pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2020-11-2-114-121pimi-648Research ArticleСредства измеренийMeasuring instrumentsСистема лазерного мониторинга загрязнений водной среды с применением относительного описания формы сигналовSystem of Laser Monitoring of Water Pollution with Application of Relative Description of Signal ShapeАлексеевВ. А.AlekseevV. A.

ул. Студенческая, 7, Ижевск 426069

ЮранС. И.YuranS. I.

Адрес для переписки: С.И. Юран – Ижевская государственная сельскохозяйственная академия, ул. Студенческая, 11, Ижевск 426069, Россия    e-mail: yuran-49@yandex.ru

yuran-49@yandex.ruУсольцевВ. П.UsoltsevV. P.

ул. Студенческая, 7, Ижевск 426069

ШульминД. Н.ShulminD. N.

ул. Студенческая, 7, Ижевск 426069

Ижевский государственный технический университет имени М.Т. КалашниковаРоссияKalashnikov Izhevsk State Technical UniversityRussian FederationИжевская государственная сельскохозяйственная академияРоссияIzhevsk State Agricultural AcademyRussian Federation202026062020112114121Copyright © Алексеев В.А., Юран С.И., Усольцев В.П., Шульмин Д.Н., 20202020Алексеев В.А., Юран С.И., Усольцев В.П., Шульмин Д.Н.Alekseev V.A., Yuran S.I., Usoltsev V.P., Shulmin D.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/648

Как правило, система очистки сточных вод не рассчитана на фильтрацию веществ, образованных в результате запроектной аварии. Характер запроектной аварии связан с кратковременным появлением сгустка этих веществ в сточных водах, определяемый объёмом ёмкости хранения веществ. Поэтому рациональным подходом является отведение этой порции образовавшихся веществ в отдельную ветвь сточной системы или отстойники. Целью работы являлась реализация указанного подхода путем создания системы лазерного мониторинга загрязнений водной среды.

В статье предлагается система автоматического обнаружения сгустка аварийного сброса загрязняющих веществ в сточные воды промышленного предприятия. Приведена структурная схема системы и назначение основных её элементов. Система должна обеспечить обнаружение сгустков в реальном масштабе времени. Для обеспечения этой функции предварительно проводится исследование спектральных характеристик всех веществ, возможных к появлению в сточных водах в случае аварийной ситуации.

На основании этих данных выбираются длины волн лазерного излучения в системе. Полученные данные измерений от нескольких зондов представляются в виде решётчатой функции, которая переводится в относительное описание, представляющее матрицу отношения порядка на множестве составляющих решётчатой функции. Относительное описание инвариантно к линейным изменениям решётчатой функции. Решение об обнаружении какого-либо вещества из аварийных сбросов принимается на основании сравнения относительного описания измерений с эталонами, подготовленными на стадии настройки системы.

Приведён пример формирования эталонов для аварийных сгустков из глицерина и аллилового спирта. Приведены графики решётчатых функций, полученных из ИК-спектров аварийных сбросов этих веществ; алгоритмы построения решётчатой функции и сравнения решётчатых функций.

Таким образом, с помощью разработанного математического описания формы цифровых сигналов на основе относительного описания может быть описан сигнал кривой мониторинга в виде кривой изменения оптической плотности водной среды.

As a rule, the wastewater treatment system is not designed to filter substances formed, as a result of beyond design basis accident. The nature of the beyond design basis accident is associated with the shortterm appearance of a clot of these substances in wastewater, determined by the volume of the substance storage tank. Therefore, a rational approach is to divert this portion of the formed substances into a separate branch of the sewage system or sedimentation tanks. The aim of the work is to implement this approach by creating a laser monitoring system for water pollution.

The article proposes a system for automatic detection of a clot of emergency discharge of pollutants into the wastewater of an industrial enterprise. The structural diagram of the system and the purpose of its main elements are given. The system should provide clot detection in real time. To ensure this function, a preliminary study is made of the spectral characteristics of all substances that may appear in wastewater in the event of an emergency.

Based on these data, the wavelengths of laser radiation in the system are selected. The obtained measurement data from several probes are presented in the form of a lattice function, which is translated into a relative description representing the order relationship matrix on the set of lattice function components. The relative description is invariant to linear changes in the lattice function. The decision to detect any substance from emergency discharges is made based on a comparison of the relative description of the measurements with the standards prepared at the stage of system setup.

The article provides an example of the formation of standards for emergency clots from glycerin and allyl alcohol. The graphs of the lattice functions obtained from the IR spectra of emergency discharges of these substances are given; algorithms for constructing a lattice function and comparison of lattice functions. Thus, using the developed mathematical description of the shape of digital signals based on the relative description, the signal of the monitoring curve can be described in the form of a curve of the optical density change of an aqueous medium.

аварийные сбросысгустокспектроскопиялазерный зондотносительное описаниеdischargesclotspectroscopylaser proberelative descriptionReferencesDrugov Yu.S., Rodin A.A. Ekologicheskie analizy pri razlivah nefti i nefteproduktov [Environ-mental analyses in oil and oil product spills]. Moscow, BINOM. Knowledge lab Publ., 2014, 270 p.Drugov Yu.S., Rodin A.A. Ekologicheskie analizy pri razlivah nefti i nefteproduktov [Environ-mental analyses in oil and oil product spills]. Moscow, BINOM. Knowledge lab Publ., 2014, 270 p.Kopyltsova A.B., Tarasov B.P., Klim O.V. Modern practice and problems when using industrial and laboratory spectrophotometer analyzers of the physicochemical properties of petroleum and petroleum products. Measurement techniques, 2013, vol. 56, no. 3, pp. 322–327. DOI: 4 https://doi.org/10.1007/s11018-013-0203-4Kopyltsova A.B., Tarasov B.P., Klim O.V. Modern practice and problems when using industrial and laboratory spectrophotometer analyzers of the physicochemical properties of petroleum and petroleum products. Measurement techniques, 2013, vol. 56, no. 3, pp. 322–327. DOI: 4 https://doi.org/10.1007/s11018-013-0203-4Website of Hach Company. TU5300sc / TU5400sc Online Laser Turbi-dimeters. Available at: https:// www.hach.com/turbidity-analyzers/tu5300sc-tu5400sc. (accessed 03.04.2020).Website of Hach Company. TU5300sc / TU5400sc Online Laser Turbi-dimeters. Available at: https:// www.hach.com/turbidity-analyzers/tu5300sc-tu5400sc. (accessed 03.04.2020).Akimov V.A. Prirodnye i tekhnogennye chrezvychajnye situacii: opasnosti, ugrozy, riski [Natural and technogenic emergencies: dangers, threats, risks]. Moscow, Delovoy Express Publ., 2001, 341 p.Akimov V.A. Prirodnye i tekhnogennye chrezvychajnye situacii: opasnosti, ugrozy, riski [Natural and technogenic emergencies: dangers, threats, risks]. Moscow, Delovoy Express Publ., 2001, 341 p.Bonitenko Y.Y., Nikiforov A.M. CHrezvychajnye situacii himicheskoj prirody [Emergency chemical nature]. Saint Petersburg, Hippocrates Publ., 2004, 464 p.Bonitenko Y.Y., Nikiforov A.M. CHrezvychajnye situacii himicheskoj prirody [Emergency chemical nature]. Saint Petersburg, Hippocrates Publ., 2004, 464 p.Gabrichidze T.G. Osnovy kompleksnoj sistemy bezopasnosti kriticheski vazhnyh (potencial'no opasnyh) ob"ektov municipal'nogo i regional'nogo urovnej [Fundamentals of the integrated security system of critically important (potentially dangerous) objects of municipal and regional levels]. Samara, SamNC RAS Publ. House, 2012, 390 p.Gabrichidze T.G. Osnovy kompleksnoj sistemy bezopasnosti kriticheski vazhnyh (potencial'no opasnyh) ob"ektov municipal'nogo i regional'nogo urovnej [Fundamentals of the integrated security system of critically important (potentially dangerous) objects of municipal and regional levels]. Samara, SamNC RAS Publ. House, 2012, 390 p.Shahmaryan M.A., Akimov V.A., Kozlov K.A. [Ural region of Russia – natural, man-made and environmental hazards]. Ekologiya i promyshlennost' Rossii [Ecology and industry of Russia], 2002, no. 3, pp. 4–8 (in Russian).Shahmaryan M.A., Akimov V.A., Kozlov K.A. [Ural region of Russia – natural, man-made and environmental hazards]. Ekologiya i promyshlennost' Rossii [Ecology and industry of Russia], 2002, no. 3, pp. 4–8 (in Russian).Obukhov A.E. Optical spectroscopy and the structure of polyfunctional hydrocarbon compounds and oil products. Optics and Spectroscopy, 2018, vol. 124, no. 5, pp. 696–702. DOI: https://doi.org/10.1134/S0030400X18050168Obukhov A.E. Optical spectroscopy and the structure of polyfunctional hydrocarbon compounds and oil products. Optics and Spectroscopy, 2018, vol. 124, no. 5, pp. 696–702. DOI: https://doi.org/10.1134/S0030400X18050168Penkovsky A.I., Nikolaev V.F., Borovkova N.S. New optical methods and devices for analyzing the quality of motor fuels. Journal of Optical Technology, 2016, vol. 83, no. 4, pp. 244–248. DOI: https://doi.org/10.1364/JOT.83.000244Penkovsky A.I., Nikolaev V.F., Borovkova N.S. New optical methods and devices for analyzing the quality of motor fuels. Journal of Optical Technology, 2016, vol. 83, no. 4, pp. 244–248. DOI: https://doi.org/10.1364/JOT.83.000244Venzel’ V.I., Gorelov A.V., Egorova E.S., Kuznetsova N.Ya., Lavrent’ev, E.S. Obraztsov V.S., Sinel’nikov M.I. Monitoring the optical homogeneity of materials for the IR region. Journal of Optical Technology, 2014, vol. 81, no. 9, pp. 551–555. DOI: https://doi.org/10.1364/JOT.81.000551Venzel’ V.I., Gorelov A.V., Egorova E.S., Kuznetsova N.Ya., Lavrent’ev, E.S. Obraztsov V.S., Sinel’nikov M.I. Monitoring the optical homogeneity of materials for the IR region. Journal of Optical Technology, 2014, vol. 81, no. 9, pp. 551–555. DOI: https://doi.org/10.1364/JOT.81.000551Deck L. Multiple surface phase-shifting interferometry. Proc. SPIE 4451, Optical Manufacturing and Testing IV, 2001, pp. 424–431. DOI: https://doi.org/10.1117/12.453640Deck L. Multiple surface phase-shifting interferometry. Proc. SPIE 4451, Optical Manufacturing and Testing IV, 2001, pp. 424–431. DOI: https://doi.org/10.1117/12.453640Divyanin N.N., Rukosueva E.A., Garmash A.V., Beklemishev M.K. Recognition of model analyte mixtures in the presence of blood plasma using a mixture of fluorophores ("Fluorescent tongue"). Journal of Analytical Chemistry, 2018, vol. 73, pp. 1195–1201. DOI: https://doi.org/10.1134/S1061934818120043Divyanin N.N., Rukosueva E.A., Garmash A.V., Beklemishev M.K. Recognition of model analyte mixtures in the presence of blood plasma using a mixture of fluorophores ("Fluorescent tongue"). Journal of Analytical Chemistry, 2018, vol. 73, pp. 1195–1201. DOI: https://doi.org/10.1134/S1061934818120043Bhargava R. Infrared Spectroscopic Imaging: The Next Generation. Applied Spectroscopy, 2012, vol. 66, no. 10, pp. 1091–1120. DOI: 10.1366/12-06801Bhargava R. Infrared Spectroscopic Imaging: The Next Generation. Applied Spectroscopy, 2012, vol. 66, no. 10, pp. 1091–1120. DOI: 10.1366/12-06801SHrejder YU.A. Logika znakovyh sistem: elementy semiotiki [Logic of sign systems: elements of semiotics]. Moscow, Librocom Publ., 2012, 64 p.SHrejder YU.A. Logika znakovyh sistem: elementy semiotiki [Logic of sign systems: elements of semiotics]. Moscow, Librocom Publ., 2012, 64 p.Alekseev V.A., Dizendorf K.I., YUran S.I. [Classifier of pulse curves using ratio matrices]. Intellektual'nye sistemy v proizvodstve [Intelligent systems in manufacturing], 2010, no. 1(15), pp. 231–235 (in Russian).Alekseev V.A., Dizendorf K.I., YUran S.I. [Classifier of pulse curves using ratio matrices]. Intellektual'nye sistemy v proizvodstve [Intelligent systems in manufacturing], 2010, no. 1(15), pp. 231–235 (in Russian).Yannikov I.M., Alekseev V.A. [Construction of a classifier of lattice functions for a relative description of the results of biomonitoring of potentially dangerous objects]. Intellektual'nye sistemy v proizvodstve [Intelligent systems in manufacturing], 2009, no. 2(14), pp. 10–13 (in Russian).Yannikov I.M., Alekseev V.A. [Construction of a classifier of lattice functions for a relative description of the results of biomonitoring of potentially dangerous objects]. Intellektual'nye sistemy v proizvodstve [Intelligent systems in manufacturing], 2009, no. 2(14), pp. 10–13 (in Russian).Alekseev V.A., Usoltsev V.P., Yuran S.I., Shulmin D.N. [An automated system of volley water pollution control by optical methods]. Vestnik Permskogo nacional'nogo issledovatel'skogo politekhnicheskogo universiteta. Prikladnaya ekologiya. Urbanistika [PNRPU. Applied ecology. Urban development], 2018, no. 3, рр. 119–132 (in Russian). DOI: 10.15593/2409-5125/2018.03.10Alekseev V.A., Usoltsev V.P., Yuran S.I., Shulmin D.N. [An automated system of volley water pollution control by optical methods]. Vestnik Permskogo nacional'nogo issledovatel'skogo politekhnicheskogo universiteta. Prikladnaya ekologiya. Urbanistika [PNRPU. Applied ecology. Urban development], 2018, no. 3, рр. 119–132 (in Russian). DOI: 10.15593/2409-5125/2018.03.10

The authors declare that there are no conflicts of interest present.