CC BY
225
УДК 681.7.069.2.089.6: 006.354
МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ В СИСТЕМЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА И КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ МИКРОКЛИМАТА
Л.И. Бондаренко, ст. научн. сотр., Национальный научный центр «Институт метрологии», г. Харьков, Н.В. Прокопенко, доцент, к.б.н., ХНАДУ
Аннотация. Рассмотрена роль оптико-физических измерений при экологическом мониторинге и контроле параметров микроклимата. Изложены основные положения метрологического обеспечения единства измерений энергетических параметров оптического излучения.
Ключевые слова: метрология, экологический мониторинг, обеспечение единства измерений, эталон, энергетическая освещенность некогерентным излучением, средства измерений.
МЕТРОЛОГІЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ОПТИКО-ФІЗИЧНИХ ВИМІРЮВАНЬ У СИСТЕМІ ЕКОЛОГІЧНОГО МОНІТОРИНГУ І КОНТРОЛЮ ПАРАМЕТРІВ
МІКРОКЛІМАТУ
Л.І. Бондаренко, ст. научн. сотр., Національний науковий центр «Інститут метрології», м. Харків, Н.В. Прокопенко, доцент, к.б.н., ХНАДУ
Анотація. Розглянуто роль оптико-фізичних вимірювань при екологічному моніторингу і контролі параметрів мікроклімату. Викладено основні положення метрологічного забезпечення єдності вимірювання енергетичних параметрів оптичного випромінювання.
Ключові слова: метрологія, екологічний моніторинг, забезпечення єдності вимірювання, еталон, енергетична освітленість некогерентним випромінюванням, засоби вимірювання.
METROLOGICAL PROVISION OF OPTIC-PHYSICAL MEASUREMENTS IN ECOLOGICAL MONITORING SYSTEM AND CONTROL OF MICROCLIMATE
PARAMETERS
L. Bondarenko, senior researsh, National Scientific Centre «Institute of Metrology», Kharkiv, N. Prokopenko, Associate Professor, Candidate of Biological Science,
KhNAHU
Abstract. The role optic-physical measurements at ecological monitoring and the control of microclimate parameters are considered. The main provisions of metrological provision of uniformity of optical radiation power parameters measurements are stated.
Key words: metrology, ecological monitoring, provision of measurements uniformity, standard, irradiance of incoherent radiation, means of measurements.
Введение
В системе экологического мониторинга значительную роль играют прецизионные оптико-физические измерения энергетических параметров излучения.
Научно-технической основой обеспечения измерений энергетических характеристик некогерентного оптического излучения является эталонная база, созданная в Национальном научном центре «Институт метрологии», а также разработанная государственная поверочная схема для средств измерений энер-
гетической освещенности некогерентным излучением [1, 2, 4].
Анализ публикаций
Государственные стандарты охватывают обширные вопросы деятельности человека и являются основными нормативными документами в области экологической безопасности и безопасности труда. Нормативнотехническая документация по охране труда включает правила по технике безопасности и производственной санитарии, санитарные нормы и правила, стандарты системы стандартов безопасности труда, инструкции по охране труда для рабочих и служащих. Едиными правилами, которые содержат требования к обеспечению безопасности труда при проектировании, строительстве и эксплуатации промышленных объектов, являются «Строительные нормы и правила» (СНиП), а также различные санитарные нормы и правила (СН, СанПиН). Санитарные нормы устанавливают предельные уровни физических воздействий на окружающую среду (шума, вибрации, инфразвука, электромагнитных полей и излучений от различных источников, ионизирующих излучений) [6-11].
Цель и постановка задачи
В последние десятилетия как в Украине, так и за рубежом существенно возрастает роль оптико-физических измерений в реализации приоритетных направлений в развитии науки, техники и технологий, в том числе:
- в экологии и климатологии, включая измерения солнечной радиации;
- в медицине и охране труда, в том числе контроль интенсивности тепловых потоков в горячих цехах промышленных предприятий, нормирование освещенности рабочих мест. Метрологическое обеспечение измерений является одной из важнейших проблем современной науки и техники. Его главная задача - установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений.
Основной целью метрологического обеспечения измерений при мониторинге и контроле параметров микроклимата является обеспечение единства и требуемой точности результатов измерений.
Метрологическое обеспечение измерения энергетических характеристик некогерентного оптического излучения
Высокоточное измерение энергетических характеристик некогерентного оптического излучения имеет большее практическое значение в связи с тем, что в Украине существует достаточно много предприятий и научных учреждений, где широко используются рабочие средства измерения энергетической освещенности тепловым и солнечным излучением (металлургические заводы, тепловые и атомные электростанции, обсерватории и научно-исследовательские институты, метеорологические и санитарно-эпидемиологические станции, институты гигиены труда и службы экологического контроля, противопожарные службы).
Метрологическое обеспечение оптико-физических измерений основывается на:
- положениях Закона Украины «О метрологии и метрологической деятельности» и действующих нормативных документах Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ);
- допущенных к применению единицах измерений;
- государственных эталонах единиц измерений;
- системе передачи размеров единиц измерений от эталонов всем средствам измерений;
- применении средств измерений, типы которых утверждены Государственным комитетом Украины по вопросам технического регулирования и потребительской политики (Госпотребстандарт Украины)
- осуществлении поверки применяемых средств измерений;
- применении аттестованных методик выполнения измерений.
В соответствии с Законом Украины «О метрологии и метрологической деятельности» обеспечение единства измерений сегодня рассматривается как одно из важнейших условий эффективности исследований и разработок, управления производством и другими объектами, контроля условий безопасности труда и охраны окружающей среды.
Система обеспечения единства измерений -это государственная система управления деятельностью по обеспечению единства измерений. Ее разработка продиктована необ-
ходимостью выражения в узаконенных единицах измерений результатов получения и использования измерительной информации, при этом показатели точности (погрешности измерений) должны находиться в установленных границах с заданной вероятностью.
Обеспечение единства измерений в области оптико-физических измерений создает предпосылки для разработки надежных систем экологического мониторинга и управления окружающей средой.
Метрологическое обеспечение измерений характеристик оптического излучения базируется на комплексе государственного и вторичного эталонов, созданных в ННЦ «Институт метрологии», и поверочной схеме [2], регламентирующей порядок передачи размеров единицы измерений от этих эталонов к рабочим средствам измерений с помощью рабочих эталонов.
Согласно Закону Украины «О метрологии и метрологической деятельности» [3] определение соответствия характеристик оптического излучения требованиям нормативных документов относится к сфере государственного метрологического контроля и надзора. Это означает, что используемые при этих измерениях средства измерений должны пройти испытания с целью утверждения типа, внесены в Государственный реестр, т.е. должны иметь сертификат об утверждении типа средства измерений. Приборы должны быть поверены согласно утвержденной методике поверки на соответствующих эталонах.
В ННЦ «Институт метрологии» в 1996 году был разработан и создан государственный первичный эталон единицы энергетической освещенности некогерентным излучением, в 2010 г. проведена его модернизация. Эталон предназначен для воспроизведения и передачи единицы плотности потока оптического излучения в диапазоне от 10 Вт/м2 до 105 Вт/м2. Эталон, метрологические характеристики которого отвечают существующему мировому уровню в области оптико-физических измерений, возглавляет государственную поверочную схему для средств измерения энергетической освещенности тепловым и солнечным излучением в Украине.
Поверочная схема устанавливает назначение государственного первичного эталона, его
метрологические характеристики и порядок передачи размера указанной единицы от государственного первичного эталона с помощью вторичного эталона единицы энергетической освещенности солнечным излучением и рабочих эталонов рабочим средствам измерительной техники с указанием погрешностей и основных методов поверки.
Государственный первичный эталон обеспечивает воспроизведение единицы энергетической освещенности некогерентным излучениям со средним квадратичным отклонением результата измерения, не превышающим 0,25 • 10-2, при этом граница неисклю-ченной относительной систематической погрешности не превышает 0,3-10-2.
Таким образом, созданный в ННЦ «Институт метрологии» эталонный комплекс осуществляет передачу единицы энергетической освещенности тепловым и солнечным излучением средствам измерительной техники и тем самым осуществляет метрологическое обеспечение единства измерений в стране.
В Украине существует достаточно широкий парк средств измерений интегральной плотности оптического излучения высокой интенсивности, среди которых больше всего используются, особенно в службах МЧС и противопожарной безопасности, датчики высокоинтенсивного теплового излучения типа ФЛА и ФОА. Контроль интенсивности тепловых потоков на рабочих местах осуществляется с помощью приемников излучения типа РАТ-2П. Актинометрические приборы (пиргелиометры, актинометры, балансомеры и др.) используются в таких отраслях хозяйственной деятельности, как строительная промышленность, сельское хозяйство, метеорология, гелиотехника, космические исследования. Своеобразным портретом любого средства измерений служат метрологические характеристики, влияющие на результат измерений и его погрешность. Основными метрологическими характеристиками являются диапазон измерений и различные составляющие погрешности средства измерений. Применение прецизионных средств измерительной техники позволяет получать достоверную информацию об экологической обстановке и используются для проведения мониторинга любого уровня и контроля окружающей среды.
Оценка состояния, прогнозирование и принятие управленческих решений в сфере охраны окружающей среды и экологической безопасности неразрывно связаны с необходимостью многочисленных измерений физических параметров окружающей среды.
Метеорологический мониторинг
Система комплексных метеорологических наблюдений, актинометрических, теплобалансовых, за физическими параметрами атмосферы и подстилающей поверхности обеспечивает информацией о погоде для составления краткосрочных, долгосрочных метеорологических, агрометеорологических прогнозов. На основе данных метеорологического мониторинга осуществляется ведение мониторинга климата и озонового слоя Земли. Парк актинометрических приборов, используемых в метеорологических наблюдениях, разнообразен. С помощью пиргелиометров измеряют плотность потока прямой солнечной радиации в абсолютных единицах; относительные измерения проводят с помощью актинометров. Пиранометры служат для измерения плотности потока коротковолновой рассеянной радиации; они же позволяют измерять совместно прямую и рассеянную (суммарную) радиации; длинноволновую радиацию измеряют пиргеометрами. Общий баланс энергии, т. е. разность между суммарным потоком радиации, достигающим земной поверхности, и суммарным потоком радиации, направленным от нее, измеряют ба-лансомерами. С помощью альбедометров измеряют отраженную радиацию. Основная доля солнечной радиации передается к поверхности Земли в оптическом диапазоне излучения, а отраженная от земной поверхности - в инфракрасном.
Для разработок и исследований в области солнечной энергетики необходимо проведение детальной оценки валового потенциала солнечной энергии. С этой целью на актинометрических станциях проводят измерения нескольких характеристик солнечной радиации: прямой, рассеянной, суммарной радиации и радиационный баланс, а также прямой радиации, поступающей на перпендикулярную поверхность.
Контроль параметров микроклимата
Одним из необходимых условий нормальной жизнедеятельности человека является обес-
печение нормальных метеорологических условий в помещениях, оказывающих существенное влияние на тепловое самочувствие человека.
В процессе труда в производственном помещении человек находится под влиянием микроклимата, т. е. климата внутренней среды этих помещений. Существенное влияние на параметры микроклимата и состояние человеческого организма оказывает интенсивность теплового излучения различных нагретых поверхностей, температура которых превышает температуру в производственном помещении.
Для осуществления контроля параметров окружающей среды необходимо руководствоваться требованиями соответствующих санитарных правил и норм выполнения методик проведения испытаний, использовать аттестованные (поверенные) средства измерений.
В горячих цехах промышленных предприятий большинство технологических процессов протекает при температурах, значительно превышающих температуру воздуха окружающей среды. Нагретые поверхности излучают в пространство потоки лучистой энергии, которые могут привести к отрицательным последствиям. При температуре до 500 °С с нагретой поверхности излучаются тепловые (инфракрасные) лучи, а при более высокой температуре, наряду с возрастанием инфракрасного излучения, появляются видимые световые и ультрафиолетовые лучи.
Значительная интенсивность теплового излучения оказывает неблагоприятное воздействие на человека. Тепловое облучение интенсивностью до 350 Вт/м2 не вызывает неприятного ощущения; при 1050 Вт/м2 уже через 3-5 минут на поверхности кожи появляется неприятное жжение, а при 3500 Вт/м2 через несколько секунд возможны ожоги.
Интенсивность теплового облучения на отдельных рабочих местах может быть значительной. Например, в момент заливки стали в форму она составляет 12 000 Вт/м2; а при выпуске стали из печи в ковш достигает 7000 Вт/м2.
В общих санитарно-гигиенические требованиях [5] представлены оптимальные и допустимые параметры микроклимата в производ-
ственном помещении в зависимости от тяжести выполняемых работ и времени года. Интенсивность теплового облучения рабочих от нагретых поверхностей технологического оборудования на постоянных и непостоянных рабочих местах не должна превышать 35 Вт/м2 при облучении 50 % поверхности человека и более, 70 Вт/м2 - при облучении 25...50 % поверхности и 100 Вт/м2 - при облучении не более 25 % поверхности тела.
Интенсивность теплового облучения рабочих от открытых источников (нагретого металла, стекла, открытого пламени и др.) не должна превышать 140 Вт/м2, при этом облучению не должно подвергаться более 25 % поверхности тела и обязательно использование средств индивидуальной защиты.
Для контроля интенсивности тепловых потоков на рабочих местах на соответствие санитарным нормам необходимо обеспечить измерение потоков до 2000 Вт/м2 и выше. Для этих целей используют приемники тепловых потоков типа РАТ-2П, ФОА-020, метрологическая аттестация (поверка) которых обеспечивается в соответствии с поверочной схемой ДСТУ 3193-2007 [2].
Выводы
Метрологическое обеспечение оптико-физических измерений энергетической освещенности тепловым и солнечным излучением служит основой контроля параметров окружающей среды. Использование прецизионных средств измерения плотности тепловых потоков позволяет получать достоверную информацию, на основании которой можно проводить оценку условий труда по показателям вредности и опасности факторов производственной среды.
Литература
1. Назаренко Л.А. Державний спеціальний
еталон одиниці енергетичної освітленості некогерентним випромінюванням / Л.А. Назаренко, В.І. Полевой, Л.І. Бондаренко // УМЖ. - 1995. - Вип. 1. -С.31-36.
2. ДСТУ 3193-95. Метрологія. Державна
повірочна схема для засобів вимірювань енергетичної освітленості некогерент-
ним випромінюванням. - На заміну ГОСТ 80195-89; чинний від 01.07.1996.
- К. : Держстандарт України, 1996. - 18 с.
3. Закон Украины «Про метрологію та метро-
логічну діяльність» // Відомості Верховної Ради України. - 1998. - № 30-31.
- Ст. 194
4. ГОСТ Р 8.596-2002 ГСИ. Метрологическое
обеспечение измерительных систем. Основные положения. - Взамен МИ 2438-97; введ. 01.03.2003. - М. : Изд-во стандартов, 2003. - 9 с.
5. ГОСТ 12. 1.005-88. ССБТ. Общие санитар-
но-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны. - Взамен ГОСТ 12.1.00576; введен 01.01.89. - М. : Госкомиздат, 1989. - 49 с.
6. ГОСТ Р 8.589-2001 Контроль загрязнений
окружающей природной среды. Метрологическое обеспечение. Основные положения. - Введен впервые; введ.
01.06.2002. - М. : ИПК Издательство стандартов, 2003. - 9 с.
7. СанПиН 2.2.4.548-96. Гигиенические тре-
бования к микроклимату производственных помещений. - М. : ГП ЦПП, 1996. - 9 с.
8. ГОСТ 30494-96. Здания жилые и общест-
венные. Параметры микроклимата в помещениях. - Введен впервые; введ. 01.03.1999. - М. : Госстрой России, ГУП ЦПП, 1999. - 7 с.
9. СНиП 2.01.01-82. Строительная климато-
логия и геофизика. - М. : ГП ЦПП, 1996.
- 8 с.
10. СНиП 2.04. 05-91. Отопление, вентиляция
и кондиционирование. - К. : Киев-
ЗНИИЭП, 1996. - 64 с.
11 Руководство Р 2.2.2006-05. Руководство по гигиенической оценке факторов рабочей среды и трудового процесса. Критерии и классификация условий труда. -Введено взамен Р 2.2.755-99; введ. 01.11.2005. - М. : Изд-во стандартов, 2005. - 42 с.
Рецензент: А.В. Гриценко, профессор, д.геогр.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 25 октября 2010 г.
