CC BY
170
УДК 378.147 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ ДЛЯ УЧЕБНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ЭКОЛОГИИ И БЕЗОПАСНОСТИ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ
Гинко В.И., Гинко М.С.
Целью работы является обоснование методики активной формы обучения, а именно учебного эксперимента с использованием измерительных приборов, при формировании компетенции в области экологии и безопасности жизнедеятельности.
Тот факт, что ранее лабораторные и экспериментальные методы не применялись для изучения такой дисциплины как «Экология и безопасность жизнедеятельности», указывает на новизну исследования.
В статье раскрыты назначение, общие принципы работы и методические рекомендации по использованию таких приборов как: рН-метр, нитратомер (нитрат-тестер), магнитометр (трехкомпонентный), измеритель параметров электрического и магнитного полей, дозиметр-радиометр, шумомер цифровой.
В результате обоснована методика организации учебных экспериментов с использованием измерительных приборов при формировании компетенции в области экологии и безопасности жизнедеятельности.
Областью применения является система высшего профессионального образования.
Ключевые слова: экологическая безопасность, учебный эксперимент, измерительные приборы, рН-метр, нитратомер (нитрат-тестер), магнитометр (трехкомпонентный), измеритель параметров электрического и магнитного полей, дозиметр-радиометр, шумомер цифровой.
USING MEASURING DEVICES FOR EDUCATIONAL EXPERIMENTS ON ECOLOGY AND SAFETY
Ginko V.I., Ginko M.S.
The purpose of work is justification of a technique of the active form of education, namely educational experiment with use of measuring apparatuses, when forming competence of ecology and safety area.
That fact that earlier laboratory and experimental methods were not applied to studying of such discipline as «Ecology and safety», points to novelty of research.
In article described appointment, the common principles of work and methodical recommendations about use of such devices as are opened: rn-meter, a nitratomer (nitrate tester), a magnetometer (ternary), a meter of parameters electric and magnetic water, the dosimeter radiometer, an audio-noise meter digital.
As a result, substantiated the technique of organization of educational experiments using measurement instruments in the formation of competence in the field of ecology and safety.
Practical implications: the system of high education.
Keywords: ecological safety, educational experiment, measuring apparatuses, rn-meter, a nitratomer (nitrate tester), a magnetometer (ternary), a meter of parameters electric and magnetic water, the dosimeter radiometer, an audio-noise meter digital.
Нарастание экологических проблем и переход некоторых из них в стадию экологического кризиса заставляют каждого из нас ежедневно думать о своей экологической безопасности. Актуальность предмета и целей дисциплины «Экология и безопасность жизнедеятельности» несомненна. Компетенция, которая формируется при её изучении, по нашему мнению, весьма конкретна [2]: владение знаниями об экологической безопасности как составляющей
национальной безопасности России, экологических проблемах современности, способность осуществлять мероприятия, направленные на обеспечение экологической безопасности, мониторинг среды обитания.
В наибольшей степени формированию у обучающихся сформулированной компетенции способствует такая активная форма обучения как учебный эксперимент в рамках лабораторных занятий. Для проведения экспериментов обычно требуются оборудование и материалы. В таблице 1 приведен примерный перечень лабораторных работ по дисциплине «Экология и безопасность жизнедеятельности», для студентов обучающихся по специальность 050104.65 «Безопасность жизнедеятельности» с указанием необходимых материалов и приборов.
Таблица 1
Перечень лабораторных работ по экологии и безопасности
жизнедеятельности
№ Темы лабораторных работ по дисциплине «Экология и безопасности жизнедеятельности» Оборудование и материалы Приборы
1. Органолептическая оценка воды колбы для воды, протокол работы, вода, взятая из различных источников
2. Оценка водопроводной воды и воды, прошедшей через бытовой фильтр любой бытовой фильтр, водопроводная вода, протокол работы
3. Определение кислотности воды пробы воды различной кислотности рН-метр
4. Определение содержания нитритов и нитратов в пищевых продуктах набор пищевых продуктов (овощи, фрукты), скальпель нитратомер
5. Определение уровня радиационного загрязнения дозиметр бытовой
6. Определение интенсивности электромагнитных полей, создаваемых бытовыми приборами рулетка, бытовые приборы магнитометр учебный, прибор - регистратор интенсивности магнитного поля, прибор - регистратор интенсивности электрического поля.
7. Определение уровня шумового загрязнения шумомер
Материалы необходимые для организации измерительных и управляемых экспериментов для эмпирического познания экологической безопасности окружают нас повсюду. Оборудование также доступно для приобретения. Далее приведем краткую характеристику каждого прибора (устройство и общие принципы работы) и методические рекомендации по их использованию.
pH-метр предназначен для измерения показателя активности ионов водорода (pH), окислительно-восстановительного потенциала (Е^), а также температуры водных растворов. В основу работы положен потенциометрический метод измерения показателя активности ионов водорода и окислительно-восстановительного потенциала контролируемого раствора. При измерении показателя активности ионов водорода (или окислительновосстановительного потенциала) растворов используется первичный
измерительный преобразователь - электродная система, состоящая из измерительного электрода и электрода сравнения. Электродная система, погруженная в анализируемый раствор, развивает электродвижущую силу (ЭДС), пропорциональную показателю активности ионов водорода или соотношению концентраций окисленной и восстановленной форм редокс-системы.
ЭДС электродной системы зависит также от температуры
анализируемого раствора. Для измерения температуры и учета ее влияния на электродную систему (термокомпенсации) используется первичный
преобразователь - датчик температуры, построенный на основе терморезистора (далее - термодатчик). Для электродных систем, применяемых для определения pH растворов, существует точка (значение pH) в которой их ЭДС не зависит от температуры. Эта точка носит название изопотенциальной, а соответствующие ей значения <фХЬ> и «ЕЬ> называются координатами изопотенциальной точки. На основе измеренной величины ЭДС вторичный преобразователь (далее -преобразователь) осуществляет расчет значения pH по следующей формуле:
pH = рХ- (Е - Е)/ К - (54,1 + 0,198t),
где Е - измеренная ЭДС электродной системы, мВ;
pXi - координата изопотенциальной точки электродной системы;
Ei - координата изопотенциальной точки электродной системы, мВ;
Ks - доля, которую составляет реальная крутизна электродной характеристики от теоретического значения, равного (54,1 + 0,198t);
t - температура раствора, измеренная при помощи термодатчика или введенная
о/"'i
вручную, С.
Для получения результатов измерений pH с нормируемым значением погрешности необходимо провести градуировку прибора согласно инструкции.
Значение pH выводится на дисплей преобразователя. После включения прибора автоматически устанавливается режим измерения. При необходимости следует установить режим измерений pH.
При измерениях pH следует помнить, что характеристики электродной системы зависят от температуры анализируемой среды. Поэтому для учета этой зависимости (автоматической термокомпенсации) прибору необходима информация о температуре раствора. Наилучшим вариантом является автоматическое измерение температуры при помощи термодатчика (в том числе встроенного в электрод).
Перед проведения измерений следует промыть электроды и другие применяемые устройства (например, термодатчик или термометр) дистиллированной водой, осушить их фильтровальной бумагой и погрузить в анализируемый раствор. При использовании термодатчика глубина его погружения в анализируемый раствор должна быть не менее 30 мм.
После установления стабильных показаний считать результат измерения с дисплея.
Нитрат-тестер предназначен для оценки (экспресс-анализа) содержания нитратов в свежих овощах и фруктах.
Анализ производится на основе измерения проводимости переменного высокочастотного тока в измеряемом продукте.
Доступных для анализа содержания нитратов продуктов порядка 30 видов. На некоторые виды продуктов нормы ПДК (ПДК - предельно допустимой концентрации) не установлены. В таком случае проводите измерения выбрав строку «Прочие продукты».
Прибор измеряет количество нитратов на килограмм массы во всех свежих овощах и фруктах. Во время выбора продукта для измерения, прибор вводит данные норм ПДК, и на основе этого пользователь получает рекомендации по качеству продукта. Безопасным для взрослого человека является употребление 200-300 мг нитратов в сутки. Токсической дозой является употребление 600-700 мг нитратов в сутки. Для детского питания существуют другие нормы, так как детский организм наиболее подвержен вредному воздействию нитратов. Так, для детей младшего возраста безопасным является употребление до 10 мг в сутки, для более старших - до 50 мг.
Для проведения измерения содержания нитратов в овощах, фруктах или других продуктах необходимо выполнить следующие действия:
1) Выбрать проверяемый продукт. Он должен быть чистым, без грязи и повреждений на поверхности.
2) Выбрать проверяемый продукт с помощью меню.
3) Затем требуется протереть зонд проспиртованным тампоном, а затем -насухо салфеткой.
4) После этого нужно провести подготовку к измерениям (самокалибровку). В это время прикасаться к щупу запрещено.
5) Далее можно ввести зонд в проверяемый продукт, максимально перпендикулярно его плоскости, желательно, в направлении к центру до полного погружения. Не нужно вертеть зондом внутри продукта, давить на продукт. Глубина ввода зонда может быть от 10 мм.
6) Для проведения измерения требуется нажать соответствующую кнопку и дождаться результатов. Во время ожидания нельзя шевелить зондом внутри продукта.
Кроме цифрового значения уровня нитратов прибор сообщит о нормальной, повышенной или недопустимой концентрации нитратов [5].
Магнитометр трехкомпонентный малогабаритный - измеритель постоянного магнитного поля (далее измеритель), предназначен для обеспечения измерений биологически опасных уровней геомагнитного и гипогеомагнитного поля. Измерительный преобразователь магнитного поля Земли может быть выполнен, например, на базе магниторезистивных датчиков, которые одновременно обеспечивают измерение ортогональных составляющих напряженности магнитного поля в контрольной точке и модуля вектора напряженности. При этом показания магнитометра не зависят от ориентации измерительного преобразователя в пространстве. Измеритель выполнен в виде портативного прибора с автономным питанием. Конструктивно измеритель состоит из преобразователя напряженности магнитного поля, блока управления и индикации и сетевого блока питания.
В измерителе предусмотрен основной режим работы, когда измеряются три ортогональные компоненты вектора напряженности магнитного поля, с последующим вычислением его модуля. Результаты измерений напряженности магнитных полей выдаются на мониторе в единицах А/м (ампер на метр). Процесс измерения данных продолжается не более 8 с и отображается на мониторе, например:
[Н] = 5.500 А/м Н (х) = 5.200 А/м Н (у) = 5.700 А/м Н ф = 1.700 А/м
Вычисленное значение модуля напряженности магнитного поля находится в верхней строчке экрана.
Измеритель параметров электрического и магнитного полей предназначен для проведения комплексного санитарно-гигиенического обследования помещений и рабочих мест, и может быть использован для
исследования источников электрического (магнитного) поля. Принцип действия измерителя параметров электрического и магнитного полей состоит в преобразовании колебаний электрического и магнитного полей в колебания электрического напряжения, частотной фильтрации и усиления этих колебаний с последующим их детектированием. Продетектированный сигнал поступает на аналогово-цифровой преобразователь, результирующие числовые значения величин зарегистрированных колебаний электрического и магнитного полей анализируются встроенным в измеритель микропроцессором. Регистрация электрического и магнитного полей проводится одновременно во всей частотной полосе измерения. Зарегистрированный сигнал после предварительного усиления разделяется активными частотными фильтрами и в дальнейшем усиливается в независимых каналах регистрации. Прибор, таким образом, объединяет в одной конструкции два отдельных измерителя напряженности электрического поля, два отдельных измерителя плотности магнитного потока и микропроцессорный блок обработки и анализа результатов измерений.
По выбору пользователя может быть установлен либо режим непрерывного измерения среднеквадратических значений напряженности электрического поля и плотности магнитного потока, либо режим измерения абсолютной величины полного вектора, включающий измерения трех компонент среднеквадратических значений напряженности электрического поля и плотности магнитного потока и последующее вычисление абсолютной величины вектора напряженности электрического поля и плотности магнитного потока. При измерениях напряженности электрического поля и плотности магнитного потока следует закрепить прибор на диэлектрической штанге, входящей в комплект измерителя, и держать (а также перемещать) прибор только с ее помощью. При проведении аттестационных измерений штангу следует крепить на диэлектрическом основании. Результаты измерений параметров электрического поля выдаются в единицах В/м (вольт на метр),
результаты измерений параметров магнитного поля выдаются в единицах мкТл (микротесла) или нТл (нанотесла).
При непрерывном измерении следует разместить измеритель в точке измерения и считать показания индикатора. Перемещая измеритель в различные точки можно определить величину среднеквадратических значений напряженности электрического поля и плотности магнитного потока в этих точках. При измерении полного поля необходимо поместить измеритель в точке измерения (на расстоянии 0,5 м от источника электромагнитного излучения на перпендикуляре к его центру). Затем провести измерения три раза переориентируя измеритель. Результаты проделанных измерений будут автоматически обработаны процессором измерителя и абсолютные величины векторов напряженности электрического поля и плотности магнитного потока в двух частотных диапазонах будут высвечены на индикаторе измерителя [3].
Дозиметр-радиометр (далее по тексту - дозиметр) предназначен для измерения амбиентного эквивалента дозы (ЭД) и мощности амбиентного эквивалента дозы (МЭД) гамма-излучения, а также оценки поверхностной загрязненности бета-радионуклидами. Дозиметр используется: для контроля радиационной чистоты жилых помещений, зданий и сооружений, предметов быта, одежды, транспортных средств, поверхности почвы на приусадебных участках; для оценки радиационного загрязнения лесных ягод и грибов. Дозиметр выполнен обычно в виде моноблока, в котором размещены детектор гамма- и бета-излучений (счетчик Гейгера-Мюллера), печатная плата с электронными компонентами, а также элементы питания. Принцип работы дозиметра базируется на преобразовании счетчиком Гейгера-Мюллера излучения в последовательность импульсов напряжения, количество которых пропорционально интенсивности регистрируемого излучения.
Далее опишем измерение МЭД гамма-излучения дозиметром.
Режим измерения МЭД гамма-излучения включается приоритетно с момента включения дозиметра. При этом на цифровом индикаторе уже на
первых секундах будут высвечиваться результаты измерений, которые сразу дают возможность оперативной оценки уровня излучения.
Поскольку в дозиметре предусмотрено постоянное усреднение результатов измерений, то с каждым следующим возобновлением значения на цифровом индикаторе происходит процесс его уточнения. Таким образом, приблизительно через минуту после начала измерений на цифровом индикаторе можно получить результат с точностью в пределах паспортной погрешности дозиметра. Для измерения МЭД гамма-излучения необходимо дозиметр правильно ориентировать по направлению к обследуемому объекту.
Результатом измерений МЭД гамма-излучения следует считать среднее арифметическое пяти последних измерений через 10 с после начала измерения или каждое значение, полученное после прекращения мигания цифрового индикатора, при условии неизменного расположения дозиметра по отношению к обследуемому объекту. Единицы измерения выражены в мкЗв/ч.
Прибор предназначен для измерения и спектрального анализа шума. Прибор измеряет множество параметров: средние квадратические уровни звука с частотными коррекциями; средние квадратические уровни звукового давления; уровень звукового воздействия (далее УЗВ) и т.д. Принцип работы прибора основан на преобразовании поступающего на его микрофон звукового сигнала в пропорциональный электрический сигнал с последующим его аналого-цифровым преобразованием и математической обработкой, в зависимости от вычисляемых параметров звукового сигнала, и выводом результатов расчета на табло прибора.
Преобразование звукового сигнала в электрический сигнал происходит в микрофонном капсюле. Для согласования высокоомного сопротивления капсюля с входным сопротивлением измерительной части прибора служит предусилитель. Измерение и расчет параметров выходного электрического сигнала предусилителя и перерасчет их в параметры акустического сигнала проводится в измерительной части прибора.
В режиме измерения можно измерять уровень звука и звукового давления и другие характеристики. Когда интерес представляет абсолютное значение звукового давления, перед измерением следует осуществить калибровку всего измерительного тракта и включить учет калибровочной поправки.
При измерениях необходимо: выбрать один из четырех поддиапазонов, например: 70 дБ, 90 дБ, 110 дБ и 130 дБ, начиная с верхнего, в соответствии с уровнем входного сигнала; требуется выбрать измеряемую характеристику. Можно включить или отключить автоматическое повторение измерительного цикла. Необходимо так же установить одну из временных характеристик усреднения, временной отрезок и другие параметры измерений.
Результат измерения обновляется один раз в секунду. Выводимое на экран значение представляет результат, измеренный в течение последней секунды. Результаты измерений сохраняются в буфере. Объем буфера позволяет сохранить 100 результатов измерений. Содержание буфера всегда очищается после начала нового измерения. Все результаты измерений могут быть сохранены в виде файлов. Прибор может также отражать график последовательных измерений во временном отрезке.
Современные электронные аналитические приборы содержат в себе электронные компоненты, например, микроконтроллеры, флэш-память, операционные усилители и другие элементы, которые появились в последнее время и дают выигрыш по каким-либо параметрам.
Микроконтроллеры (микроЭВМ) - это самые главные и сложные элементы электронной схемы. Они выполняют заложенную в прибор программу. В качестве главного микроконтроллера, для взаимодействия с оператором, передачи данных и т.п. применяются микроЭВМ серии МК51. Это удачная и хорошо себя зарекомендовавшая серия, поддерживаемая и успешно развиваемая производителями. Разумеется, в приборы устанавливаются современные микросхемы серии, с необходимым быстродействием и объемом памяти.
Другой тип контроллеров необходим там, где требуется немедленная реакция на входной сигнал. Для этого применяются быстродействующие RISC-микроконтроллеры серии АУК. Время отклика на входное воздействие в них исчисляется наносекундами.
Флэш-память - это память, которая способна долгое время хранить записанную информацию без внешнего электрического питания. Большинство производителей таких микросхем устанавливает гарантированный срок хранения информации 100 лет. При этом неоднократно, в любой момент, можно ее изменить. В такой памяти приборы сохраняют всевозможные настройки, градуировочные характеристики электродных систем и пр.
Микросхемы флэш-памяти позволяют отказаться от резервного питания в приборах. Например, от литиевых элементов, которые требуют периодической замены.
Операционные усилители - это аналоговые микросхемы. От них в первую очередь зависят метрологические параметры приборов. Например, во входных усилителях рН-метров/иономеров применены микросхемы со сверхвысоким входным сопротивлением. В других узлах необходимо малое собственное смещение. Везде актуален малый температурный дрейф, от которого зависит устойчивость прибора к колебаниям температуры.
Необходимо также отметить, что современные измерители могут быть исполнены в виде портативного прибора или предназначены для установки на лабораторный стол. Многие приборы могут быть подключены к персональному компьютеру для сохранения данных измерений (при условии, что установлено соответствующее программное обеспечение).
Таким образом, учебный эксперимент по экологии и безопасности жизнедеятельности организованный с использованием измерительных приборов повышает эффективность экологического образования и воспитания и формирует специальную компетенцию необходимую для профессиональной деятельности в области экологической безопасности. При этом в качестве
объекта исследования может выступать среда вуза (водопроводная вода, шумовое загрязнение компьютерных классов, рекреаций и пр.), что является действенным фактором проектирования экологически безопасной образовательной среды вуза. Проектирование экологически безопасной образовательной среды должно способствовать гармонизации процесса взаимодействия личности и окружающего мира природы за счет усиления образовательного влияния на субъектов образования [1, 4].
Список литературы
1. Алисов Е.А. Педагогическое проектирование экологически безопасной образовательной среды: Автореферат дис. ... д.п.н. М., 2011. 40 с.
2. Гинко В.И. Эксперимент как активная форма обучения экологии и
безопасности жизнедеятельности // В мире научных открытий. 2011. №10. С. 235-240.
3. Измерение параметров электрического и магнитного полей:
Методическое пособие по выполнению лабораторной работы для студентов спец. 330200 «Инженерная защита окружающей среды» / Сост. М.Э. Гусельников, М.Д. Кветко; Том. политех. ун-т. Томск, 2004. 17 с.
4. Кисляков П.А. Формирование экологически безопасной
образовательной среды вуза // Современные исследования социальных проблем (электронный научный журнал). Красноярск: Научно-инновационный центр, 2011. №4(08). ЦКЬ: http://sisp.nkras.ru/issues/2011/4/kislyakov.pdf (дата
обращения: 17.02.2012).
5. Руководство по использованию нитрат-тестера СОЭКС. иКЬ: http://meddostavka52.ru/load/instrukcii/rukovodstvo_po_ispolzovaniju_nitrat_testera _soehks/1-1-0-22 (дата обращения: 17.11.2012).
References
1. Alisov E.A. Dis. ... d-ra ped. nauk “Pedagogicheskoe proektirovanie ekologicheski bezopasnoy obrazovatel'noy sredy” [Thesis Dr. of Ped. Sc.: “Instructional design environmentally safe learning environment”]. Moscow, 2011. 402 p.
2. Ginko V.I. V mire nauchnyh otkrytij [In the world of discoveries], no. 10 (2011): 235-240.
3. Guselnikov M.E., Kvetko M.D. Izmerenie parametrov elektricheskogo i magnitnogo poley [Measuring the parameters of the electric and magnetic fields]. Tomsk, 2004. 17 p.
4. Kislyakov P.A. Sovremennye issledovaniya sotsial'nykh problem [Modern Research of Social Problems], no. 4 (2011).
http://sisp.nkras.ru/issues/2011/4/kislyakov.pdf (accessed February 17 2012).
5. Rukovodstvo po ispol'zovaniyu nitrat-testera SOEKS [Guidelines for use
of nitrate-tester SOEKS].
http://meddostavka52.ru/load/instrukcii/rukovodstvo_po_ispolzovaniju_nitrat_testera _soehks/1-1-0-22 (accessed 17 November 2012).
ДАННЫЕ ОБ АВТОРАХ
Гинко Владимир Иванович, доцент кафедры экологии и безопасности жизнедеятельности, кандидат педагогических наук Гинко Марина Сергеевна, программист
Шуйский государственный педагогический университет
ул. Кооперативная, д.24, г. Шуя, Ивановская область, 155908, Россия
e-mail: vigin220177@rambler. ru
DATA ABOUT THE AUTHORS
Ginko Vladimir Ivanovich, docent of department of ecology and life safety, Ph.D. in Pedagogical Science
Ginko Marina Sergeevna, programmer
Shuya State Pedagogical University
24, Kooperativnaya street, Shuya, Ivanovo Region, 155908, Russia e-mail: vigin220177@rambler. ru
Рецензент:
Кисляков П.А., декан технологического факультета, кандидат педагогических наук, ФГБОУ ВПО «Шуйский государственный педагогический университет»
