Экологическая ситуация и экологические проблемы городов

Состояние окружающей среды служит одним из важнейших параметров, определяющих качество жизни населения на территории муниципального образования.

Экологическая безопасность территории - существенный компонент общественной безопасности, поэтому муниципальная власть, особенно в городах с неблагополучной экологической ситуацией, должна вырабатывать и реализовывать местную экологическую политику, увязанную с экологической политикой государства и направленную на охрану окружающей среды от неблагоприятных техногенных воздействий. Проведение эффективной муниципальной экологической политики позитивно влияет на экологическую ситуацию не только в конкретном муниципальном образовании, но и в регионе и в государстве в целом. И наоборот, муниципальное образование с неблагоприятной экологической ситуацией, как подсистема государства и региона, вправе рассчитывать на участие государства и на привлечение его ресурсных возможностей для исправления той Р1ЛИ иной ситуации.

Острота экологических проблем, необходимость обеспечения экологической безопасности и рационального использования природных ресурсов осознаны сегодня во всем мире. Целью государственной политики РФ в области охраны окружающей среды и природопользования является сбалансированное решение социально-экономических и экологических задач в интересах нынешнего и будущих поколений. Основные загрязнители окружающей среды на муниципальных территориях показаны на рисунке. Предприятия, добывающие и перерабатывающие полезные ископаемые, разрушают почвенный слой, загрязняют его отходами, нарушают режим подземных вод, иногда полностью уничтожают малые реки. Предприятия энергетической отрасли, использующие различные виды топлива, являются крупнейшими источниками загрязнения воздушного бассейна. Промышленные предприятия, использующие отсталые технологии, не обеспечивающие комплексного и безотходного (или малоотходного) использования всех видов ресурсов, загрязняют воздушный бассейн, водоемы и почвенный слой различными видами производственных отходов. Особенно это относится к предприятиям химической, металлургической и некоторых других отраслей промышленности. При этом нельзя не отметить стремления отдельных хозяйствующих субъектов получать максимум от использования природных ресурсов соответствующих территорий при минимуме ответственности за состояние природной среды.

Автомобильный транспорт - особо опасный загрязнитель воздушного бассейна, поскольку он функционирует в непосредственной близости от жилой застройки и мест массового скопления людей.

Экологическая ситуация характеризуется следующими составляющими.

Решение многих научных и технических проблем связано с измерением интервалов времени, разделяющих два характерных момента какого-либо процесса. Измерения интервалов времени необходимы при разработке и испытании всевозможных схем задержки и синхронизации, при исследовании цифровых систем, многоканальных систем с временным разделением каналов, применяемых в технике связи и радиотелеметрии, устройств телеуправления и автоматической коммутации, аппаратуры, используемой в ядерной физике, вычислительной технике и т. д. Подобные измерения особенно нужны в приборостроении, поскольку во многих случаях используемые в ней преобразования аналоговых величин в цифровой код осуществляются в результате промежуточного преобразования измеряемой физической величины в интервал времени.

Методы измерения интервалов времени разнообразны. К числу наиболее известных относятся методы дискретного счета преобразования интервала времени в цифровой код, временных разверток, нулевой и совпадения. Процесс измерения интервалов времени можно осуществить многими методами. Рассмотрим некоторые из них.

1) Метод последовательного счета. Измерение заключается в сравнении измеряемого интервала времени Дtx с дискретным интервалом, воспроизводящим единицу времени. Для этого измеряемый интервал Дtx заполняется импульсами с известным образцовым периодом следования Tобр<

Для аппаратурного осуществления описанного метода необходимы генератор счетных импульсов и счетчик, между которыми должна быть включена схема, открывающая счетчик на время Дtx. Эту функцию выполняет временной селектор, представляющий собой логический элемент И (рисунок 1).

Счетные импульсы, непрерывно поступающие на вход 1 временного селектора, могут проходить в счетчик только тогда, когда на входе 2 селектора действует стробирующий импульс. Он формируется из исследуемого сигнала устройством, содержащимся в блоке формирования и управления. За время действия стробирующего импульса, длительность которого равна измеряемому интервалу Дtx, счетчик считает импульсы генератора. Число импульсов, зафиксированное счетчиком и наблюдаемое с помощью цифрового отображающего устройства - дисплея, однозначно соответствует измеряемому интервалу Дtx.

В измерительной технике импульс, вырезающий участок импульсной последовательности или задающий продолжительность счета, принято называть временными воротами.

Таким же способом можно измерить и длительность прямоугольного импульса фи. В этом случае исследуемый импульс подается непосредственно на вход 2 селектора. Временные ворота получаются равными длительности фи.

Интервал времени можно преобразовать в пропорциональное число импульсов и с помощью генератора ударного возбуждения. Для этого на вход последнего нужно подать стробирующий импульс, длительность которого равна измеряемому интервалу времени, т. е. фстр = Дtx. За время действия стробирующего импульса фстр генератор вырабатывает пакет импульсов, число p которых - однозначная функция частоты генерируемого сигнала и длительности стробирующего импульса: p = фстр · F.


2) Измерение методом сравнения временных интервалов

Измеритель временных интервалов (ИВИ) предназначен для измерения временных интервалов периодических процессов микросекундного диапазона длительностей. В основу работы прибора положен компенсационный метод измерения временных интервалов. Измеряемый интервал сравнивается с известным; при этом известный временной интервал задается источником временных сдвигов (ИВС), а момент компенсации измеряемого временного интервала образцовым фиксируется с помощью осциллографического индикатора. Процесс измерения временных интервалов сводится к следующему: начало измеряемого интервала, подаваемого на вход системы вертикального отклонения индикатора, совмещают с визирной отметкой на экране ЭЛТ. Затем изменением задержки задержанного импульса ИВС, запускающего развертку индикатора, конец временного интервала совмещают с той же отметкой. Измеряемый интервал равен значению изменения задержки. Источник временных сдвигов позволяет получить два импульса с регулируемым временным сдвигом между ними: запускающий импульс - для запуска исследуемого устройства; задержанный импульс - для запуска ждущей развертки электронно-лучевого индикатора ИВИ. Принцип действия поясняется структурной схемой (рисунок 3).

Кварцевый генератор предназначен для создания опорной импульсной последовательности. Делитель частоты вырабатывает импульсы, определяющие период следования выходных импульсов. С помощью блоков переменной задержки Й и ЙЙ осуществляется задержка дискретно через 100 нс запускающего и задержанного импульсов в диапазонах соответственно 0 - 900 нс и 0 - 999900 нс путем выбора нужных импульсов опорной последовательности 10 МГц. Переменная задержка предназначена для перекрытия диапазона временных сдвигов 0-100 нс задержанного импульса. Причем дискретные сдвиги по 10 нс создаются с помощью кабельной линии задержки, а сдвиги дискретно через 1 нс и плавно с помощью электронной схемы задержки. Селекторы предназначены для исключения нестабильности работы блоков переменной задержки Й и ЙЙ. Блоки взаимодействуют следующим образом. Период следования выходных импульсов после делителя определяет период следования выходных импульсов ИВС (запускающего и опорного). Этим импульсы открывают входы блоков задержки Й и ЙЙ в каналах запускающего и задержанного импульсов, на которые подаются опорные импульсы. Блоки отсчитывают нужное количество импульсов, соответствующее установленной задержке, и открывают селекторы. Происходит выбор нужных опорных импульсов, которые в канале запускающего импульса поступают непосредственно на выходной формирователь, а в канале задержанного импульса - предварительно на электронную схему задержки (задержка ЙЙЙ). Описанный метод измерения временных интервалов реализован в измерителе И2-26, который обеспечивает измерение задержки между одинаковыми сигналами на одном уровне в диапазоне от 10·10-9 до 10·10-3 с.

3) Нониусный метод. Для измерения временных интервалов с субнаносекундным разрешением широко применяются нониусные измерители. Наиболее распространены комбинированные измерители, в которых временной интервал «грубо кодируется» импульсами опорного генератора, а интерполяция отрезков между границами интервала и фронтами импульсов опорного генератора производится нониусным методом. Для таких измерителей актуальна задача обеспечения точной стыковки основной и интерполирующей шкал, решаемая довольно сложными техническими приемами.

Эта проблема отсутствует при использовании «модифицированного» нониусного метода, в котором подсчет импульсов опорного генератора производится между моментами совпадения фаз опорного и нониусного сигналов. Его основное преимущество - значительное снижение погрешности?2..

Мирский Г. Я. Электронные измерения 4-е изд перераб. и доп. М. Радио и связь, 1986. 440 с. ил. А. С. 9711527328 RU 2127445 C1 кл. G04F1004 РФ Быстродействующий нониусный измеритель временных интервалов Гурин Е. И Дятлов Л. Е Конов Н. Н Назаров В. М. опубликовано 10.03.1999 А. С. 9711527328 RU 97115273 А кл. G04F1004 РФ

В данной статье было разработано устройство измерения временных интервалов. По заданию временной интервал может лежать в пределах 1мс- 32С.

Дляизмерения временного интервала между двумя событиями, необходимо измеряемыйинтервал «заполнить» импульсами, а затем сосчитать количество импульсов.

Применительнок микроконтроллеру это означает:

Поопределению события, соответествущего началу временного интервала, запустить«генератор», производящий последовательность импульсовопределеннойдлительности,

Организовать подсчет импульсов данной последовательности,

Пособытию, соответествущего концувременного интервала, остановить «генератор»,

-«выдать» значение количества импульсов в заданные порты,

-«обнулить» значение счетчика импульсов

Функциональная схема измерения временных интервалов

Описание алгоритма работы устройства.

В начале программы перечисляются все вектора прерываний этого процессора, первым прерываниемявляется вектор сброса (rjmp RESET ).

В этой подпрограммеинициализируются необходимые периферийные узлы микроконтроллера, а именно:

Порт А настраивается на вывод

Порт С настраивается на вывод

Порт D настраивается на ввод

Настраивается прерывание int 1 (прерывание по спаду импульса)

Настраивается прерывание int 0 (прерывание по фронту импульса)

Определяется вершина стека

Инициализирующая часть программы заканчивается командой SEI – разрешение работы прерываний

По пришествии фронта импульса (на выводе int 1(PD 3)), генерируется прерывание int 1, счетчик команд«уходит» их основного цикла в таблицу векторов прерываний на адрес $000 4, там находится команда перехода на обработчик прерывания EXT _ INT 1.

В подпрограмме обработки прерывания производитсянастройка таймера-счетчика Т0.

Таймеру задается число для сравнения (125), значениепредделителя (8), режим работы (сброс по совпадению). Это означает, что восемьтактов работы процессора значение в счетчике будет увеличиваться. Когда онодостигнет 125, (125*8=1000, при тактовой частоте в 1МГц, период тактовойчастоты достигнет 1 мкс, 1000 мкс - 1мсек) возникнет прерывание по совпадениюТ0. Таким образом, каждую 1мсек, Т0 будет вызывать прерывание. Командой reti , обработчик прерываниязаканчивается, счетчик команд возвращается в основной цикл (туда, где был допрерывания).

Каждую1мсекТ0 вызывет прерывание TIM0_COMP. Вэтом прерываниипроизводится однаоперация – увеличение регистровой пары Z на единицу. На этом прерывание изаканчивается.

По пришествии спада импульса(на выводе int0 (PD2)), генерируется прерывание int0. В этой подпрограммесодержимое индексного регистра Z копируется в порты (А и С), далее содержимое счетного регистра обнуляется.Следом останавливается таймер-счетчик Т0 (в управляющий регистр счетчиказаносится 0). На этом прерывание заканчивается.

Принципиальная электрическая схема

Различают два основных метода измерения периода и временных интервалов: осциллографический и электронно-счетный.

Измерение временных интервалов с помощью осциллографа производится по осциллограмме исследуемого напряжения с использованием линейной развертки. Из-за значительных погрешностей отсчета начала и конца интервала, а также из-за нелинейности развертки общая погрешность измерения временных интервалов составляет единицы процентов. Значительно меньшая погрешность свойственна специализированным измерителям временных интервалов со спиральной разверткой.

В настоящее время наиболее распространены электронно-счетные методы измерения периода и временного интервала. При измерении весьма малых временных интервалов удобны методы преобразования. На основе этих методов созданы умножители интервала - устройства, позволяющие расширить измеряемый интервал в заданное число раз. Умножители часто используются совместно с электронно-счетными приборами.

10.1 Электронно-счетный измеритель временного интервала

Структурная схема измерителя временного интервала показана на рис. 6.1, . Исследуемые напряжения U x 1 и U x 2 подводят по двум каналам к формирующим устройствам. Когда эти напряжения достигают опорных уровней U 01 и (U 02 , на выходе формирующих устройств возникают короткие импульсы U H и U K , соответствующие началу и концу измеряемого интервала времени Тх. Эти импульсы воздействуют на триггер, выходной импульс которого на время Тх отпирает селектор.

За время действия импульса счетные импульсы с известным периодом T 0 , поступающие с генератора, фиксируются счетчиком.

Их число N пропорционально измеряемому временному интервалу и считывается с отсчетного устройства,

Схема измерителя периода отличается от рассмотренной тем, что импульсы начала и конца интервала, равного периоду повторения исследуемого напряжения, формируются в одном канале, а вторая схема формирования отсутствует.

Период счетных импульсов Т 0 выбирается кратным 10 - k , с, где k - целое число.

Систематиескую составляющую нестабильности счетных импульсов можно уменьшить, периодически корректируя частоту генератора.

Погрешность дискретности, для ее уменьшения следует увеличивать частоту генератора, максимальное значение которой ограничено быстродействием используемого счетчика. В настоящее время лучшие серийно выпускаемые счетчики работают до частот в сотни мегагерц. Погрешность дискретности можно несколько уменьшить, применяя генератор счетных импульсов с ударным возбуждением, запускаемый импульсом UH.

Если прибор предназначен для измерения времени задержки в исследуемом устройстве, то импульс начала интервала можно синхронизировать со счетными импульсами. В состав измерителя временного интервала вводят делитель частоты, запускаемый счетными импульсами. Импульс с выхода -делителя запускает исследуемое устройство. Из-за нестабильности времени.задержки в делителе не удается полностью устранить погрешность начала.


Точность измерений можно значительно повысить, применяя специальные методы, рассмотренные далее.

Если измеряемый интервал повторяется, то погрешность дискретности можно снизить, увеличивая измеряемый интервал в целое число раз или проводя многократные измерения.

10.2 Измерение частоты

Измерение частоты является одной из важнейших задач, решаемых в радиотехнике. Частота может быть измерена с очень высокой точностью, поэтому получили широкое распространение методы измерения различных параметров с предварительным преобразованием их в частоту и измерением последней.

Существуют следующие основные методы измерения частоты; электронно-счетный, заряда и разряда конденсатора, сравнения измеряемой частоты с образцовой, а также с помощью избирательных пассивных цепей.

Электронно-счетный метод заключается в счете числа, периодов неизвестной частоты в течение образцового интервала времени электронным счетчиком, быстродействие которого ограничивает диапазон измеряемых частот 100...500 МГц. Большие частоты приходится преобразовывать, понижая их до указанных пределов. Цифровые измерители частоты позволяют получить относительную погрешность измерения частоты порядка 10 -11 и менее в. диапазоне до сотен гигагерц.

Метод заряда и разряда конденсатора состоит в измерении среднего значения тока заряда или разряда конденсатора, пропорционального частоте измеряемого колебания. Метод пригоден, для измерения частот до сотен килогерц с погрешностью порядка 1%.

Измерение частоты путем сравнения с образцовой может производиться в широком диапазоне частот, включая СВЧ. Погрешность измерения зависит главным образом от погрешности определения образцовой частоты и может составлять до 10 -13 .

Измерение частоты с помощью избирательных пассивных цепей: резонансных контуров и резонаторов-сводится к настройке цепи в резонанс, значение измеряемой частоты считывается со шкалы элемента настройки. Погрешность измерения составляет до 10 -4 .

Таким образом, наиболее точные результаты дают методы электронно-счетный и сравнения, что обусловлено наличием квантовых эталонов частоты, лучшие образцы которых характеризуются нестабильностью частоты до 10 -13 . Например, водородные стандарты частоты, выпускаемые промышленностью, позволяют получить образцовые частоты с нестабильностью 5 … 10 -13 за сутки.

Проведение точных измерений требует знания не только номинального значения образцовой частоты, но и некоторых других параметров, характеризующих ее нестабильность.

10.3 Электронно-счетный метод измерения частоты

Электронно-счетный метод основан на счете числа импульсов неизвестной частотой повторения fx на известном стабильном по длительности интервале времени. Упрощенная структурная схема частотомера (рис. 8,2, а) подобна схеме измерителя временного интервала.

Частота кварцевого генератора выбирается равной n*10 k Гц, где k - целое число, а значение коэффициента деления n бывает кратным десяти. Поэтому число зафиксированных счетчиком импульсов N соответствует значению измеряемой частоты в выбранных единицах. Значение f 0 считывается с отсчетного устройства прибора.

Измерение частоты путем заряда и разряда конденсатора

Этот метод положен в основу работы частотомера, схема которого показана на. рис. 8.4, а. Напряжение U г с частотой f x поступает на усилитель-ограничитель (рис. 8.4, б). Его выходное напряжение U 2 , имеющее форму прямоугольных импульсов, воздействует на цепь, состоящую из конденсатора С и диодов Д1 и Д2. Пусть в начальный момент времени напряжение на конденсаторе Uс = U2- Постоянную времени заряда выбирают много меньшей половины периода входного напряжения. Среднее значение тока заряда конденсатора, проходящего через диод Д1 и магнитоэлектрический прибор,

пропорциональна частоте fx, поэтому шкалу магнитоэлектрического прибора градуируют в значениях измеряемой частоты.

Частотомеры рассмотренного типа работают в диапазоне от десятков герц до единиц мегагерц. Этот диапазон частот перекрывается несколькими поддиапазонами с разными пределами измерений Переход с предела на предел достигается сменой емкости, которая выбирается такой, чтобы на предельных частотах поддиапазонов средний ток прибора был достаточным для отклонения стрелки на всю шкалу.

Измерение частоты путем сравнения с образцовой

При этом методе измеряемая частота fx сравнивается о известной частотой f 0 генератора колебаний образцовой частоты. Перестраивая последний, добиваются выполнения равенства

где Δσp1 - погрешность сравнения частот.

Погрешность сравнения частот зависит от способа индикации равенства частот. В некоторых приборах для индикации равенства применяют смеситель и головные телефоны (рис. 8.5, а). Под действием колебаний образцовой и измеряемой частот в смесителе возникают колебания комбинационных частот вида mfx ±. nf 0 , где m и n - целые числа. Если сигнал разностной частоты попадает в полосу пропускания головных телефонов, то оператор слышит тон этой частоты. Изменяя f 0 следует добиться наиболее низкого тона, который для различных типов головных телефонов составляет десятки герц.

Поскольку при измерениях частота неизвестна, то метод неоднозначен и до измерений необходимо знать приближенное значение f x . Рассмотренный метод измерения частот иногда называют методом нулевых биений.

Измерения производят методом вилки. Погрешность сравнения при этом составляет 10...30 Гц.

10.4 Измерение частоты с помощью избирательных пассивных цепей

Измерение этим способом сводится к настройке избирательной цепи на частоту сигнала. Частоту отсчитывают по положению элемента настройки. Такими цепями могут быть мостовые схемы и колебательные контуры. В настоящее время мостовые измерители частоты, область применения которых ограничена низкими частотами, полностью вытеснены приборами других типов. Практическое применение нашли лишь измерители частоты с использованием резонансного контура, называемые резонансными волномерами. Эти простые приборы охватывают частотный диапазон от сотен килогерц до сотен гигагерц. Упрощенная схема резонансного волномера с контуром показанa рис. 8.8. Напряжение неизвестной частоты fx через катушку связи Lсв подводится к контуру, состоящему из образцовых катушки L и переменного конденсатора С Настройка контура производится изменением емкости, Состояние резонанса определяется магнитоэлектрическим прибором по максимуму напряжения на части катушки. Значение измеренной частоты считывается со шкалы конденсатора.

Погрешность измерения частоты с помощью резонансных волномеров определяется следующими основными факторами: погрешностью градуировки, нестабильностью резонансной частоты колебательной системы, влиянием связи с генератором и индикатором, неточностью фиксации резонанса. Погрешность градуировки может быть большой, если появляются неисправности в механизме настройки, который имеет довольно сложную конструкцию. Эта погрешность возрастает вследствие износа деталей механизма, появления перекосов и люфтов.

За счет связи с индикатором и источником измеряемой частоты в резонатор вносятся активные и реактивные сопротивления. Рост активных потерь уменьшает добротность, а непостоянство вносимых реактивных сопротивлений приводит к смещению резонанса. Уменьшение погрешностей, обусловленных влиянием индикатора и источника сигнала, достигается уменьшением связи. Но при этом уменьшается подводимое к детектору напряжение и в схему после детектора приходится вводить усилители.