВС) контролю вод мають низьку оперативність, часову та просторову роздільну здатність, точність, чутливість та надійність. Все це зумовлює необхідність розроблення автоматизованих ІВС з покращеними метрологічними характеристиками для оперативного визначення параметрів водного середовища та донних відкладів.
Значний вклад у розроблення теорії ІВС моніторингу середовищ внесли вчені Канади, США, Японії, Франції, Німеччини, Росії, Литви, Естонії, Бєларусі та інших країн. В Україні відомі такі наукові школи: київська, севастопольська, львівська, донецька та харківська.
Відомо, що кількість забруднювальних речовин у воді зараз досягає 1000000. Вибіркові (селективні) вимірювальні засоби здатні визначати тільки один компонент забруднення. Отже, для оперативного визначення стану водного середовища доцільно використовувати інтегральні параметри. Критерієм забруднення є загальний вміст неорганічних та органічних домішок у воді. Зараз вміст солей у воді обчислюють з похибкою 0,05 0/00 за прямо виміряними значеннями питомої електропровідності, температури та тиску. Оптичні методи забезпечують визначення вмісту органічних речовин у воді з похибкою 10%. Тому актуальним є розроблення оперативного інтегрального методу для визначення загального вмісту домішок у воді незалежно від їх природи.
Процеси у водному середовищі поділяють на велико- і дрібномасштабні. На сьогодні недостатньо вивчено дрібномасштабні процеси, які є в основному вихровими. Вони впливають на поширення забруднення, визначають інтенсивність тепло- і масообміну у його верхньому шарі. У дисертаційній роботі досліджено питання розроблення ІВС саме для дослідження дрібномасштабних процесів, мінімальні просторові і часові параметри яких обмежено значеннями 0,1 м та 1 с. Це ставить надзвичайно високі вимоги до часу вимірювань (менше 0,05 с) та мінімальних розмірів первинних вимірювальних перетворювачів (менше 0,1 м).
Для прогнозування стану водного середовища необхідно оцінити динаміку зміни рівня забруднення. Для цього потрібно провести вертикальне зондування водного середовища, яке має вигляд багатошаруватої системи. Параметри водного середовища залежать, по-перше, від неоднорідності його по вертикалі, а, по-друге, від контакту водного середовища з повітрям і з донними відкладами. Якщо взаємовплив повітря з водним середовищем є вивченим, то відкритим є питання взаємодії водного середовища з донними відкладами. Тому необхідно визначити вертикальний розподіл рівня забруднення і параметри нестаціонарного водного середовища: компоненти швидкості течій та звуку, дрібномасштабних вихорів, а потім –характеристики донних відкладів.
Для розпізнавання донних відкладів дотепер використовувалися методи механічного відбору зразків грунтів, які є громіздкі, малопродуктивні, незручні, не піддаються автоматизації, не придатні для дослідження великих акваторій і не відповідають сьогоднішнім потребам. Відомі дистанційні методи розпізнавання типів донних відкладів за параметрами акустичних коливань мають недостатню надійність.
Все це призводить до розроблення методології оцінювання стану водного середовища в реальному часі по всій вертикалі.
Отже, висока ефективність сучасних ІВС для оперативного моніторингу водного середовища залежить від вирішення протиріччя між необхідністю забезпечення одночасного вимірювання багатьох параметрів різних фізичних полів, що змінюються як у просторі, так і в часі –з одного боку, і необхідністю забезпечення підвищення точності та чутливості визначення інтегральних параметрів води та вірогідності класифікації донних відкладів в умовах інтенсивних завад і шумів –з другого боку. Вирішення цього протиріччя складає зміст проблеми, що вирішується, а розроблення і дослідження шляхів і методів розв'язання проблеми визначає мету даної дисертаційної роботи.
Отже, у дисертаційній роботі розв'язується важлива науково-прикладна проблема –створення науково-технічних засад побудови автоматизованих засобів оперативного вимірювання інтегральних параметрів водного середовища та донних відкладів.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася у ФМІ НАН України в рамках науково–дослідних тем: 1) бюджетної теми "Методи і засоби екологічного моніторингу" (1990–, відповід. виконавець); 2) бюджетної теми "Вимірювання параметрів електричних і магнітних полів стосовно задач діагностики електропровідних середовищ" (1991–, відповід. виконавець); 3) бюджетної теми "Розробка принципів побудови та створення високочутливих вимірювальних перетворювачів електричного поля (№ д/р 0195U004340, 1994–рр., відповід. виконавець); 4) бюджетної теми "Розробка принципів побудови високочутливих інформаційно–вимірювальних систем експрес–контролю провідних середовищ (№ д/р 0198U004615, 1997–рр., відповід. виконавець); 5) бюджетної теми "Розробка методів відбору інформативних параметрів стану поверхневих шарів матеріалів і корозійних середовищ при їх діагностиці" (№ д/р 0100U004869, 2000-2002 рр., відповід. виконавець); проекту ДКНТ 02.06/00/003–"Екологічний моніторинг Шацького національного природного парку" (1992–, відповід. виконавець); проектів Національного агенства морських досліджень та технологій України "Створення і забезпечення експлуатації мобільної лабораторії експрес–аналізу водного середовища та донних відкладів для локальних морських полігонів" (№ д/р 0194U036858, 1994–рр., науковий співкерівник) та "Розробка нових методів і засобів для дослідження тонкої структури морських вихрових утворень" (№ д/р 0194U036858, 1994–, науковий співкерівник); г/д №1928 з Інститутом "Атоменергопроект" (м. Москва) "Розробка і створення макету системи контролю параметрів водного середовища для екологічного моніторингу водоймищ–охолоджувачів атомних електростанцій" (1990–рр., відповід. виконавець); г/д №2391 з Інститутом кібернетики ім. В.М.Глушкова НАН України "Проведення експериментальних робіт з первинного екологічного моніторингу в Шацькому національному природному парку" (1993 р., відповід. виконавець) у рамках г/д №71–/93 "Проектування першої черги Системи екологічного моніторингу "Україна", низки г/д з Львівською залізницею (відповід. виконавець) та угод про співпрацю.
Метою роботи є: розроблення методів побудови автоматизованих акустичних систем, підвищення точності та чутливості оперативного визначення інтегральних параметрів водного середовища і вірогідності класифікації донних відкладів в умовах дії інтенсивних завад і шумів.
Досягнення цієї мети передбачає розв'язання таких задач:
–провести аналіз та класифікацію методів побудови ІВС оперативного визначення інтегральних параметрів водного середовища та донних відкладів та розробити методологію, яку буде покладено в основу синтезу акустичних ІВС оцінювання стану водного середовища з урахуванням впливу донних відкладів;
–обгрунтувати вибір нових інформативних параметрів на основі моделей лінійної та нелінійної взаємодії акустичних імпульсних коливань в умовах дії інтенсивних завад і шумів з водним середовищем та донними відкладами;
–розробити інваріантний до зміни температури акустичний метод визначення загальної концентрації домішок у воді та синтезувати на його основі алгоритми опрацювання сигналів;
–розробити методи підвищення чутливості мікропроцесорних ІВС для визначення інтегральних параметрів водного середовища в умовах апріорної невизначеності характеристик середовища;
–обгрунтувати процедури мінімізації похибок акустичних вимірювань при оперативному моніторингу неоднорідного та нестаціонарного водного середовища;
–розробити методи побудови акустичних ІВС, які мають підвищену вірогідність класифікації донних відкладів;
–створити методи підвищення завадостійкості вимірювання часових та амплітудних параметрів акустичних імпульсних сигналів на основі адекватних їм моделей досліджуваного середовища зі стохастичною просторово-часовою структурою;
–розробити математичне і алгоритмічне забезпечення та створити зразки мікропроцесорних ІВС;
–обгрунтувати метрологічне забезпечення розроблених методів і засобів експериментального дослідження тонкої структури водного середовища.
Об'єктом дослідження є інформаційно-вимірювальні системи моніторингу середовищ. Предметом дослідження є методи підвищення точності, чутливості та вірогідності класифікації ІВС оперативного визначення інтегральних параметрів водного середовища та донних відкладів в умовах дії інтенсивних завад і шумів.
Методи дослідження. Для розв'язання поставлених задач використовувалися методи теорії інформаційно-вимірювальної техніки, теорії похибок, теорії розпізнавання, нелінійної акустики, математичного моделювання на ЕОМ, системного аналізу та натурний експеримент.
Наукова новизна отриманих результатів:
–розроблено нову методологію побудови ІВС оперативного визначення інтегральних параметрів водного середовища та донних відкладів, яка полягає у використанні лінійних та нелінійних ефектів взаємодії акустичних коливань з вказаними середовищами та введенні нових інформативних параметрів багаторазово відбитих сигналів, що є підставою для аналізу взаємодії вузлів систем з метою визначення всіх складових похибок, розроблення вимог до цих вузлів, а також синтезу їх структур;
–введено новий інтегральний інформативний параметр –загальну концентрацію домішок у воді, який дає змогу оперативно виявляти наявність та рівень забруднення, та вперше встановлено її зв'язок з параметрами акустичних коливань з врахуванням впливу основних термодинамічних параметрів –температури, тиску, швидкості звуку –і на цій підставі розроблено новий інваріантний до зміни температури акустичний метод оперативного вимірювання загальної концентрації речовин у воді, в основу якого покладено вимірювання часових і амплітудних параметрів багаторазово відбитих сигналів у еталонному та досліджуваному середовищах, що дає змогу аналізувати неорганічні та органічні рідини, і створено засади побудови відповідних ІВС;
–вперше отримано залежності нелінійного акустичного параметра від солоності та температури і показано, що використання цього параметра дає змогу підвищити більш як на порядок чутливість визначення загальної концентрації cолей у воді;
–вперше виявлено у результаті математичного моделювання багатошаруватого середовища нові інформативні амплітудні, часові та спектральні параметри акустичних багаторазово відбитих сигналів, за якими класифікують донні відклади; підтверджено можливість покращення розпізнавання складу відбиваючих границь з високим та низьким акустичним імпедансом при використанні цих параметрів;
–отримано нові залежності складових методичної та інструментальної похибок визначення інтегральних параметрів водного середовища і на цій основі мінімізовано сумарну похибку вимірювання мікропроцесорних акустичних ІВС;
–отримано нову залежність відношення амплітуд багаторазово відбитих сигналів від кількості відбивань і на основі цього розроблено принципи побудови та новий акустичний метод класифікації параметрів донних відкладів, інваріантний до глибини водойми, що дає можливість значно підвищити вірогідність класифікації донних грунтів і об'єктів;
–встановлено та експериментально підтверджено, що за критерієм інформативності та простоти реалізації для класифікації донних відкладів доцільно використовувати середній коефіцієнт нахилу амплітудного спектру і амплітуду високочастотних осциляцій багаторазово відбитих сигналів, усереднену у різних частотних смугах;
–розроблено нові методи вимірювань часових та амплітудних параметрів акустичних імпульсних сигналів, в основу яких покладено інтегрувальне розгортальне перетворення, що дало змогу більше як на порядок підвищити завадостійкість і точність вимірювань; проаналізовано похибки вимірювання та синтезовано їх структуру.
Практичне значення одержаних результатів. Практична цінність результатів дисертаційної роботи полягає у використанні розроблених методів та засобів оперативного визначення параметрів водного середовища та донних відкладів, що є визначальним: у системах екологічного моніторингу, контролю рідин у хімічній, нафтохімічній та харчовій промисловості, в океанології, геології, матеріалознавстві, системах локації та навігації. Впровадження систем оперативного моніторингу водного середовища та його компонентів дало змогу автоматизувати процес вимірювання, розширити функціональні можливості, номенклатуру забруднювачів і параметрів води і значно скоротити час вимірювань.
Розроблено такі автоматизовані засоби моніторингу середовищ, зокрема:
а) ІВС оперативного визначення параметрів водного середовища для екологічного моніторингу водоймищ–відстійників атомних електростанцій;
б) 16-канальну мікропроцесорну систему "АКВАТЕСТ–01" для оперативного визначення параметрів водного середовища;
в) 3-канальну мікропроцесорну систему "АКВАТЕСТ–" для визначення концентрації речовин у воді;
г) мікропроцесорну систему "МОС" для визначення параметрів донних відкладів та об'єктів;
д) спецпроцесор для опрацювання акустичних сигналів;
е) прилад контролю напруги ПКН–та дистанційний індикатор напруги ДІН–;
ж) комплекс опрацювання, реєстрацiї та вимiрювання параметрiв швидкоплинних процесiв для автоматизацiї, опрацювання та вимiрювання параметрiв одноразових чи перiодичних сигналiв.
Впровадження результатів роботи здійснювалось у: Інституті "Атоменергопроект" (м.Москва, Росія), Природному заповіднику "Горгани", Львівській залізниці, ВАТ "Львівський керамічний завод", ВАТ "ЛЬВІВПОКІЗОЛ", ВАТ "ЛьвівОРГРЕС", об'єднанні "Львівтрансгаз"; Фізико–механічному інституті ім. Г. Карпенка НАН України.
Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на: 6-ой Всес. школі-сем. "Распараллеливание обработки информации" (Львів, 1987); Всес. конф. "Техническое и программное обеспечение комплексов полунатурного моделирования" (М.,1988); Всес. конф. "Метрологическое обеспечение ИИС и АСУТП" (Львів,1988); 6-ому и 7-ому симп. "Проблемы создания преобразователей формы информации" (К., 1988, 1992); Всес. конф. "Технические средства и методы освоения океанов и морей" (Геленджик,1989); Міжн. конф. "Интеграция систем целевой подготовки специалистов и автоматизированных технических систем различного назначения" (Сочи, 1990); Всес. конф. "Прием и анализ сверхнизкочастотных колебаний естественного происхождения"(Львів,1990); Міжн. конф. "МERA-91" (М., 1991); Першій і третій Всеукр. конф. з обробки сигналів і зображень та розпізнавання образів" (К., 1992, 1996); Конф." Фундаментальні та прикладні проблеми космічних досліджень" (Житомир, 1993); III Міжн. наук.-техн. конф. "Методы представления и обработки случайных сигналов и полей" (Харків, 1993); Міжн. симп. "Імовірнісні моделі та обробка випадкових сигналів і полів" (Тернопіль, 1993); Міжн. наук.–техн. сем. "Морское и экологическое приборостроение" (Севастополь, 1994, 1995); Конф. "70-річчя Канівського заповідника" (Канів, 1994); Другій, третій і сьомій Укр. конф. з автоматичного керування "Автоматика-95,96,2000" (Львів, 1995, Севастополь,1996, Львів, 2000); Третій Міжн. наук.-техн. конф. "Проблемы экологического мониторинга и охраны труда" (Cевастополь,1995); 4-ой и 5-ой Межд. науч.-техн. конф. "Проблемы охраны труда и техногенноэкологической безопасности" (Севастополь, 1995, 1999); Міжн. конф. "Комп'ютерні технології друкарства" (Львів, 1996, 1998, 2000); Сем. "Применение экспрессных методов при выполнении экологических исследований" (К., 1996); Другій і Третій Укр. наук.-техн. конф. "Неруйнівний контроль та технічна діагностика" (Дніпропетровськ, 1997, 2000); Конф. "Физика и техника ультразвука" (Санкт- Петербург, 1997); Міжн. наук.-техн. конф. "Фізичні методи та засоби контролю матеріалів та виробів" (Славське, 1998, 1999, 2000, 2001, 2002); I Міжн. наук.-техн. конф. "Цифровая обработка сигналов" (М., 1998); 15-ій Російській конф. "Неразрушающий контроль и диагностика" (М., 1999); Міжн. наук.-техн. конф. "Системы контроля окружающей среды" (Севастополь, 1999, 2001); Міжн. Конгресі "Проблеми інформатизації рекреаційної та туристичної діяльності в Україні: перспективи культурного та економічного розвитку" (Трускавець, 2000) ; Міжн. конф. "Росточанський збір–" (Яворів, 2000); konf. nauk.techn. "Bespieczenstwo w elektryce" (Katowice, 2000).
Публікації. За темою дисертації опубліковано понад 110 наукових робіт, у тому числі 40 статей у фахових виданнях, з них 24 одноосібних, 5 патентів на винаходи та 2 препринти. Перелік основних 73 публікацій наведено в авторефераті.
Особистий внесок. Розроблено методологію побудови акустичних ІВС для оперативного вимірювання параметрів середовищ; введено новий інтегральний параметр –загальну концентрацію речовин у воді; встановлено зв'язки фізико-хімічних характеристик водних розчинів з параметрами акустичних коливань; розроблено новий акустичний метод вимірювання сумарної концентрації речовин у воді; отримано залежності похибок вимірювань від параметрів системи та параметра акустичної нелінійності від солоності; розроблено математичні моделі та запропоновано нові інформативні амплітудні, часові та спектральні параметри для класифікації донних відкладів; розроблено новий інваріантний метод класифікації донних відкладів; експериментально підтверджно ефективність нових спектральних параметрів розпізнавання донних відкладів; запропоновано методи побудови мікропроцесорних ІВС; оптимізовано параметри акустичного каналу визначення сумарної концентрації рідин; розроблено методи підвищення чутливості засобів вимірювання загальної концентрації речовин у воді; розроблено нові завадостійкі методи вимірювання часових та амплітудних параметрів сигналів, проаналізовано похибки вимірювань та розроблено рекомендації щодо їх мінімізації.
Основні теоретичні положення та результати, які подано у дисертації, отримано автором особисто. Роботу з експериментального дослідження ІВС та впровадження проведено разом із співавторами, прізвища яких наведено у бібліографічному списку.
У публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачеві належать: у роботах [22, 27, 40, 45, 46, 52, 71] –акустичний метод вимірювання солоності, спосіб та пристрій для перетворення часового зсуву, акустичні методи та системи вимірювання вихрового компонента швидкості течії, експресні методи діагностики у скловарній печі, методи розширення динамічного діапазону активних систем; у роботах [29, 47, 48, 51, 68] –математичні моделі нелінійної діагностики водних розчинів, фізико-хімічних явищ на границі водний розчин –іоноселективний електрод, градуювальної характеристики іоноселективного електрода, вихора у в'язкому середовищі та дослідження можливостей іонометричного контролю якості вод; у роботах [32, 58] –аналіз похибок установлення та вимірювань; у роботах [25, 28, 30, 33, 38, 42, 44, 50, 53, 55, 61, 63. 64, 65, 67, 69, 70] –методи побудови та структурні схеми акустичних ІВС оперативного визначення параметрів середовищ, пристрою для визначення віддалей до об'єктів, спецпроцесора для опрацювання інформації про стан водного середовища, пристрою для індикації, портативного мікропроцесорного гідромонітора, акустичний метод контролю виробів, системи контролю якості скла та інформаційної системи підтримки стабільних параметрів скла, системи автоматизації опрацювання сигналів, автоматизованої системи екологічного моніторингу водойм, структура інформаційної бази даних екологічного моніторингу, комплексу для опрацювання сигналів у реальному часі, приладів контролю напруги; у роботах [26, 31, 36, 54, 57] –методологія визначення гідрохімічних характеристик, експериментальних досліджень характеристик пиловимірювальних приладів, вибір методів та проведення експериментальних досліджень вмісту оксиду вуглецю, експериментальних досліджень, аналізу впливу температури на результат вимірювання солоності води; у роботах [34, 60, 65] –структура програмного забезпечення ІВС, програмного забезпечення для аналізу відбитого сигналу та роль метеовимірювань в екологічних дослідженнях.
Структура та об'єм роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, шести розділів, висновків, додатків і списку літератури. Загальний обсяг роботи становить 382 сторінки, у тому числі 280 сторінок основного тексту, 110 рисунків і 14 таблиць, 51 сторінка додатків. Бібліографія включає 306 джерел і викладена на 28 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертації, визначено об'єкт і предмет дослідження, сформульовано мету, завдання та методи дослідження, визначено наукову новизну, практичне значення й особистий внесок автора в одержані результати, подано відомості про їх апробацію і впровадження.
У першому розділі наведено огляд літератури за темою і обгрунтовано вибір напрямку дослідження.
Прецизійні вимірювання стану водного середовища є надзвичайно складною проблемою, що охоплює такі взаємопов'язані аспекти: мету дослідження та структуру досліджуваних океанологічних полів, рівняння стану водного середовища, принципи вимірювань та метрологічної атестації, методи побудови ІВС, методи опрацювання результатів вимірювань та оцінки похибок відновлення. У неоднорідних середовищах, до яких відноситься і морське середовище, це і проблема динамічних вимірювань. Специфіка досліджень водного середовища полягає у тому, що дотепер прямими методами in situ можна виміряти не всі, а тільки деякі параметри, які характеризують його термодинамічний стан, зокрема, температуру Т, тиск Р, питому електропровідність s, швидкість звука С та показник заломлення світла n. Але такі важливі параметри як солоність S і густина r прямим методом з необхідною точністю in situ не вимірюються, а розраховуються на основі функціонально з ними пов'язаних параметрів.
Зараз у гідрографії основні відомості про стан водного середовища отримують з допомогою автоматизованих вимірювально-обчислювальних комплексів, основу яких складають CTD-зонди, що вимірюють прямим методом параметри s, Т, Р, на основі яких розраховуються густина, солоність та інші непрямо вимірювані елементи стану. Але CTD-зонди мають принципові недоліки, зумовлені інерційністю сенсора температури, різними об'ємами просторового усереднення сенсорів температури та електропровідності та їх просторовим рознесенням.
Сформульовано вимоги до ІВС та запропоновано нову класифікацію методів, приладів та ІВС оперативного визначення параметрів водного середовища та донних відкладів. У результаті системного огляду встановлено, що найперспективнішим і разом з тим найменше розробленим є акустичний метод. Його перевагами є: практична безінерційність, відсутність спотворення досліджуваного поля, значний обсяг та різноманіття отримуваної інформації, експресність, можливість проведення як зондувальних, так і дистанційних вимірювань. З допомогою акустичного методу можна визначати швидкість течії та її компоненти, швидкість звуку, вихровий компонент швидкості потоку, рівень, глибину, концентрацію солей, лугів, кислот, спиртів, розплавів металів, рН, органічних речовин, витрати, густину, коефіцієнти поглинання звука, кінематичної, зсувної та об'ємної в'язкості, стисливості та термічного розширення, температуру, виявляти наявність нафтопродуктів, досліджувати внутрішні хвилі, турбулентність, явища на поверхні води, характеристики об'єктів, донних відкладів та грунтів.
Об'єктами акустичного моніторингу є: просторово усереднена температура, тепло-вий режим, неоднорідності середовища, течії, циркуляція, вихори, водообмін в протоках, спектри внутрішніх хвиль та турбулентності, рН, вітер, хвилювання, опади, лід.
Удосконалення акустичних систем доцільно здійснити шляхом підвищення їх чутливості, вірогідності, завадостійкості, виходячи із запропонованих моделей і алгоритмів. Отже, обгрунтовано розроблення нових методів та засобів відбору, опрацювання та передавання інформації і на їх основі створення нового покоління високочутливих ІВС оперативного екологічного моніторингу.
У другому розділі розроблено теоретичні засади створення інформаційно-вимірювальних систем оперативного визначення інтегральних параметрів водного середовища та донних відкладів.
Розглянуто модель водного середовища, яке включає: приводний шар атмосфери, шарувате водне середовище та донні відклади. Водне середовище характеризується наявністю домішок і дрібномасштабних вихорів, а також швидкістю руху vp. Для даної моделі водного середовища проаналізовано математичні моделі процесів забруднення та самоочищення водного середовища: Фролова-Родзиллера, Моно, Стритера-Фелпса, Бєляєва-Кондуфорової, Лаврика. Виходячи з аналізу цих моделей обгрунтовано вибір інтегральних параметрів водного середовища, які поділено на дві групи: 1) вимірювані –показник заломлення світла n, питома електропровідність s, швидкість звука c, поглинання звука a, рН, акустичний імпеданс Z; 2) обчислювані –густина r, солоність S, нелінійний акустичний параметр g.
Введено новий інтегральний інформативний параметр –загальну концентрацію домішок Се у воді, який дає змогу оперативно виявляти наявність та рівень забруднення.
Розроблено нову методологію побудови ІВС оперативного визначення інтегральних параметрів водного середовища та донних відкладів, яка полягає у використанні лінійних та нелінійних ефектів взаємодії акустичних коливань з вказаними середовищами та введенні нових інформативних параметрів багаторазово відбитих сигналів, що є підставою для аналізу взаємодії вузлів систем з метою визначення всіх складових похибок, розроблення вимог до цих вузлів, а також синтезу їх структур
Сутність цього підходу розглянуто на прикладі класів моделей водного середовища, які можна описати хвильовим рівнянням зі скалярною змінною. Але реальне середовище характеризується незворотною передачею енергії його частинкам (дисипацією) та залежністю швидкості поширення хвилі від частоти (дисперсією). Це можна описати введенням додаткового лінійного члена.
При збуренні середовища його опис не зводиться до лінійних хвильових рівнянь, а з врахуванням нелінійних членів набирає вигляду:
С2P=(1/с2)( ¶2P/¶t2)+M1(P)+M2(P2)+M3(P3)+..., (1)
де С –оператор Лапласа; P –тиск; с –швидкість звуку; Mі – лінійні оператори, які дають змогу описати нелінійні ефекти при поширенні хвиль у середовищі.
Розроблено інформаційну модель процесу відбору інформації в акустичній ІВС, яку виразимо операторним рівнянням
(2)
де А – оператор, який характеризує випромінювання акустичного сигналу; W –оператор, який характеризує вплив умов поширення сигналу в середовищі; Т – оператор об'єкта діагностики; Сj(f,x,y,s,t) –оператор електричного сигналу зондування; f –частота сигналу; x, y, z –просторові координати; t –час; j –номер каналу випромінювання; і –номер відбитого сигналу; Sij, Nij, Fij –відповідно, оператори ехо-сигналу, внутрішніх та зовнішніх завад.
Оператори А, W, Т описано виразами
A=Ф1{(f,Rj;t,x,y,z); (3)
W=Ф2{[S,T,P,r,v,rot v];[С, a, g]} (4)
T=Ф3(RS); (5)
де Ф1, Ф2, Ф3 –відповідно, оператори, які здійснюють перетворення електричного сигналу в акустичний, описують процес поширення сигналу в середовищі та характеризують процес відбивання сигналу; Rj –оператор, що описує діаграму спрямованості сенсора; r, v, rot v – відповідно, густина, швидкість та вихровий компонент швидкості потоку; a, g –коефіцієнт загасання акустичного сигналу в середовищі та нелінійний акустичний параметр; RS –коефіцієнт відбивання звука.
Введено характеристики ехо-сигналу QS(l), а через QW(l) і QT(l) позначено характеристики параметрів водного середовища та відбивачів
QS(l)=WS[QW(l), QT(l)], (6)
де WS – оператор, який характеризує вплив умов поширення сигналу в середовищі. При цьому оператор WS є оператором розв'язання прямих задач.
Параметри водного середовища QW(l) та донних відкладів QT(l) визначено за заданими характеристиками ехо-сигналів QS(l) у присутності внутрішніх QN(l) та зовнішніх QF(l) завад
QW(l)=WSW–[QS(l), QT(l)] ; (7)
QT(l)=WST–[QW(l), Q(l)] , (8)
де оператори WSW– і WST–є оберненими по відношенню до оператора WS .
Обґрунтовано використання для зондування середовищ за критерієм мінімізації впливу завад та шумів моделі імпульсного акустичного сигналу тривалістю ti, частотою заповнення f, розмірів акустичного перетворювача D i та бази вимірювань L, та запропоновано моделі багаторазово відбитих вимірювальних сигналів. На базі розроблених моделей запропоновано засади створення ІВС для оперативного моніторингу водного середовища та донних відкладів.
У третьому розділі запропоновано нові методи побудови точних і високочутливих акустичних ІВС оперативного визначення інтегральних параметрів водного середовища, виходячи з відповідних моделей досліджуваного середовища.
Операторне рівняння процесу передавання, відбору та перетворення інформації акустичних ІВС оперативного визначення інтегральних параметрів водного середовища з урахуванням конструктивних параметрів має вигляд
[S; v; c; rot v; (L)] = F{t1, t2}{T, p, a, z}[D, Ka, K(j), K0], (9)
де L –база вимірювань; t1, t2, T, p, a –вхідні параметри, відповідно, часи проходження акустичних сигналів вздовж вимірювальної бази у протилежних напрямках або в еталонній та досліджуваній рідинах, температура, тиск рідини і коефіцієнт поглинання; D, Ka, K(j), K0 –конструктивні параметри, що враховують геометричні розміри сенсора, акустичні властивості водного середовища, діаграму спрямованості, взаємне розміщення сенсорів один відносно одного; z –величина, яка характеризує неточність моделі, до складу якої входять наступні параметри: розкид чутливості акустичних сенсорів, роздільна здатність по частоті, швидкість потоку, наявність турбулентності тощо.
Запропоновано принципи побудови та варіанти A, B, C, D i E акустичного методу оперативного визначення загальної концентрації солей у воді, який полягає в тому, що досліджуване та еталонне середовища одночасно опромінюють акустичними хвилями і вимірюють часи поширення td i te між перетворювачами, розташованими в кожному з них. Відстань між акустичними перетворювачами в обох середовищах однакова і рівна L. Введено перетворення для фазового B1f(S) та інтегрального простору B1i(S) параметрів ІВС [ODДІВС], на основі яких отримано вирази для варіантів акустичного методу визначення солоності води (табл. 1).
Табл. 1
Варіанти акустичного методу визначення солоності водного середовища
Варіант А B C D E
Солоність, S kAtx kBLtx/с(tеtd) kcLtх /[tc2–tx2] kDLtx/[tc2)] kELtх /[tе(tе –tx)]
У табл.1 позначено: tx = tе –td; tс=tе + td; k –коефіцієнт пропорційності; tе і td –часи поширення акустичних сигналів вздовж вимірювальної бази; ці часи визначають з виразу на основі зміни метрики у фазовому просторі ІВС:
, (10)
; (11)
де –простір параметрів ІВС; –фазовий простір системи; –інтегральний простір ІВС; Х –вхідний параметр; x –завади.
Перевагами пропонованого методу є можливість знайти загальну концентрацію домішок у воді в реальному часі, незалежно від температури та тиску води, а також аналіз неорганічних та органічних рідин.
Описаний акустичний метод дозволяє визначати концентрацію нерухомих рідин. Запропоновано акустичний метод визначення концентрації солей у рухомій рідині за виразом
S= kL (1/t+v+1/t–v–2/te) /2; (12)
де , (13)
, (14)
a –кут між вектором швидкості звуку і потоку; ai , b, d –коефіцієнти пропорційності; с0 –швидкість звуку у нерухомій рідині.
Розглянуто шляхи технічної реалізації і обгрунтовано вибір варіанта Е акустичного методу визначення солоності води за критерієм мінімуму апаратурних затрат і заданої точності вимірювання. Тут доцільно використати мікроконтролер для реалізації алгоритмів опрацювання даних.
Виконано аналіз похибок вимірювання концентрації солей у воді. Оцінено методичні похибки вимірювання: похибку, яка виникає внаслідок використання наближених залежностей для швидкостей звуку замість точніших, але складних (формули Дель-Гроссо, Вільсона і т.д.) та похибку за рахунок різної температури досліджуваної та еталонної рідини.
При виборі конструкції корпусу концентраміра було проведено аналіз впливу його форми (циліндр, пластина) та температури на результат вимірювання. Досліджено процес охолодження циліндричного корпусу при визначенні солоності води в умовах нестаціонарного теплового режиму. Корпус концентраміра моделюється циліндричною трубою довжини l (R1 –внутрішній радіус; R2 –зовнішній радіус). Якщо позначити r радіальну координату, то область 0<r<R заповнено водою, область R1<r<R2 –металева оболонка (наприклад, з латуні). Обмежимось розглядом безмежних коаксіальних циліндрів (l®Ґ), оскільки m=R/l>3.
Розрахунки показали, що зовнішня металева оболонка на процес теплопровідності впливає незначно. Встановлено, що лімітуючим буде процес поширення тепла в області (1) 0<r<R1. В зв'язку з цим розв'язок задачі всередині внутрішнього циліндра запишемо так
. (15)
Тут q –безрозмірна температура; mn –корені характеристичного рівняння BіJ0(m)=J1(m);
J0(mn) і J1(mn) –функції Бесселя першого роду нульового і першого порядку від дійсного аргументу; Fo=at/R12 –критерій Фур'є, що являє собою безрозмірний час; Bi =аR1/l –критерій Біо.
Отримано залежності часу релаксації t* (тобто, часу, протягом якого зміна температури у 18 внутрішніх точках rj досягне середнього значення DT*=0,95DT) від радіуса внутрішнього циліндра Ri (Ri=5...27 мм)
t*=13,54+7,626Ri+2,988Ri–,0185Ri (Ri=5...10 мм); (16)
t*=15,617+6,471Ri+3,103Ri–,0234Ri (Ri=5...27 мм). (17)
Виконано оптимізацію розмірів циліндричного корпусу при мінімальних значеннях часу релаксації та відхиленнях температури від рівноважного значення.
Чутливість вимірювання солоності води Smin в умовах дії завад і турбулентностей визначається часовою роздільною здатністю ІВС, що забезпечує реєстрацію мінімального інтервалу часу Dtx min, що відповідає вказаній мінімальній солоності. Показано, що можливі такі методи підвищення чутливості вимірювання Smin: 1) збільшення розмірів бази вимірювань L; 2) підвищення чутливості вимірювань tx; 3) збільшення інтервалу tx; 4) використання m сигналів зондування і усереднення результатів вимірювань. Виявлено, що найперспективнішим є комбінація методу багаторазових відбиттів з елементами другого та четвертого методів. Крім того, з допомогою багаторазових відбиттів можна визначати коефіцієнт загасання акустичних сигналів в розчинах солей, що дозволить додатково їх класифікувати.
Проаналізовано складові інструментальної похибки двоканального пристрою для вимірювань сумарної концентрації солей у воді, який використовує метод багаторазових відбиттів звуку на вимірювальній базі.
Запропоновано методи побудови та структуру мікропроцесорних ІВС для вимірювань загальної концентрації солей у воді. Основними принципами їх побудови є: поточне оцінювання безпосередньо на місці досліджень; одночасний аналіз температури, питомої електропровідності та солоності води; автоматизація вимірювань та калібрування; передача інформації інтерфейсом RS-232 для зв'язку з ПЕОМ; забезпечення накопичення інформації протягом доби; тривала стабільність роботи в автономному режимі.
Виходячи із запропонованого алгоритму синтезовано структурну схему акустичного каналу ІВС. Схему цього канала наведено на рис. 1. Канал можна умовно розділити на три частини: I –первинні перетворювачі (сенсори); II –вимірювачі часових інтервалів; III –мікроконтролер. Процес вимірювання реалізується на основі роботи алгоритму в такій послідовності. Iмпульси з частотою відліків f0 запускають генератор зондування 6. Електричний імпульс зондування через комутатори 3 і 3ў надходить на обернені акустичні перетворювачі 2 і 2ў, які перетворюють його в акустичні імпульси. Ці імпульси поширюються в досліджуваному та еталонному середовищах на базі L, багаторазово відбиваються від відбивачів 1 і 1ў та обернених акустичних перетворювачів 2 та 2ў і поступово загасають за амплітудою (рис. 2).
Кожного разу при відбиванні від перетворювачів 2 і 2ў частина енергії звукового імпульсу перетворюється в електричні сигнали, які через комутатори 3 і 3ў надходять на входи схеми вимірювання часових інтервалів 4 та часу поширення звуку в еталонному середовищі 5. На виході блоків 4 та 5 формуються часові інтервали tх і tе, які визначають лічильниками імпульсів 8 і 8ў, куди надходять імпульси еталонної частоти f0 з генератора 7. Ці дані заносять у мікроконтролер 9.
Рис. 1. Структура акустичного каналу Рис. 2. Часові діаграми багаторазово відбитих сигналів
Залежність середньоквадратичного відхилення вимірювання концентрації солей ss у воді від кількості відбиттів n має вигляд
ss=[(1+KS2)0,5]/{2(n–1)R S2(n–1)exp[–aL(n–1)]}. (18)
де KS –відношення середньоквадратичного відхилення похибки квантування до середньоквадратичного відхилення похибки визначення часового інтервалу; RS –коефіцієнт відбивання звуку. Критерієм оптимізації акустичного каналу є мінімізація похибки впливу завад за виразом
, (19)
де ti –час вимірювання.
Проаналізовано виходячи з моделей сигналу зондування та середовища (рис. 3) вплив параметра KS при постійному коефіцієнті відбивання звуку RS = 0,95 і добутку коефіцієнта поглинання звуку a на відстань L між акустичними пе-ретворювачами aL = 0,05. Як бачимо, мінімальні похибки отримуються при KS ® 0.
Побудовано (рис. 4) залежність від n при фіксованих значеннях KS = 1,0 та aL = 0,05 для різних значень коефіцієнта відбивання звуку RS. При RS = 0,98 та n = 8 функція має екстремуми і не перевищує 0,58 у всьому діапазоні значень n, а при n = 6...12 не перевищує значення 0,35. Зі зменшенням коефіцієнта відбивання до 0,95 (крива 2), 0,925 (крива 3) і 0,9 (крива 4) значення середньоквадратичної похибки зростає, але тоді на графіку з'являються мінімуми при n = 6; 5 і 4.
Подано рекомендації щодо вибору параметрів акустичної ІВС для визначення концентрації рідин: 1) слід вибирати матеріал акустичних перетворювачів і відбивачів з максимальним коефіцієнтом відбивання звуку RS; 2) параметр Кs слід вибирати меншим за одиницю; 3) значення параметра aL треба вибирати меншим 0,1.
Рис. 3. Залежність ss від кількості відбивань n при aL= 0,05 та RS = 0,95: 1 –Кs = 0; 2 –,5; 3 –,0; 4 –,5; 5 – 2,0; 6 –,0. Рис. 4. Залежність ss від кількості відбивань n при aL= 0,05 та Ks=1,0: 1 –RS=0,98; 2 –,95; 3 –,925; 4 –,9.
Розроблено новий підхід, методи побудови та структуру акустичної мікропроцесорної ІВС, яка дає можливість проводити одночасне вимірювання вихрового компонента швидкості течії, напрямку і компонентів швидкості течії та швидкості звуку. Використання мікроконтролера дає змогу автоматизувати процес вимірювання, визначати статистичні характеристики вказаних параметрів, зокрема, середні значення, середньоквадратичні відхилення тощо.
Досліджено вплив та характеристики нелінійного акустичного параметра g для аналізу властивостей водних розчинів. Для визначення g використано розклад тиску P в ряд за густиною r і ентропією біля рівноважного значення P0. Отримано уточнену формулу для g з врахуванням компонент збурення
g(t, x, Z)=1+2r02G2P/r+2r0G[(P/r)(1+r02G2P/r)]0,5. (20)
де P=P(t, x, Z) a G=¶C/¶P –ізотермічний коефіцієнт тиску; r=r(t, x, Z).
Отримано залежність параметра g від солоності S в діапазоні S=(0...40) ‰. При цьому враховано співвідношення між густиною та температурою, а також залежність швидкості звуку від температури за формулою Дель-Гроссо. У результаті числового розрахунку отримано уточнені значення параметра g і P при температурах t1=200C i t2=300C у діапазоні солоностей S=(0...40)‰ ( рис. 5).
Як видно з рис. 5, залежності параметра g від температури гладкі, неперервні, мають нелінійний характер і при S=35‰ досягають мінімуму. Аналітично їх можна апроксимувати квадратичними функціями
g=9.45945–.20019S+0.0029079S2 (21)
при T1=200C
g=11.31397–.0308375S+0.0044405S2 (22)
при T1=300C
Отримано також залежність параметра g від температури у діапазоні T = (20...90)0C.
Оцінено чутливість акустичного методу з використанням нелінійних ефектів та на основі лінійної акустики. При зміні солоності від 0 до 20‰ при температурі T = 200C швидкість звуку змінюється на 22,31 м/с. Відносний приріст швидкості звуку в цьому випадку
DC/C = 22,31/1504,66 = 0,0148 (1,48 %). (23)
У той же час відносний приріст нелінійного акустичного параметра при цій же температурі Dg/g=2,834/9,453=0,2998 (29,98 %).
Отже, чутливість акустичного методу визначення солоності води з використанням нелінійного акустичного параметра майже в 20 разів вища, ніж для акустичного методу, в основу якого покладено явища лінійної акустики.
У четвертому розділі розроблено методи побудови акустичних ІВС для класифікації донних відкладів в умовах їх апріорної невизначеності параметрів.
Розроблено класи моделей акустичної класифікації донних відкладів у вигляді чотиришаруватого середовища (рис. 6) і отримано вирази для n-го відбивання у випадку вузькосмугового сигналу, які пов'язують коефіцієнти відбивання від границь різних шарів середовища. Запропоновано використати для класифікації донних відкладів інформаційні параметри акустичних багаторазово відбитих сигналів (БВС).
Розглянуто інформаційні ознаки (ІО) БВС та їх зв`язок з акустичними імпедансами системи шарів. Для даної фізичної моделі, що не враховує розходження фронту хвилі при її поширенні у прожекторній зоні випромінювачів і відбивачів, відбитий сигнал формується у вигляді періодичної послідовності імпульсів з періодом, що визначається товщиною шару d1.
Амплітуда імпульсів визначається коефіцієнтами відбиття та загасання хвиль від границь шарів. Сумарне поле, що формується на вході приймального перетворювача, встановленого на границі повітря і водного середовища, при нормальному падінні хвиль за рахунок n відбиттів від шару 3, описується таким виразом для моделі середовища зі стохастичною структурою:
Prn(0, tN)=VpnVdF(t–t0+2k1d1/w) exp(2jnk1d1) exp(–jwt –j0), (24)
де Vd=(Zвх(2)Z1)/(Zвх(2)+Z1), Vp=(Z4–Z1)/(Z4+Z1), (25)
Zвх(2) =[(Z3–jZ3 tg(k2d2)]Z2/[Z2 – jZ3 tg(k2d2)], (26)
Zi=riс0i(1+jai), (22) ai=a0iс0i/(2pf), (27)
Zвх(2) –вхідний імпеданс шарів 2–3; Zi –імпеданс середовища і-го шару; ri –густина речовини і-го шару; с0і –швидкість поширення поздовжніх пружних хвиль в і-му шарі; a0i –коефіцієнт поглинання в матеріалі і-го шару на частоті f; ki –хвильовe число середовища і-го шару; ki =2pf/с0; Z=Z(x,,x,y,z,t); r=r(T,x,,x,y,z,t), сі=(x,y,z,x,t).
Аналізуючи вираз (24) для суми відбитих сигналів як ІО, що визначаються акустичним імпедансом системи шарів 2–, розрізнення яких є метою дослідження, можна запропонувати такі: амплітуду P1 і фазу j(P1) першого відбитого сигналу; кількість багаторазових відбиттів n, що визначаються на заданому порозі Рр; параметри амплітудного і фазового спектрів. Проведено їх аналіз шляхом чисельного моделювання.
Отримано нову залежність відношення амплітуд для n-х відбитих сигналів на частотах заповнення f1 i f2
. (28)
Інформацію про об`єкт закладено у виразі Vd(f)/Vd(2f) і з ростом номера відбиття інформаційна ознака Аi змінюється за степеневим законом (рис. 7). Зі зростанням номера відбивання точність класифікації підвищується, оскільки зростає параметр Аi.
Виходячи з алгоритмів інформаційних перетворень при акустичному зондуванні синтезовано структурну схему акустичної ІВС для класифікації матеріалу об`єкту (рис. 8) містить акустичний перетворювач 1, зв`язаний через комутатор 2 з приймально-підсилювальним пристроєм 3, імпульсним генератором 4 і блоком керування 5. Блок 3 послідовно з`єднаний з пороговим пристроєм 6, часовим селектором 7, першим фільтром 8 і першим блоком виділення обвідної 10, пристроєм для визначення амплітуд 12, блоком порівняння 14, блоком прийняття рішень 15, блоком індикації 16.
Часовий селектор 7 зв`язаний через послідовно з`єднані другий фільтр 9, другий блок виділення обвідної 11 з пристроєм 12. Блок пам`яті еталонів з`єднаний із входами керування порогового пристрою 6, часового селектора 7, блока пам`яті еталонів і блоку індикації 16.
Запропоновано принципи побудови та новий акустичний метод класифікації донних відкладів (грунтів), який полягає в тому, що у напрямі до об`єкту (грунту) випромінюють акустичний імпульсний сигнал з частотою заповнення f1, приймають багаторазово відбиті сигнали від об`єкту і поверхні води на частотах f1 і f2 = 2f1, виділяють обвідні багаторазово відбитих сигналів, порівнюють їх з пороговим значенням і за відношенням амплітуд багаторазово відбитих сигналів, які перевищили порогове значення на частотах f1 і f2, судять про матеріал об`єкту.
Для розпізнавання донних відкладів запропоновано використати амплітудно–фазові спектри БВС. Типові залежності амплітуди і амплітудного спектру БВС та їх основні особливості полягають у наступному. Сигнал Prn(t) має вигляд періодичної послідовності імпульсів тривалістю ti, періодом tр із загасаючою амплітудою. Амплітудний спектр має осцилюючий характер: є осциляції двох типів –низькочастотні –з частотою F1, що визначаються тривалістю імпульсів ti, і високочастотні з частотою F2, що визначаються періодом повторення tр імпульсів
tр= 2Н/c; F1 = 1/ti; F2 = 1/tр , (29)
де Н і с –відповідно, глибина водойми та швидкість звуку.
Інформація про характеристики відбиваючих шарів міститься в основному в параметрах низькочастотної частини спектру F1. На основі графа інформаційних перетворень сигналу зондування синтезовано структуру ІВС.
Досліджено інтегральні спектральні параметри БВС. З точки зору інформативної ємності і простоти реалізації запропоновано використати два спектральних параметри: 1) середній коефіцієнт нахилу амплітудного спектру БВС Kf, що визначається як Kf = tgq –тангенс кута нахилу прямої, що з`єднує точки на амплітудному спектрі в різних частотних смугах; 2) амплітуду високочастотних осциляцій спектру БВС, усереднену в різних частотних смугах. Вказані характеристики зручні у тому сенсі, що для їх отримання (вимірювання) у реальних умовах достатньо частотної фільтрації і амплітудного детектування. Чисельне моделювання показало, що інформативність ознаки Кf більша в області низьких значень акустичного імпедансу, де нахил цієї кривої більший. Значить, параметр Кf може бути використано як ІО, причому він повинен ефективно доповнювати таку ознаку як n, малоефективну в діапазоні низьких значень акустичного імпедансу.
Рис. 8. Структурна схема акустичної ІВС для класифікації донних відкладів
Виявлено, що досить ефективною є амплітуда осциляцій амплітудного спектру БВС, виміряна у смугах F1 і F2, залежність якої від акустичного імпедансу носить лінійний характер у всьому діапазоні його змін. Показано, що амплітуда осциляцій, визначена у смузі 0 –F1, чутливіша до зміни імпедансу, ніж у смузі, близькій до F2. Отже, інформативні ознаки, які можна використати для класифікації шарів 2–, утворюють багатовимірний простір ознак. Об`єкт класифікації характеризується системою параметрів шарів: швидкостями поширення поздовжніх хвиль c2 і c3, коефіцієнтами поглинання пружних коливань a12, a13, акустичними імпедансами Z2 і Z3, хвильовою d2/l, або абсолютною товщиною шару d2. Задача класифікації об`єктів полягає у виборі такого простору інформативних ознак, в якому забезпечується із заданою ймовірністю при заданій похибці визначення ІО при зміні параметру каналу в деякому діапазоні (товщина H = d1, швидкість c1, імпеданс r1c1, загасання a11), тобто ІО повинні бути інваріантні до зміни цих параметрів.
Отримані теоретичні результати підтверджено на основі експериментальних досліджень спектральних характеристик БВС від донних об'єктів та відкладів, отриманих у гідроакустичному басейні. Експериментальну перевірку підходів щодо формування БВС у гідроакустичному каналі проведено визначенням та аналізом амплітудних спектрів ехо–сигналів від різних об'єктів при дистанційному акустичному зондуванні на двох кратних частотах. При цьому досліджувалися такі об'єкти: №1 –стальний лист; №2 –алюмінієвий лист; №3 –вініпластовий лист; №4 –скло; №5 –пісок; №6 –щебінь; №7 –плоский камінь. Отже, досліджувались об`єкти, матеріали яких мають як низький (№ 3, 5, 6, 7), так і високий (№ 1, 2, 4) імпеданс, що дозволить за параметрами БВС проводити виявлення одних об`єктів на фоні інших на основі побудови моделей тестових сигналів і образів ситуацій.
Для отримання кількісних оцінок амплітудних спектрів визначались такі параметри амплітудного спектра: середні значення спектральної густини у смугах шириною до 1 кГц; залежність середніх значень спектра при ширині спектра до 5 кГц; різниця амплітудних спектрів; амплітуда осциляцій у частотних смугах шириною 1 кГц; ступінь і характер зміни амплітуди осциляцій по ширині спектра до 5 кГц; гранична частота спектра.
Графіки залежностей усередненого амплітудного спектра від частоти для різних об'єктів показано на рис. 9. Для даного класу об`єктів значення усередненого спектру об`єкта №1 у смузі 0,1...3 кГц є максимальними (62,9; 49,4 і 28,4 відповідно). Вказані залежності з достатнім ступенем точності у смузі 0,1–кГц можна апроксимувати прямими лініями:
ЅS(f)ъ = Kf (f) + b. (30)
Визначено коефіцієнти Кf та граничні частоти амплітудних спектрів БВС від різних об'єктів, значення яких зведено у табл 2.
Табл. 2
Значення коефіцієнта Кf та граничні частоти
амплітудних спектрів БВС для різних об'єктів
Об'єкт №1 №2 №3 №4 №5 №6
К(f) ,5 ,65 ,52 ,82 ,567 ,33
К(2f) ,39 ,32 ,52 ,0 ,5 ,7
fmax, кГц ,7 ,2 ,9 ,5 ,0 ,9
2fmax, кГц ,6 ,5 ,5 ,2 ,9 ,1
Графіки залежності осциляцій амплітудного спектра від частоти наведено на рис. 10. З аналізу цих графіків випливає, що у даній групі акустично жорстким об'єктам №1, №2 і №4 характерні найбільші амплітуди осциляцій спектрів, а для об'єктів з малою акустичною жорсткістю, типу об'єкта №5, ці осциляції виражені значно менше.
Задачу класифікації об`єктів розв'язано методом математичної кластеризації, тобто розділенням вибірки заданих точок багатовимірного простору на кластери (скупчення, компактні множини), що об`єднують однорідні і подібні між собою елементи. На рис. 11 подано результати ідентифікації об'єктів через кластеризацію у системі координат Кf –ъ S(f)ъ, які підтверджують можливість розрізнення окремих груп об'єктів за сукупністю цих ознак. На фоні об`єкта №6 (щебінь) та №5 (пісок) можна досить впевнено розпізнати об`єкти №1 (сталь), №2 (алюміній), №4 (скло) за появою періодичної складової у спектрі.
У результаті експериментів підтверджено можливість ідентифікації матеріалів відбиваючих границь з високим імпедансом (сталь, алюміній, скло) та низьким імпедансом (щебінь, пісок, пластик) при використанні інформативних ознак, запропонованих на основі моделі БВС, а також можливості ідентифікації матеріалів з високим та низьким імпедансом між собою.
У п'ятому розділі подано розроблені методи та засоби покращення метрологічних характеристик часових і амплітудних вторинних вимірювальних перетворювачів на основі аналізу властивостей алгоритмів опрацювання сигналів.
Розроблено узагальнену структурну схему вторинного вимірювального перетворювача часових параметрів акустичних сигналів ІВС.
Якщо довжина вимірювальної бази складає до 0,1 м, то основний вклад у похибку вимірювання вносить вимірювання часового зсуву, який у цьому випадку може мати значення десятків наносекунд. Вимірювання таких коротких часових зсувів на фоні завад на даний час пов'язано з великими труднощами.
Крім того, метрологічні характеристики ІВС для класифікації донних відкладів визначаються, в основному похибками вимірювання амплітуд прийнятих акустичних сигналів. Ця задача особливо ускладнюється при наявності завад та широкого діапазону зміни зовнішніх факторів –температури, тиску, вологості тощо. Вказані обставини визначають структуру завадостійких ВВП для визначення амплітуд імпульсних акустичних сигналів ІВС для поточної оцінки параметрів донних відкладів.
Для підвищення точності та завадостійкості вимірювання часових параметрів сигналів запропоновано нові методи та на їх основі синтезовано алгоритми опрацювання, які грунтуються на використанні інтегрувального розгортального перетворення, які враховують не окремі точки на фронтах сигналів, а цілі ділянки (фронти) інформаційних сигналів. Швидкодія таких пристроїв розширяється при паралельному інтегруванні неінвертованих, а потім інвертованих вхідних сигналів і вимірюванні іннтервалу часу між моментами досягнення інтегрованими напругами нульового рівня. Розширення функціональних можливостей вказаного методу досягається паралельним перетворенням миттєвих значень вхідних сигналів шляхом відслідковування їх значень до досягнення максимального значення і запам'ятовування на заданий час, паралельного інтегрування отриманих сигналів, їх інвертування, масштабного перетворення по амплітуді та їх інтегрування, формуванні початку і кінця вихідного часового інтервалу при досягненні проінтегрованими сигналами нульового рівня, а також визначення послідовності надходження вхідних сигналів.
Особливості цього методу полягають у розширенні функціональних можливостей за рахунок можливості вимірювання часових зсувів між сигналами трикутної або трапецоїдної форми з вершиною малої тривалості, а також визначення послідовності надходження вхідних сигналів. Запропонований метод, алгоритм опрацювання даних зондування в умовах збурень та пристрій характеризуються високою завадостійкістю, високою швидкодією за рахунок забезпечення можливості роботи з поодинокими сигналами, крім того, вимірюваний часовий зсув не залежить від амплітуди сигналів. Ці алгоритми покладено в основу процедури синтезу процесора для оцінювання часового зсуву за виразами:
; (31)
; (32)
X(q,z,t) ® ; (33)
; (34)
; (35)
де Н0, Н1, Н2 –відповідно, простори стану сигналу, фазовий та інтегральний; –середнє значення параметра; .
На основі запропонованих алгоритмів синтезовано процесор оцінювання часового зсуву (рис. 12). Пристрій містить канали 1 і 2 перетворення, блок 3 керування, логічний елемент "Нерівнозначність", пристрій 17 визначення послідовності надходження вхідних сигналів та індикатор 18. Канали 1 і 2 перетворення включають пікові детектори 5 і 6, масштабні інвертори 7 і 8, комутатори 9 і 10, інтегратори 11 і 12, електронні ключі 13 і 14, компаратори 15 і 16.
Рис. 12. Пристрій для вимірювання часового зсуву між двома сигналами.
Отримано аналітичні залежності та проведено аналіз інструментальної похибки вимірювання часових зсувів, яка залежить від характеристик інтегрувальної ланки, пристрою вибірки/зберігання, шумових характеристик вхідних ланок та порогової чутливості компаратора. Показано, що найбільшу похибку в межах своїх звичних значень вносять напруга зміщення операційного підсилювача та розкид номіналів елементів інтегрувальної ланки. Зменшення впливу розкиду номіналів резисторів і конденсаторів здійснюється за допомогою їх підбору.
Розроблено на основі нових моделей середовища метод підвищення завадостійкості вимірювання амплітуди імпульсних сигналів з плоскою вершиною, згідно з яким для вимірювання амплітуди імпульса Um потрібно проінвертувати вихідний сигнал, зсунути його по осі часу на величини Dt1јDtn, скласти затримані сигнали з вихідним, виділити модулі сумарних сигналів, проінтегрувати їх, значення кожного з інтегралів розділити на величину відповідного подвоєного часового зсуву 2Dtn, а амплітуду імпульса визначити у відповідності з виразом (36), як середнє з отриманих результатів вимірювання амплітуд імпульсів для n часових зсувів.
Середня амплітуда імпульса Um, визначена з врахуванням n часових затримок Dt1јDtn, визначається наступним співвідношенням
, (36)
де F(t) –функція, що описує форму імпульса.
Оцінено ефективність описаного методу при вимірюванні амплітуди імпульсного сигналу і впливу на сигнал флюктуаційної завади. Описаний метод дозволяє підвищити завадостійкість і точність вимірювання амплітуди імпульсів за рахунок збільшення в 2n рази кількості вимірювань. Внаслідок виконання операції n-кратного інтегрування випадкових завад, які присутні на вході пристрою, і усереднення результатів, їх вплив на результат вимірювання суттєво зменшується, при цьому похибка вимірювання амплітуди зменшується приблизно в ((t0 + Dtn)/t0) разів, де t0 і t0 –відповідно, час інтегрування та інтервал кореляції завад.
У шостому розділі описано основні підходи щодо створення ІВС оперативного визначення параметрів водного середовища і донних відкладів та екологічного моніторингу.
Для екологічного моніторингу водоймищ-охолоджувачів атомних електростанцій розроблено ІВС визначення параметрів водного середовища, яка складається з підводного ПП та бортового БП пристроїв, а також з'єднувальних кабелів. Підводний пристрій ПП містить сім акустичних перетворювачів, які встановлено на жорсткій рамі. Принцип дії системи ґрунтується на вимірюванні часових параметрів акустичних сигналів вздовж контура у вигляді квадрата. Система дає змогу вимірювати такі параметри водного середовища: концентрацію солей у воді, компоненти швидкості потоку, вихровий компонент швидкості потоку та глибину водойми.
Технічні характеристики розробленої ІВС моніторингу водного середовища:
–діапазон вимірювання концентрації солей у воді, % –
–похибка вимірювання концентрації солей, %
–діапазон вимірювання вихрового компоненту швидкості
потоку, с – ,05 –.0
–похибка вимірювання вихрового компоненту швидкості
потоку, с– ,05
–діапазон вимірювання швидкості потоку, м/с ,05 –,0
–похибка вимірювання швидкості потоку, %
–діапазон вимірювання глибини, м ,05 –,0
–похибка вимірювання глибини, м ,05.
Розроблено спеціалізований процесор, який здійснює опрацювання, візуалізацію та збереження даних, отриманих з первинних перетворювачів, безпосередньо в ІВС. До процесорів такого типу ставляться доволі жорсткі вимоги щодо економічності споживання та роботи у польових умовах. Процесор входить до складу системи визначення параметрів водного середовища, але може використовуватися і самостійно. Він виконує наступні алгебраїчні операції, зокрема, обчислює значення таких параметрів: концентрацію солей, складові швидкості потоку, вихровий компонент швидкості потоку та глибину, перетворює одержані результати у двійково-десяткову форму і відображає їх на цифровому табло, а також може передавати результати у послідовному коді в стандарті RS-232 в ЕОМ. Спецпроцесор реалізовано на малоспоживаючих мікросхемах серій 561, 564 і живиться напругою від 5 до 15 В, струм споживання менше 25 мА, зберігає працездатність в інтервалі температур від –0 С до 400 С, що дозволяє використовувати його у польовій апаратурі. Особливостями процесора є також можливість виконання обчислень із 12-розрядними числами, виконання операції ділення з підвищеною точністю, а також робота у реальному часі.
Розроблено мікропроцесорну систему (МПС) збору і опрацювання інформації, яка входить до складу акустичної ІВС для класифікації донних відкладів. ІВС вимірює такі параметри БВС: амплітуду, тривалість та інтервал між імпульсами з наступним опрацюванням цих результатів програмними засобами. ІВС побудовано на базі мікроконтролера з малогабаритним графічним дисплеєм для відображення результатів вимірювання і клавіатурою для задання режимів вимірювання. Нагромаджені в пам'яті мікроконтролера дані для тривалого зберігання записуються на магнітну стрічку. Система має засоби зв'язку стандартними інтерфейсами ІРПР і ІРПС, з допомогою яких інформація може бути передана (прийнята) із пам'яті в зовнішні пристрої, в тому числі на ЕОМ. Для перевірки працездатності система має вбудований імітатор вхідних сигналів. Вибір всіх режимів роботи і задання параметрів проводиться в діалоговому режимі за принципом "меню", що забезпечує простоту обслуговування.
Основні технічні дані системи:
Обсяг оперативної пам'яті (ОЗП) Кбайт
Обсяг програмної пам'яті (ППЗП) Кбайт
Роздільна здатність вимірювання часових параметрів ,5 мкс
Максимальне значення вимірюваних часових параметрів мс
Мінімальне значення вимірюваних часових параметрів мкс
Розрядність АЦП дв. розрядів
Формат відображення графічної інформації х96 точок
На основі отриманих теоретичних результатів запропоновано методику проектування та розроблено 16-канальну мікропроцесорну ІВС визначення параметрів водного середовища "АКВАТЕСТ-01", яка дозволяє автоматизувати роботу, розширити її функціональні можливості, підвищити точність вимірювань, організувати передавання даних на ЕОМ, суттєво зменшити розміри та масу апаратури. Розроблено спеціальні сервісні функції, за якими процес вимірювань відбувається без участі оператора.
Система "АКВАТЕСТ-01" забезпечує збір, зберігання і первинне опрацювання вимірювальних даних і призначена для екологічного моніторингу природних вод, екологічної паспортизації підприємств, установ, організацій та проведення науково-дослідних робіт, оперативного реагування на кризові екологічні ситуації та прийняття рішень щодо їх ліквідації, створення безпечних умов життя для населення. Робота системи ґрунтується на використанні методів акустики, кондуктометрії, іонометрії та автоматичної термокомпенсації результатів вимірювань. ІВС дає змогу вимірювати такі параметри: температуру води, питому електропровідність, солоність, рН, рХ, вміст окремих металів та їх солей (за вибором): літій, натрій, калій, кальцій, барій, срібло, ртуть, свинець, мідь, кадмій, амоній, перхлорат, нітрати, карбонати, фториди, цианіди, роданіди, хлориди, броміди, йодіди тощо.
До складу ІВС входять блок сенсорів, аналоговий інтерфейс, мікроконтролер, інтерфейс RS-232, персональний комп`ютер, резервуар для проб, калібрувальні розчини, рідиннокристалічний індикатор. Структура ІВС є достатньо гнучкою, здатною забезпечувати різні рівні автоматизації процесу контролю, у залежності від поставлених задач.
Основні технічні характеристики системи "АКВАТЕСТ-01" :
–кількість каналів –від 3 до 16; автоматизація процесів вимірювань та калібрування; передача інформації інтерфейсом RS-232; забезпечення накопичення інформації протягом доби; програмна зміна періодичності контролю; автоматична термокомпенсація кондуктометричних та акустичних вимірювань; споживана потужність до 1 Вт;
–діапазони вимірювань: температури води від 0 до 50 град. С; активності іонів водню від 0 до 14 од. рН; активності іонів від 0 до 4 од. рХ; концентрації іонів від 1,5 до 1990 мг/кг або від 0,015 до 19,9 г/кг; питомої електропровідності від 0,03 до 19,9 мСм/см; солоності від 0.1 до 40 0/00.
Портативний триканальний гідромонітор з мікропроцесорним керуванням "АКВАТЕСТ-02" побудовано за модульною структурою і він включає: модуль сенсорів –кондуктометричний, та температурний первинні перетворювачі; аналоговий модуль –підсилювачі, багатоканальний комутатор та АЦП; модуль мікроконтролера, що забезпечує почерговий вибір вимірювальних каналів, первинне опрацювання перетворених в цифровий код сигналів первинних перетворювачів, зберігання результатів вимірювання в енергонезалежній пам'яті, вивід інформації в заданому вигляді на рідкокристалічний індикатор та інші режими роботи, пов'язані з калібруванням, вимірюванням та опрацюванням результатів. Гідромонітор може працювати в автономному режимі як при безпосередньому контакті з контрольованим середовищем (в режимі польового приладу), так і контролю параметрів проб, відібраних в спеціальний резервуар (в режимі лабораторного приладу). Зв'язок з ПЕОМ здійснюється через послідовний інтерфейс RS-232С. У структуру гідромонітора може входити також ПЕОМ.
Розроблено комплекс опрацювання, реєстрацiї та вимiрювання параметрiв швидкоплинних процесiв для автоматизацiї, опрацювання та вимiрювання параметрiв одноразових чи перiодичних сигналiв. Один з варіантів комплексу використано для експериментальних досліджень характеристик БВС.
Подано особливості метрологічного забезпечення акустичних ІВС оперативного визначення інтегральних параметрів водного середовища.
Досліджено методи побудови та структуру ієрархічних інформаційно-вимірювальних систем (ІВС) для регіонального екологічного моніторингу для р. Дністер (Львівська обл.) та Шацького національного природного парку (ШНПП). Розроблено конфігурацію ІВС визначення стану природного середовища ШПНП. Перший ієрархічний рівень системи містить стаціонарну автоматичну станцію вимірювань і контролю, стаціонарну гідрохімічну лабораторію типу ГХЛ-1 та гідрометеостанцію, які розташовано на озері Світязь, пересувні станції контролю атмосфери, гідросфери та грунту, пересувну гідрохімічну лабораторію. Другий ієрархічний рівень –інформаційно-обчислювальний центр (ІОЦ), який обробляє та фіксує інформацію, що надходить від групи аналізаторів, і передає її модемом у регіональний обчислювальний центр. Третій ієрархічний рівень –регіональний екологічний центр –організовується у Фізико-механічному інституті НАН України (м. Львів). Дані з регіонального екологічного центру модемом надходитимуть у національний екологічний центр (четвертий ієрархічний рівень), створений на базі Інституту кібернетики НАН України, а потім передають через супутниковий зв`язок у міжнародний банк даних екологічного моніторингу.
На основі використання сучасних інформаційних технологій запропоновано структурну схему автоматичної станції вимірювань і контролю, вимірювальна частина якої містить вимірювальні модулі, пробовідбірник, акумулятори, мікропроцесорний блок, магнітний накопичувач, ультракороткохвильову радіостанцію та лінію зв`язку. До приймальної частини входять ультракороткохвильова радіостанція, проблемно-орієнтовані модулі опрацювання та передавання даних, а також модем для передавання інформації в регіональний екологічний центр.
Розроблено пакет програм для створення бази даних з екологічного моніторингу, який використовується як для роботи в діалоговому режимі, так і для автоматичного введення та опрацювання інформації в режимі реального часу. Пакет призначено для швидкого та зручного автоматичного та ручного введення хронометрованої інформації про концентрацію різноманітної кількості (не лімітується) забруднювальних речовин у шести різноманітних середовищах (грунт, вода, дно водойм, повітря, атмосферні опади, біота), зберігання її у банку даних та заданої статистичного опрацювання. У банку даних зберігаються також характеристики об'єктів та точок контролю, характеристики забруднювальних елементів по кожному середовищу, дані вимірювальних приладів та сенсорів та їх градуювальні характеристики для різних середовищ. Пакет є достатньо гнучким і має розгалужену модульну структуру з системою індексів, що дозволяє досить легко вибирати режим роботи, а також додавати нові та модифікувати старі модулі.
У додатках подано результати моделювання забруднення р. Дністер (Львівська обл.) та показано, що існує тенденція до подальшого погіршення якості води; розроблене програмне та алгоритмічне забезпечення мікропроцесорної системи визначення параметрів водного середовища; результати експериментальних досліджень гідрохімічних характеристик озер, визначення концентрації оксиду вуглецю та g–фону на території ШНПП; висвітлено підходи, які було покладено також в основу принципів побудови пристроїв для контролю параметрів технологічних процесів в енергетиці, зокрема, дистанційного індикатора напруги ДІН–і приладу контролю напруги ПКН–; подано акти про впровадження результатів дисертації.
ВИСНОВКИ
У дисертаційній роботі вирішено важливу науково-прикладну проблему –створення теоретичних засад побудови автоматизованих засобів оперативного вимірювання інтегральних параметрів водного середовища та донних відкладів в умовах дії інтенсивних завад і шумів. Розв'язання даної проблеми ґрунтується на використанні лінійних і нелінійних ефектів взаємодії акустичних коливань з середовищами, розробленні нових методів вимірювання інформативних параметрів багаторазово відбитих сигналів, що забезпечило високу точність, чутливість та вірогідність класифікації створених вимірювальних акустичних систем.
При цьому отримано такі наукові та практичні результати:
1. Запропоновано нову класифікацію методів та ІВС оперативного визначення параметрів водного середовища. У результаті системного огляду літератури встановлено, що в основу побудови ІВС для визначення інтегральних параметрів водного середовища та донних відкладів доцільно покласти акустичний метод, а для оцінювання селективних параметрів –акустичний, іонометричний і кондуктометричний методи. Удосконалення акустичних систем доцільно здійснити шляхом підвищення їх точності, чутливості і вірогідності класифікації.
2. Розроблено нову методологію процесів відбору інформації про інтегральні параметри водного середовища та донних відкладів для ІВС оперативного моніторингу, в основу якої покладено лінійні та нелінійні ефекти взаємодії акустичних коливань з вказаними середовищами та введені нові параметри багаторазово відбитих сигналів, що є підставою для аналізу взаємодії вузлів систем з метою визначення всіх складових похибок, розроблення вимог до цих вузлів, а також синтезу їх структур.
3. Введено новий інтегральний інформативний параметр –загальну концентрацію домішок у воді, який дає змогу оперативно виявляти наявність та рівень забруднення, та вперше встановлено її зв'язок з параметрами акустичних коливань з врахуванням впливу основних термодинамічних параметрів: температури, тиску, швидкості звуку. На цій підставі розроблено новий інваріантний до температури акустичний метод вимірювання загальної концентрації речовин у воді, в основу якого покладено вимірювання часових і амплітудних параметрів акустичних багаторазово відбитих сигналів у еталонному та досліджуваному середовищах, що дає змогу аналізувати неорганічні та органічні рідини, і створено засади побудови відповідних ІВС.
4. Розроблено математичну модель, що описує нелінійні ефекти при взаємодії акустичних коливань з водним середовищем та отримано залежності нелінійного акустичного параметра від солоності та температури. Показано, що використання цього параметра дає змогу підвищити більше як на порядок чутливість визначення сумарної концентрації солей у воді.
5. Отримано нові залежності складових методичної та інструментальної похибок визначення інтегральних параметрів водного середовища і на цій основі мінімізовано сумарну похибку вимірювання мікропроцесорних акустичних ІВС.
. Виявлено у результаті математичного моделювання багатошаруватого середовища нові інформативні амплітудні, часові та спектральні параметри акустичних багаторазово відбитих сигналів, за якими класифікують донні відклади. Чисельне моделювання підтвердило можливість класифікації складу відбиваючих границь з високим та низьким акустичним імпедансом при використанні цих параметрів.
. Отримано нову залежність відношення амплітуд багаторазово відбитих сигналів на кратних частотах від кількості відбивань і на основі цього розроблено новий акустичний метод класифікації параметрів донних відкладів, інваріантний до глибини водойми, що дає можливість значно підвищити вірогідність класифікації донних відкладів.
Встановлено та експериментально підтверджено, що за критерієм інформативності та простоти реалізації для класифікації донних відкладів доцільно використовувати середній коефіцієнт нахилу амплітудного спектру і амплітуду високочастотних осциляцій багаторазово відбитих сигналів, усереднену у різних частотних смугах.
. Розроблено нові завадостійкі методи вимірювання часових та амплітудних вимірювань акустичних імпульсних сигналів на основі інтегрувального перетворення, які дали змогу розширити функціональні можливості, підвищити на порядок завадостійкість і точність вимірювань; на основі цих методів синтезовано завадостійкі пристрої, які мають високу швидкодію і точність.
. Запропоновано ієрархічну структуру ІВС і пакет програм для створення бази даних регіонального екологічного моніторингу, які реалізовано на прикладі Шацького національного природного парку та р. Дністер. Розроблено структуру ІВС оперативного визначення параметрів водного середовища, перевагами якої є можливість автоматичного отримання, опрацювання та зберігання інформації про параметри водного середовища.
10. На основі теоретичних та експериментальних досліджень під керівництвом і безпосередньою участю дисертанта розроблено, виготовлено та впроваджено інформаційно-вимірювальні системи на підприємствах та організаціях, що дало змогу автоматизувати процеси визначення параметрів середовищ, підвищити точність, чутливість і вірогідність вимірювань. Обгрунтовано метрологічне забезпечення розроблених методів та засобів експериментального дослідження тонкої структури водного середовища. У процесі натурних випробувань ІВС отримано експериментальні дані, які підтвердили реальну можливість оперативного визначення параметрів середовищ і дали змогу оцінити порядок їх випадкових флуктуацій за різних умов.
. У роботі узагальнено результати теоретичних та експериментальних досліджень методів і автоматизованих засобів оперативного вимірювання інтегральних параметрів водного середовища та донних відкладів. Вирішення такої проблеми вимагало нових підходів, концепцій і методології. Отримані результати є базою для розв'язання інших задач теорії і практики побудови інформаційно-вимірювальних систем.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ:
1. Погребенник В.Д. Помехоустойчивое измерение амплитуды импульсных сигналов с плоской вершиной // Измерительная техника. –. –№6. –С.69–.
. Погребенник В.Д. Фоновий екологічний моніторинг України: програма, структура та принципи організації // Нетрадиційні енергоресурси та екологія України. –К.: Манускрипт. –. –С. 126–.
. Погребенник В.Д. Исследование методических погрешностей измерения вихревого компонента скорости течения // Измерительная техника. –. –№9. –С. 60–.
. Погребенник В.Д. Завадостійкі методи і засоби вимірювання часових параметрів імпульсних сигналів // Відбір та обробка інформації. –Львів. –. –№15. –C. 132–.
. Погребенник В.Д. Алгоритмічне забезпечення роботи мікропроцесорної системи експрес-контролю параметрів водного середовища // Методи та прилади контролю якості. –. –№ 5 . –С. 11–.
6. Погребенник В.Д. Ультразвукова система експрес-контролю параметрів водного середовища // Вісник Тернопільського державного технічного університету. –. –Т.5. –№2. –С. 92–.
. Погребенник В.Д. Інформаційна модель ультразвукового зондування водного середовища // Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів. –Київ–Львів: ФМІ НАН України. –. –Вип. 7. –С. 68–.
. Погребенник В.Д. Організація фонового екологічного моніторингу Шацького природного національного парку // Технические и системные средства экологического мониторинга. –К.: ИК НАНУ. –. –С. 74–.
. Погребенник В.Д. Системи експрес-контролю параметрів водного середовища // Комп'ютерні технології друкарства. –Львів: Українська академія друкарства. –. –С. 192–.
. Погребенник В.Д. Ультразвуковий метод класифікації донних відкладів // Комп'ютерні технології друкарства. –Львів: Українська академія друкарства. –. –№3. –С. 200–.
. Погребенник В.Д. Методи підвищення чутливості визначення концентрації солей у воді // Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів. –Київ-Львів. –. –Вип. 4. –С. 56–.
. Погребенник В.Д. Оптимізація вибору параметрів ультразвукового концентратоміра рідин // Відбір і обробка інформації. –Львів. –. –№13. –С. 101–105.
. Погребенник В.Д. Класифікація шаруватих середовищ з допомогою багаторазово відбитих сигналів // Системы контроля окружающей среды: –Севастополь: МГИ НАН Украины. –. –С. 42–.
. Погребенник В.Д. Підвищення точності та завадостійкості вимірювання часових параметрів ультразвукових сигналів // Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів. –Київ–Львів: ФМІ НАН України. –. –Вип. 5. –С. 43–.
. Погребенник В.Д. Підвищення швидкодії системи вимірювання вихрового компонента швидкості потоку // Комп'ютерні технології друкарства. –. –№4. –С. 33–.
. Погребенник В.Д. Експериментальні дослідження спектральних характеристик багаторазово відбитих сигналів від донних об'єктів та відкладів // Комп'ютерні технології друкарства. –. –№5. –С. 327–.
. Погребенник В.Д. Вибір інформативних ознак класифікації донних об'єктів та відкладів // Комп'ютерні технології друкарства. –. –№6 –С. 199–.
. Погребенник В.Д. Математична модель забруднення р. Дністер (у межах Львівської області) // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. –Хмельницький. –. –№1. –С. 172–.
. Погребенник В.Д. Помехоустойчивые методы и средства измерения временных параметров импульсных сигналов // Mechanizacja I Automatyzacja Gornitcwa. –Katowice: EMAG. –. –№1. –С. 47–.
. Погребенник В.Д. Аналіз інструментальної похибки вимірювання часових параметрів імпульсних сигналів // Проблемы создания новых машин и технологій. Научные труды Кременчугского гос. политехн. ун-та. –Кременчуг. –. –Вып. 2/2000 (9). –С. 162–.
. Погребенник В.Д. Помехоустойчивое измерение временных параметров сигналов // Отбор и обработка информации. - К.: Наук. думка. –. –№3(79). –С. 68–.
. Погребенник В.Д. Покращення метрологічних характеристик пристроїв для вимірювання рівня води // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. –Хмельницький. –. –№2. –С. 84 –.
. Погребенник В.Д., Михалина І.А. Автоматичний експрес-контроль концентрації водних розчинів // Фізико-хімічна механіка матеріалів. –. –№5. –С. 123–.
. Погребенник В., Івасів І., Мельник М., Михалина І., Червінка О., Червінка Л., Юзевич В. Мікропроцесорна система контролю параметрів водного середовища "АКВАТЕСТ" // Фізико-хімічна механіка матеріалів. –. –Спец. випуск №1. –С. 720–.
. Сопрунюк П.М., Погребенник В.Д., Трушевич Н.О., Коссак Ю.З., Бобков В.Ю. Методи експрес-аналізу забруднень водного середовища // Відбір і обробка інформації. –К.: Наук. думка. –. –№10. –С. 125–.
. Погребенник В.Д., Сопрунюк П.М., Івасів І.Б., Михалина І.А., Бобков В.Ю. Розробка принципів побудови та структури мобільної лабораторії експрес-аналізу забруднення водного середовища // Геоекологічні проблеми Івано-Франківщини та Карпатського регіону. –Івано-Франківськ: Екор. –. –С. 92–.
. Погребенник В.Д., Михалина І.А. Інтегральні гідрохімічні характеристики озер Шацького природного національного парку // Відбір і обробка інформації. –Львів: ФМІ НАНУ. –. –№11. –С. 37–.
. Погребенник В.Д., Бобков В.Ю., Коссак Ю.З. Акустичні методи та засоби експрес-контролю параметрів водного середовища // Дослідження передкризових екологічних ситуацій в Україні. –К.: Манускрипт. –. –С. 171–.
. Петрушко И.В., Погребенник В.Д., Ярошевский Е.В. Измерение расстояний до объектов в однородной среде // Отбор и обработка информации. –К.: Наук. думка. –. –№4. –С. 44–.
. Погребенник В.Д., Юзевич В.М., Сопрунюк П.М, Червінка О.О., Червінка Л.Є. Діагностика водних розчинів з допомогою нелінійних акустичних ефектів // Фізичні методи та засоби контролю середовищ матеріалів та виробів.–Київ–Львів. –. –Вип. 6. –С. 60–.
. Погребенник В.Д., Мельник М.М. Прилади контролю напруги ліній електропередач та промислових енергоустановок // Відбір та обробка інформації –. –№14. –С. 82–.
. Сопрунюк П.М., Міроновіч В., Погребенник В.Д., Мруз Є., Івасів І.Б., Червінка О.О., Червінка Л.Є. Результати сумісних випробувань пиловимірювальних приладів ПМП-1, АДКЗ-М тa TM data в пилоаеродинамічному стенді // Відбір і обробка інформації. –Львів: ФМІ НАНУ. –. –№ 12. –С. 89–.
. Погребенник В.Д., Максименко О.П. Дослідження похибок установлення індукційних пристроїв для контролю ізоляції інженерних комунікацій // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. –. –№2. –С. 27–.
. Погребенник В.Д.,Коссак Ю.З. Спеціалізований процесор для обробки, індикації та передачі інформації про стан водного середовища // Дослідження передкризових екологічних ситуацій в Україні. –К.: Манускрипт. –. –С. 168–.
. Погребенник В.Д., Сопрунюк П.М., Івасів І.Б., Михалина І.А., Бобков В.Ю. Структура програмного забезпечення роботи мобільної лабораторії експрес-аналізу середовищ // Геоекологічні проблеми Івано-Франківщини та Карпатського регіону. –Івано-Франківськ: Екор. –. –С. 209–.
. Погребенник В.Д. Фоновий екологічний моніторинг Шацького природного національного парку // Відбір і обробка інформації. –. –№11. –С. 41–.
. Погребенник В.Д., Михалина І.А. Експериментальні дослідження вмісту оксиду вуглецю в атмосфері Шацького природного національного парку // Комп'ютерні технології друкарства. –Львів: Українська академія друкарства. –. –С. 194–.
. Погребенник В.Д. Структура комплексного екологічного моніторингу р. Дністер (у межах Львівської області) // Автоматика–: Праці у 7–ми томах. –Львів: Державний НДІ інформаційної інфраструктури, 2000. –Т. 5. –С. 163–66.
39. Погребенник В.Д., Крайківський Р.С. Ультразвуковий метод контролю виробів // Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів. –Київ–Львів. –. –Вип. 5. –С. 49–.
. Погребенник В.Д., Юзевич В.М., Луцик О.А., Мельник М.М., Червінка О.О. Аналіз впливу температури на результат вимірювання концентрації солей у воді // Вісник ЧІТІ. –. –№2. –С. 38–.
. Патент України №11443, МПК G01F 10/04. Cпосіб перетворення часового зсуву між двома сигналами та пристрій для його реалізації / Погребенник В.Д., Сопрунюк П.М. –Опубл. 25.12.96 р., Бюл.№4.
. Патент України №11444, МПК G01R 19/04. Cпосіб вимірювання амплітуди імпульсів з плоскою вершиною / Погребенник В.Д. –Опубл. 25.12.96 р., Бюл.№4. –с.
. Патент України № 7795, МПК G09G 3/04. Пристрій для індикації / Кіріанакі М.В., Крайківський Р.С., Погребенник В.Д. –Опубл. 95 р., Бюл. №4. –с.
. Деклараційний патент 39452 А України, МПК 7G01S 15/02.Спосіб класифікації матеріалу об`єкта та пристрій для його реалізації. В.Д.Погребенник. –№2000084787; Заявл. 11.08.2000; Опубл. 15.06.2001, бюл. № 5. –с.
. Деклараційний патент 39453 А України, МПК 7G01N 29/04. Спосіб ультразвукового контролю виробів у вигляді тіл обертання і пристрій для його реалізації. В.Д. Погребенник, Р.С. Крайківський. –№2000084789; Заявл. 11.08.2000; Опубл. 15.06.2001, бюл. № 5. –с.
. Погребенник В.Д., Свенсон А.Н. Методы измерения вихревого компонента скорости течения. –Львов: ФМИ АН УССР, 1987. –Препринт № 124. –с.
. Погребенник В.Д., Свенсон А.Н. Системы измерения вихревого компонента скорости течения. –Львов: ФМИ АН УССР, 1987. –Препринт № 125. –с.
48. Юзевич В.М., Погребенник В.Д., Михалина І.А. Моделювання фізико-хімічних явищ на границі водний розчин-іоноселективний електрод // Труды 4-ой Межд. науч.-техн. конф. "Проблемы охраны труда и техногенно-экологической безопасности". –Севастополь, 1996. –С. 95.
49. Погребенник В.Д., Фалендиш Є.Р., Фалендиш Н.Ф. Фізико-хімічні дослідження можливостей іонометричного контролю якості вод // Труды 4-ой Межд. науч.-техн. конф. "Проблемы охраны труда и техногенно-экологической безопасности. –Севастополь, 1996. –С. 96.
. Погребенник В.Д. Спектральний метод класифікації об'єктів за багаторазово відбитими сигналами // Наукові праці конф. "Комп'ютерні технології друкарства: алгоритми, сигнали, системи" (Друкотехн-96)". –Львів,1996. –С. 182–.
. Погребенник В.Д., Юзевич В.М., Михалина І.А., Івасів І.Б., Червінка О.О., Червінка Л.Є. Портативний мікропроцесорний монітор // Наукові праці конф. "Комп'ютерні технології друкарства: алгоритми, сигнали, системи" (Друкотехн-96) –Львів,1996. –С. 151–.
52. Погребенник В.Д., Юзевич В.М. Моделювання процесів калібрування в автоматизованих екологічних вимірювальних системах // Управление в системах мониторинга окружающей среды: Сборник трудов секции 14 3-ей Укр. конф. по автом. управлению "Автоматика-96". –Севастополь, 1996. –С. 83–.
53. Погребенник В.Д., Захарко В.М., Демкович І.В. Діагностика розподілу температури в скловарній печі // Матер. сем. "Современные методы и средства неразрушающего контроля, технической и медицинской диагностики, экологического мониторинга". –Киев:1996. –С. 36–.
. Погребенник В.Д., Юзевич В.М., Михалина І.А., Івасів І.Б., Червінка О.О., Червінка Л.Є. Розробка принципів побудови та структури портативного мікропроцесорного гідромонітора // Тез. докл. сем. "Применение экспрессных методов при выполнении экологических исследований". –К.,1996. –С. 11–.
. Погребенник В.Д., Михалина І.А. Експериментальні дослідження вертикальної структури вод озера Світязь // Тез. докл. сем. "Применение экспрессных методов при выполнении экологических исследований". –К.,1996. –С. 14–.
. Погребенник В., Захарко В., Захарко Е. Багаторівнева інформаційна система контролю якості скла // Оброблення сигналів і зображень та розпізнавання образів: Праці:Третя Всеукраїнська між. конф. –К., 1996. –С. 180.
. Погребенник В., Захарко В. Інформаційна система підтримки стабільних параметрів скла // Оброблення сигналів і зображень та розпізнавання образів: Праці: Третя Всеукраїнська між. конф. –К., 1996. –С. 279–.
. Погребенник В., Юзевич В., Михалина І. Вплив основних термодинамічних параметрів на результат вимірювання солоності // Оброблення сигналів і зображень та розпізнавання образів: Праці: Третя Всеукраїнська між. конф. –К., 1996. –С. 280–.
. Погребенник В.Д., Михалина І.А. Аналіз похибок визначення концентрації солей у воді // Мат. Міжн. наук.-техн. конф. "Фізичні методи та засоби контролю матеріалів та виробів "ЛЕОТЕСТ-98".–Київ-Львів, 1998. –С. 71–.
. Погребенник В.Д. Контроль окружающей среды в Шацком природном национальном парке // Тез. докл. 15-й Российской конф. "Неразрушающий контроль и диагностика". –Москва, 1999. –T2. –С. 296.
. Бобков В.Ю., Кошевой В.В., Крайкивский Р.С., Погребенник В.Д., Романишин И.М. Комплекс программ "ROSA" обработки отраженного сигнала // Тез. докл. Всес. конф. "Техническое и программное обеспечение комплексов полунатурного моделирования". –М., 1988. –С. 132–.
62. Бобков В.Ю., Кошевой В.В., Крайкивский Р.С., Погребенник В.Д., Романишин И.М. Автоматизация обработки пространственно-временных сигналов // Тез. докл. Всес. конф. "Метрологическое обеспечение ИИС и АСУТП". –Львов, 1988. –С. 159–.
63. Погребенник В.Д. Методы и средства измерений параметров мелкомасштабных вихрей // Тез. докл. Всес. конф. "Технические средства и методы освоения океанов и морей. –М., 1989. –C. 78.
. Погребенник В.Д., Сопрунюк П.М. Автоматизированная система экологического мониторинга водоемов // Тез докл. Межд. конф. "Интеграция систем целевой подготовки специалистов и автоматизированных технических систем различного назначения". –М., 1990. –С.45–.
. Погребенник В.Д., Сопрунюк П.М., Бобков В.Ю., Коссак Ю.З. Обработка сигналов в реальном масштабе времени // Тез. докл. Всес. конф. "Прием и анализ сверхнизкочастотных колебаний естественного происхождения". –Львов, 1990. –С. 74.
. Погребенник В.Д., Федак В.С., Войтюк Л.І Місце метеорологічних вимірювань в екологічних дослідженнях та фоновому моніторингу // Тез. доп. конф., присвяч. 70–річчю Канівського заповідника. –Канів, 1993. –С. 176–.
67. Погребенник В.Д. Разработка принципов построения акустического комплекса для дистанционной классификации морских донных отложений // Труды межд. науч.–техн. семинара "Морское и экологическое приборостроение". –Севастополь, 1994. –С. 36.
68. Погребенник В.Д., Івасів І.Б., Михалина І.А. Структура інформаційної бази даних фонового екологічного моніторингу // Сборник трудов межд. науч.–техн. семинара "Морское и экологическое приборостроение". –Севастополь, 1995. –С. 106–.
. Погребенник В.Д., Юзевич В.М. Моделювання динамічних вихорових процесів у в'язких середовищах // Праці Другої Української конф. з автоматичного керування "Автоматика–". –Львів, 1995, Т.2. –С. 46–.
70. Погребенник В.Д., Сопрунюк П.М., Юзевич В.М., Івасів І.Б., Мельник М.М., Михалина І.А., Червінка Л.Є., Червінка О.О. Портативні мікропроцесорні системи експрес-контролю параметрів мінеральних вод // Міжнародний Конгрес "Проблеми інформатизації рекреаційної та туристичної діяльності в Україні: перспективи культурного та економічного розвитку". –Трускавець. 2000 –С. 106–.
71. Piotr Sopruniuk, Woіodymyr Pohrebennyk, Mirosіaw Melnyk. Przyrї№d do їdalnej kontroli natкїenia pola elektrycznego w instalacijach przemysіowych // Њl№ckie wiadomoњci elektrycїne. Dwymiesiкcznik naukowo–technicїny oddziaіow sep.woj. Њl№skiego/ Nr specjalne (29). Rok YII. –. –P. 55–.
. Бобков В., Коссак З., Погребенник В., Сопрунюк П., Хмелярчук Н. Розширення динамічного діапазону активних імпульсних систем виявлення і розпізнавання просторових неоднорідностей // Праці І Всеукр. конф. з обробки сигналів та зображень та розпізнавання образів. –К., 1992. –С. 103–.
. Погребенник В.Д. Експериментальні дослідження фонового g-випромінювання на території Шацького національного природного парку // Міжн. конф. "Росточанський збір-2000". –Львів:Меркатор. 2000. –Кн. 1. –С. 140–.
АНОТАЦІЯ
Погребенник В.Д. Методи і вимірювальні системи оперативного визначення інтегральних параметрів водного середовища та донних відкладів. –Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.11.16 –інформаційно–вимірювальні системи. Фізико–механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України, Львів, 2002.
Дисертацію присвячено питанням розроблення нових методів побудови інформаційно-вимірювальних систем оперативного визначення інтегральних параметрів водного середовища та донних відкладів. Створено методологію розв'язання поставлених задач на основі врахування лінійних і нелінійних ефектів взаємодії акустичних коливань з досліджуваними середовищами та введення нових інформативних параметрів багаторазово відбитих сигналів, що дало змогу підвищити чутливість визначення загальної концентрації речовин у воді та точність класифікації донних відкладів. Розроблено новий інваріантний до температури акустичний метод оперативного вимірювання концентрації речовин у воді, який дає змогу аналізувати неорганічні та органічні рідини. Запропоновано нові інформативні амплітудні та спектральні параметри багаторазово відбитих сигналів, на основі яких розроблено нові дистанційні акустичні інваріантні методи з підвищеною вірогідностю класифікації параметрів донних відкладів. Запропоновано нові завадостійкі методи вимірювання часових та амплітудних параметрів акустичних імпульсних сигналів на основі інтегрувального перетворення, які дали змогу підвищити завадостійкість і точність вимірювань. Основні результати дисертації впроваджено в установах і організаціях.
Ключові слова: інформаційно-вимірювальна система, інтегральний параметр, оперативне визначення, водне середовище, донні відклади, акустика, мікропроцесор, похибка.
АННОТАЦИЯ
Погребенник В.Д. Методы и измерительные системы оперативного определения интегральных параметров водной среды и донных отложений.
Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.11.16 –информационно–измерительные системы. Физико–механический институт им. Г. В. Карпенко НАН Украины, Львов, 2002.
Диссертация содержит решение важной научно-прикладной проблемы –создание теоретических основ построения автоматизированных средств оперативного измерения интегральных параметров водной среды и донных отложений в условиях интенсивных полей и шумов. Решение этой проблемы основывается на использовании линейных и нелинейных эффектов взаимодействия акустических колебаний со средами, разработке новых методов измерения информативных параметров многократно отраженных сигналов, что обеспечило повышение на порядок точности , чувствительности и вероятности классификации созданных измерительных систем.
Предложена новая классификация методов оперативного определения параметров водной среды и донных отложений. Показано, что для оперативного определения состояния водной среды целесообразно использовать интегральные параметры, которые не зависят от природы загрязнителей. Сформулированы направления исследований мелкомасштабных процессов в водной среде, которые в основном являются вихревыми, а также обоснована необходимость проведения вертикального зондирования многослойной неоднородной среды для прогнозирования ее состояния.
Разработана новая методология построения измерительных систем оперативного определения интегральных параметров водной среды и донных отложений, которая состоит в учете нелинейных эффектов взаимодействия акустических волн с исследуемыми средами и введении новых информативных параметров многократных отражений. Это послужило базой для анализа узлов систем с целью определения составляющих погрешностей и синтеза их структур.
Введен новый интегральный информационный параметр –суммарная концентрация примесей в воде, который обеспечивает анализ неорганических и органических веществ и позволяет оперативно определять наличие и уровень загрязнения. Установлена ее связь с параметрами акустических колебаний с учетом влияния температуры, давления и скорости звука.
Разработано новый инвариантный к температуре акустический метод измерения общей концентрации примесей в водной среде и созданы теоретические основы построения соответствующих измерительных микропроцессорных систем.
В результате математического моделирования получены зависимости нелинейного акустического параметра от солености и температуры. Показано, что использование этого параметра позволяет повысить примерно в 20 раз чувствительность определения общей концентрации солей в воде.
Получены новые зависимости составляющих методической и инструментальной погрешностей определения интегральных параметров водной среды и с их учетом минимизирована суммарная погрешность измерения микропроцессорных измерительных систем.
Предложены новые информативные амплитудные и спектральные параметры многократно отраженных сигналов, по которым классифицируют донные отложения. С помощью численного моделирования предложена возможность классификации донных отложений с высоким и низким акустическим импедансом при использовании этих параметров.
Получена зависимость отношения амплитуд многократно отраженных сигналов на кратных частотах от количества отражений и на этой основе разработан дистанционный акустический инвариантный к глубине водоема метод, имеющий повышенную вероятность классификации параметров донных отложений.
Установлено и экспериментально подтверждено, что за критерием информативности и простоты реализации для классификации донных отложений целесообразно использовать средний коэффициент наклона амплитудного спектра и амплитуду высокочастотных осцилляции многократных отражений, усредненную в разных частотных полосах.
Предложены новые методы измерения временных и амплитудных параметров акустических импульсных сигналов на основе интегрирующего преобразования, которые обеспечили расширение функциональных возможностей, повышение на порядок помехоустойчивости и точности измерения. С использованием этих методов синтезированы помехоустойчивые устройства, которые имеют высокое быстродействие и точность.
Предложена иерархическая структура автоматических измерительных систем и пакет программ для создания базы данных регионального экологического мониторинга, которые реализованы на примере Шацкого национального природного парка ир. Днестр.
На основании теоретических и экспериментальных исследований разработаны, изготовлены и внедрены измерительные системы на предприятиях и организациях, что позволило автоматизировать процессы определения параметров среды, повысить точность, чувствительность и достоверность измерений.
Разработано метрологическое обеспечение разработанных методов и средств экспериментального исследования тонкой структуры водной среды. В процессе натурных исследований измерительных систем получены экспериментальные данные, которые подтвердили реальную возможность оперативного определения параметров сред и обеспечили возможность оценить порядок их случайных флюктуаций при разных условиях.
В работе обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований методов и автоматизированных средств оперативного измерения интегральных параметров водной среды и донных отложений. При решении этой проблемы использованы новые подходы, концепции и методология. Полученные результаты являются базой для решения других задач теории и практики построения информационно-измерительных систем.
Ключевые слова: информационно-измерительная система, интегральный параметр, оперативное определение, водная среда, донные отложения, акустика, микропроцессор, погрешность.
Pohrebennyk V.D. Methods and measuring systems for operative determination of integrated parameters of water environment and bottom sediments. – Manuscript.
The thesis for the Doctor of Technical Sciences degree in speciality 05.11.16 – informational-measuring systems. G.V. Karpenko Physico-Mechanical Institute of the NAS of Ukraine, Lviv, 2002.
The thesis is devoted to development of new methods for construction of information-measuring systems for operative determination of integrated parameters of water environment and bottom sediments. Methodology for the solving of given tasks which take into account linear and nonlinear effects of the interaction between acoustic waves and investigated environment and the establishing of new informative parameters for multiple reflected signals has been created. This methodology allows to increase sensitivity of determination of the overall concentration and precision of bottom sediment classification. The new informative amplitude and spectral parameters of multiple reflected signals are proposed, and on the base of them, the new remote acoustic methods with increased classification probability of bottom sediment parameters were developed. Acoustic methods for express testing in which the results do not depend on variation of temperature were worked out. The optimization of parameter choice of ultrasonic device for measurement of liquid concentration is suggested. The new robust methods for measuring of temporal and amplitude values of acoustic impulse signals on the base of the integral transform has been suggested. The main results of the thesis have been implemented in the institutions and organizations.
Key words: information-measuring system, integrated parameters, operative determination, water environment, bottom sediments, acoustic methods, microprocessor, error.
_____________________________________________
Підписано до друку 23.05.2002р. Формат 60*84 1/16.
Друк офсетний. Умовн. друк. Арк. 2,0. Зам. 293.
Наклад 100 прим.
_____________________________________________
Видавничо-поліграфічний відділ ЛвЦНТЕІ
, м.Львів, пр. Чорновола, 57