Экология/6. Экологический мониторинг

К.т.н. Лисьев В.Н.

Харьковский национальный автомобильно–дорожный университет, Украина

АНАЛОГО–ЦИФРОВОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ В ЭКОЛОГИИ

Способы измерения параметров окружающей среды, основанные на растворении анализируемого вещества в жидкости и последующего измерения концентраций этого вещества в растворе или им подобные, не соответствуют требованиям современной науки по точности, оперативности и универсальности. Поэтому, все большее применение находят способы, основанные на аналого–цифровом преобразовании параметров и их микропроцессорной обработке.

В современных средствах измерения параметров окружающей среды нашли широкое применение способы, основанные на предварительном функциональном преобразовании измеряемых параметров в унифицированный аналоговый электрический сигнал – напряжение или частоту. Преобразователи физических параметров в частоту позволяют измерять практически любые неэлектрические параметры окружающей среды и они удобны для цифрового интегрирования входного сигнала. При этом упрощается как интегрирование, так и дифференцирование сигналов, снижается потребляемая мощность, обеспечивается большая помехозащищенность и простота аппаратурной реализации. В наиболее общем случае, при измерении многомерных величин, преобразованию подвергаются два сигнала. Универсальность и гибкость определяется отсутствием разнотипных функциональных преобразователей и оперативность обработки полученной информации. Определяющим фактором является суммарная результирующая погрешность, которая имеет четыре составляющих – погрешность дискредитации; погрешность квантования; динамическую погрешность и погрешность вносимую помехами. Можно считать обоснованным допущение, что:

а) результирующая погрешность мала по сравнению со значением величины измеряемого параметра окружающей среды;

б) различные составляющие погрешности независимы.

Тогда результирующая погрешность будет определяться точностью применяемого преобразовательного устройства и его помехозащищенностью.

Широкое применение преобразователей параметров, использующих алгоритм "параметр – напряжение – частота", опирается на возможность использования библиотеки способов, обеспечивающих измерение частоты электрического сигнала с максимально высокой точностью в экстремальных условиях. Достоинствами таких преобразователей являются:

– высокая точность преобразования;

– широкий динамический диапазон входных параметров;

– удобство передачи входной величины на расстояние без искажения;

– высокая точность и оперативность обработки полученной информации.

В работе предлагается способ измерения частоты сигнала полученного при преобразовании аналогового параметра окружающей среды в электрический сигнал, имеющий синусоидальную форму и предварительно стабилизированный по амплитуде. Алгоритм преобразования можно представить следующей последовательностью преобразований:

Сигнал, описываемый выражением (1)

(1)

где U_m – амплитуда сигнала;

- круговая частота сигнала;

T, F – измеряемый период и частота исследуемого сигнала,

подвергнем двойному преобразованию – сначала получим модуль напряжения u(t), который затем преобразуем в пропорциональную частоту следования прямоугольных импульсов

(2)

где К_в – коэффициент передачи выпрямителя;

К_f – коэффициент преобразования напряжения в частоту.

Полученный унифицированный сигнал проинтегрируем за время кратное периоду Т и получим

(3)

где n – число периодов Т, в течение которых осуществлялось интегрирование;

N_T – количество импульсов, полученных за время интегрирования.

Подставляя выражение (2) в соотношение (3) получаем

(4)

Выражение (4) можно записать в следующем виде

(5)

где – дискретность измерения периода

или

. (6)

Полученный алгоритм определения частоты F исследуемого сигнала позволяет проводить измерения сверх низкочастотных сигналов с максимально возможной точностью, что особенно важно в исследованиях

Применение функции преобразования аналоговых параметров окружающей среды в частоту позволяет расширить функциональные возможности средств измерений применяемых при мониторинге окружающей среды.

Предложенный алгоритм преобразования позволяет получить максимальное быстродействие при минимальных аппаратурных затратах. Это позволяет применять данное преобразование при исследовании быстроменяющихся параметров окружающей среды.

Применение функции преобразования аналоговых параметров окружающей среды в частоту позволяет использовать уже существующую библиотеку способов, обеспечивающих измерение частоты электрического сигнала.

Предложенный алгоритм легко адаптируется с современными алгоритмами цифровой обработки информации.