Состояние и перспективы развития аппаратуры для экологических газортутных измерений.

Гладков С.Ю. НПЭФ «ЭкОН» ,

 Семенов В.В. ФГУ НПП «Геологоразведка»

С середины восьмидесятых годов в связи с началом серийного производства газортутного анализатора АГП-01  газортутные измерения широко вошли в измерительную практику санитарных служб и экологических организаций. Благодаря этим исследованиям  сформировались довольно четкие представления о масштабах загрязнения парами ртути как производственных помещений, так и объектов коммунальной сферы. Разработан целый ряд нормативных и методических документов по измерениям и общим вопросам «ртутной»  безопасности. Одновременно вырабатывались новые требования к аппаратуре,  начались  работы по совершенствованию приборной базы, направленнные на улучшение эргономических и метрологических  характеристик анализаторов  (прежде всего снижение веса, уменьшение погрешности, сокращение времени измерений). Были реализованы принципиально новые походы к поиску скрытых источников паров ртути, основанные на фиксации пространственных градиентов концентраций. Разработаны принципы организации территориального  газортутного мониторинга и массовых профилактических обследований.

В настоящее время наряду с последней модификацией анализатора АГП-01-2М  выпускаются более совершенные анализатоы, основанные на тех же физических принципах (атомная абсорбция с накоплением ртути на золотом коллекторе), это анализаторы второго поколения  ЭГРА-01 (рис. 1) и  УКР-1МЦ (рис. 2).

Главной отличительной чертой  анализаторов второго поколения является  отсутствие  кюветы сравнения, вместо которой используется делитель светового потока.  Основное назначение опорной кюветы  в двухлучевой схеме (анализатор АГП-01)  - компенсация неселективного поглощения за счет изменения яркости свечения лампы. Поскольку лампа является нелинейным элементом такая регулировка не всегда оказывается эффективной. В анализаторах второго поколения компенсация неселективного поглощения осуществляется системой автобалансировки за счет дополнительного смещения сигнала в измерительном канале. Эта оптическая схема обладает большей стабильностью и позволяет облегчить прибор и сделать его более компактным.

Электропневматическая схема анализатора второго поколения представлена на рисунке 3.

Рисунок 3. Электропневматическая схема анализатора.

Спектральная лампа (Hg-лампа), возбуждаемая электромагнитным полем генератора высокой частоты (ГВЧ), излучает свет с длиной волны 253,7 нм, который поступает на делитель светового потока. Затем световой поток поступает на опорный (непосредственно) и измерительный (через кювету) фотоэлементы. Фототоки фотоэлементов преобразуются в предварительном усилителе в напряжения, пропорциональные световым потокам. Напряжение с предварительного усилителя поступает на дифференциальный регулируемый усилитель, формирующий разностный сигнал, пропорциональный поглощению светового потока в кювете. Выходной сигнал усилителя с помощью АЦП преобразовывается в цифровой код и передаётся в основной контроллер для необходимых вычислений. Для рационального использования динамического диапазона АЦП перед началом измерений напряжение баланса на его входе устанавливается при помощи регулируемого усилителя в интервале 90-110 мВ. Балансировка усилителя осуществляется основным контроллером автоматически.

Контроллер представляет собой  микропроцессор с необходимым набором функциональных узлов и интерфейсов. Он управляет работой анализатора, производит необходимые вычисления  и поддерживает диалог оператор-анализатор, используя шестиразрядный семисегментный индикатор и трёхкнопочную клавиатуру. Вспомогательный контроллер управляет электромотором компрессора с целью поддержания постоянного расхода воздуха в пневмотракте. Датчиком расхода воздуха служит ротаметр.  Для повышения точности измерений в анализаторе осуществляется стабилизация светового потока спектральной лампы путём управления мощностью ГВЧ в зависимости от величины фототока опорного фотоэлемента. 

Одновременно более активно стали внедряться в аналитическую практику атомно-абсорбционные анализаторы, использующие эффект Зеемана (РА-915 и РГА-11), предлагаются анализаторы  существующие пока в виде опытных образцов (КОМАР, АГП-01СТ). Следует почеркнуть, что  появление относительно большого числа моделей газортутных анализаторов  связано с одной стороны с разнообразием решаемых с помощью этих приборов аналитических задач и желанием разработчиков достичь наилучших технических показателей на определенном  направлении, с другой стороны  с реальной конкуренцией в этом секторе рынка и попытками решить проблему конкуренции чисто «рыночными» методами. Технические характеристики современных газортутных анализаторов  представлены в таблице 1.

Как видно из данных таблицы анализаторы основанные на методе ААС с предварительным накоплением претерпели за последние 10 лет значительные изменения. Наличие режима «Поиск», т.е. совмещение в одном приборе двух методов измерения стало обязательным. Благодаря применению новой оптики и современной электроники анализаторы УКР-1МЦ и ЭГРА-01 кардинально отличаются от своего прототипа АГП-01 по чувствительности, динамическому диапазону, производительности и другим возможностям и практически не уступают по этим показателям анализатору РА-915 с зееманоской коррекцией. К сожалению  этого нельзя сказать о новом анализаторе АГП-01-2М, метрологические характеристики которого лишь незначительно отличаются от характеристик прототипа АГП-01.

В настоящее время при проведении экологических газортутных измерений  решаются следующие практические задачи: а) определение  территориального  фонового уровня  загрязнения воздушной среды парами ртути (фоновый газортутный мониторинг), б)  подтвержденее отсутствия локальных и скрытых источников выделения паров ртути на местности и в закрытых помещениях (профилактические обследования),  в) выявленее расположения скрытых источников паров ртути в загрязненных помещениях (поисковые обследования), г)  установление уровней загрязнения воздушной среды парами ртути при наличии загрязнения ( контрольные обследования)  д) установление уровней загрязнения воздушной среды при аварийных проливах ртути и в специальных «ртутных» цехах  (технологические измерения).  Наблюдаемые уровни содержания паров ртути в воздухе, характерные для перечисленных выше задач представлены в таблице 2.   

Исходя из данных таблиц 1 и 2 может быть построена  шкала применимости анализаторов для решения целевых измерительных задач. По метрлогическим характеристикам все приборы распределены на три группы по отношению к каждой из  целевых измерительных   задач.  Первая группа – приборы, позволяющие решить целевую задачу оптимальным образом. Вторая группа – приборы, позволющие решить целевую задачу при использовании дополнительных методических приемов. Третья группа – приборы, позволяющие  решить целевую задачу в ограниченном интервале параметров. В эту же группу должны быть отнесены приборы не удовлетворяющие дополнительным требованиям (таблица 2).  В каждой выделенной группе приборы размещены по убыванию экспертной оценки, учитывающей относительную погрешность измерений, вес прибора, производительность, наличие дополнительных  возможностей, методических рекомендаций и др.  Результаты  распределения приборов по группам представлены в таблице 3.

Из проведенного анализа видно, что в настоящее время  для решения практически любой измерительной задачи имеется несколько вариантов выбора.  В этих условиях  больший вес в принятии решения о выборе прибора приобретают  стоимостные характеристики, надежность, межповерочный интервал, наличие сервисной службы. Вместе с тем,  если  в  работах лаборатории запланированы большие объемы профилактических обследований предпочтение при выборе анализатора может быть отдано ААС с зееманвской коррекцией РА-915 или РГА-11, при необходимости проведения поисковых работ и  контрольных  обследовний выбор следует сделать в пользу традиционных анализаторов.

По показателям чувствительности и точности лучшие российские ртутные анализаторы РА-915, УКР-1МЦ, ЭГРА-01 близки друг к другу и, по нашему мнению, по этим параметрам доведены до предельных возможных величин. Поэтому дальнейшее развитие аппаратуры пойдет в направлении  улучшения эргономических характеристик, прежде всего в снижении веса и габаритов приборов. Следует ожидать, что при улучшении экономической ситуации будет закрыт имеющийся пробел по созданию анализатора для  решения технологических задач.