Фактори та параметри навколишнього середовища

Метод має ті самі переваги та недоліки, що й нейтронний метод. Додатковою перевагою є можливість вимірювань на незначних горизонтальних та вертикальних відстанях. До додаткових недоліків можна віднести вплив неоднорідності ґрунтової густини та вмісту води на роздільну здатність методу, необхідність збігання двох отворів - від джерела та детектора, висока ціна та трудомісткість процесу вимірювань.

Діелектричний метод ґрунтується на вимірюванні частотної залежності комплексної діелектричної проникності ґрунту.

Діелектрична проникність речовини характеризує поляризацію діелектриків під впливом зовнішнього електричного поля. Вона показує, у скільки разів сила взаємодії між зарядами у вакуумі перевищує силу взаємодії між тими ж зарядами в даному середовищі. Через екранізацію вільних зарядів зв’язаними, що утворюються внаслідок поляризації середовища, виникає ослаблення взаємодії зарядів. Діелектрична проникність води є майже сталою величиною (близько 80), тоді як діелектрична проникність ґрунту дуже чутлива до об’ємної вологості ґрунту. Наприклад, зміні вмісту води у ґрунті від 20% до 21,8% відповідає зміна діелектричної проникності ґрунту від 3 до 5.

На практиці вимірювання діелектричної проникності ґрунту здійснюють за допомогою декількох підходів:

- визначення опору між двома електродами, розміщеними в ґрунті. Сенсор такого типу компактний, але проблема полягає в тому, що опір ґрунту істотно залежить від концентрації іонів в ґрунті, через що процес вимірювань потребує калібрування;

- вимірювання ємності конденсатора, який утворюється вологим ґрунтом між двома обкладинками. Цей метод характеризується невисокою вартістю, швидкодією та може бути застосований в автоматизованих системах вимірювання вологості ґрунту. Недоліком методу є необхідність калібрування.

Діелектричні методи характеризуються здатністю давати абсолютні величини вмісту води у ґрунті, вони можуть постачати інформацію з будь-якої глибини ґрунту з високою точністю.

Метод часової рефлектометрії передбачає генерацію високочастотного електромагнітного імпульсу та його поширення у грунт за допомогою двоелектродної або коаксіальної лінії (рис. 3.5).

При цьому вимірюється час між моментом посилання імпульсу та його реєстрації приймачем після відбивання від ґрунту.

Перевагою методу часової рефлектометри є швидкодія; метод дає змогу вимірювання об’ємної вологості ґрунту і не потребує калібрування. До недоліку слід віднести вплив солоності води на результати вимірювань.

 

 

 

1. Виникнення вітру та його параметри

 

Рух повітря відносно земної поверхні називається вітром.

Утворення повітряних потоків відбувається завдяки дії таких чинників, як:

- градієнти тиску, що забезпечують рух повітря від зони високого тиску до зони низького;

- гравітаційна сила, що прискорює рух повітря до величини g = 9,8 м ∙ с2. Дія вертикального градієнта тиску врівноважується гравітаційною силою;

- сила тертя(F). Сила тертя пропорційна швидкості вітру і має протилежний останньому напрямок;

- сила Коріоліса, що відхиляє напрямок руху повітря (вправо в Північній півкулі, вліво - в Південній);

- відцентрова сила. За великих швидкостей і малих радіусів кривизни вона може значно перевищувати градієнтну силу (тропічні циклони, смерчі).

 

Основні параметри вітру - швидкість, напрямок і поривчастість.

Швидкість вітру вимірюється в м/сек., хоча можуть застосовуватися такі одиниці як вузол або км /год.

Швидкість вітру оцінюється за допомогою шкали Бофорта (табл. 4.1).

 

Напрямок вітру визначають щодо сторін світу і позначають або в румбах (8 або 16): північний, північно-східний, східний тощо, або в поділках: одна поділка містить 5о або 10о, залежно від необхідної точності вимірювань.

Поривчастість вітру - це стрибкоподібні підсилення і послаблення швидкості вітру.

Розглянемо повітряні потоки, що можуть викликати стресові ситуації.

Смерч - сильний вітер у вигляді горловини з вертикальною віссю, що має велику швидкість обертання. В Америці його називають торнадо. Причиною смерчу є великі градієнти тиску, нестійкість нижнього шару атмосфери (до2 км), що виникає при зіткненні сухих холодних повітряних мас з теплими й вологими. Для оцінки смерчів використовують шкалу Фудзі (табл. 4.2.)

 

Урагани - тропічні циклони, швидкість яких досягає 80 м/сек. Термін «ураган» стосується екстремальних вітрів, що виникають у північній Атлантиці; аналогічні явища у Тихому океані називають тайфунами. Тривалість ураганів від 1 до 30 днів. Оцінюють урагани за шкалою Сафіра-Сімсона (табл. 4.3).

 

 

2. Прилади для вимірювання параметрів вітру

 

Прилади, що визначають швидкість руху повітряних потоків, називаються анемометрами. Принцип їх дії полягає в перетворенні енергії поступального руху повітря в механічне обертання різноманітних вітрових коліс або гвинтів. Найбільш поширеними є анемометри чашечкового та пропелерного типу.

Анемометр чашечкового типу складається з трьох-чотирьох напівсферичних чашок, що обертаються навколо осі, перпендикулярної напрямку вітру (рис. 4.1, 4.2).

 

Для перетворення механічних обертань у сигнал, що інформує про швидкість вітру, використовують електричні генератори, оптікоелектричні або ємнісні перетворювачі. Перевагою чашечкових анемометрів є лінійна залежність швидкості від швидкості вітру за умови, що коефіцієнти зчеплення сталі (для анемометрів чашечкового типу ця умова виконується). Порогова чутливість чашечкового анемометра становить 0,9...2,24 м/сек. Анемометри цього типу прості й чутливі.

Анемометр пропелерного типу має три - чотирилопатевий пропелер, вісь якого показує напрямок вітру (рис.4.3).

 

Гранична чутливість пропелерного анемометра становить 1,1 м/сек. Використовують ці прилади для вимірювання швидкості вітру до 90 м/сек. Перевагою анемометра пропелерного типу, порівняно з чашечковим, є його мала вага (пропелер може бути виготовлений з пластмаси), у три рази більша швидкість обертання і здатність вимірювань слабких повітряних потоків.

Трубка Піто має вигляд циліндра з двома отворами, один з яких спрямований у напрямку руху повітря і призначений для вимірювання загального тиску (статичного р і динамічного pV/2), а інший - збоку, що дає змогу вимірювати тільки статичний тиск р. Різниця тисків, вимірюються диференційним манометром (рис. 4.4).

 

Анемометри цього типу використовують для вимірювань швидкостей вітру у межах 2...3 м/сек. Звичайно ці анемометри застосовують переважно в метеорології, а не для вимірювання параметрів навколишнього середовища.

 

Термоанемометр ґрунтується на реєстрації впливу повітряного потоку на температуру нагрітого провідника або тіла.

Анемометри цього типу чутливі до зміни як швидкості вітру, так і температури.

Ультразвуковий анемометр використовує той факт, що звук (ультразвук) поширюється швидше у напрямку, в якому діє вітер. Звичайно ультразвуковий анемометр вимірює три компоненти вітрового вектора у тривимірному просторі.

Величина швидкостей вітру, які вимірюють ультразвукові анемометри, досягає 30 м/сек. Недоліком ультразвукових анемометрів є залежність швидкості поширення ультразвуку від температури, вологості, атмосферного тиску, що потребує відповідного калібрування приладів. Крім того, електронне обладнання підвищує вартість приладів цього типу.

Допплерівський анемометр діє на основі ефекту Допплера: при опромінюванні об’єкта, що рухається зі швидкістю F, ультразвуковою хвилею певної довжини λ, відбувається розсіювання хвилі, причому частота (довжина) розсіяної ультразвукової хвилі залежить від швидкості руху об’єкта.

Допплерівські анемометри здатні вимірювати швидкість вітру на висотах до 1 км; точність вимірювання становить 5%.

Для визначення напрямку вітру використовують флюгери, що мають вигляд металевої пластини прямокутної форми, яка обертається навколо вертикальної осі. Передача інформації про напрямок вітру в сучасних приладах здійснюється за допомогою потенціометра, зміна положення реохорда в якому спричиняє відповідну зміну електричного струму, що проходить через статор приймальної системи, викликаючи обертання ротора цієї системи та стрілки індикатора. Точність визначення напрямку вітру потенціометричною системою становить ±3о.

Для одночасного вимірювання швидкості і напрямку руху повітря використовують анеморумбометр. Кількість обертань повітряного гвинта цього приладу перетворюється в послідовність електричних імпульсів, частота яких пропорційна швидкості вітру, а фазовий зсув залежить від напрямку.

За нормами міжнародної метеорологічної організації, прилади, призначені для вимірювання напрямку вітру, повинні визначати напрямок вітру в інтервалі швидкостей 0,5...50 м/сек. з роздільною здатністю ±2...±5°.

 

1. Вібрації

 

1.1. Оцінка вібрацій

Вібрації (від лат. vibratio «коливання») - механічні коливання матеріальних систем, що відбуваються з великою (більше одного коливання за секунду) частотою та невеликою амплітудою.

Транспортні засоби, промислові агрегати, будівельні механізми й машини є джерелами вимушених і механічних коливань, що утворюються в ґрунті. Основна частина коливальної енергії переноситься поверхневими хвилями, які поширюються в приповерхневому шарі ґрунту (10...15 м). Землетруси є також джерелами коливань земної поверхні та підземних поштовхів, що викликаються природними чинниками.

Динамічний вплив джерел вібрації оцінюють швидкістю вібрації, яка вимірюється в мм/сек. Нормою вібраційних впливів є рівень 0,12 мм/сек. Інтенсивність вібраційного поля залежить від відстані до джерела.

Вібрацію оцінюють за рівнями коливальних (вібраційних) швидкостей в октавних смугах частот (в децибелах).

 

1.2. Перетворювачі вібрацій

Залежно від параметрів, що вимірюються (зміщення, швидкість, прискорення, фаза, частота), розрізняють такі прилади як віброметри, велометри, акселерометри, фазометри, частотоміри. Пристрій, що перетворює вібраційні параметри у відповідний електричний сигнал, називається перетворювачем. Розглянемо принцип дії основних типів перетворювачів.

Перетворювачі опору. В основі принципу дії цих приладів лежить перетворення механічного руху в зміну електричного опору за допомогою реостата або напівпровідника, що викликає відповідні зміни напруги чи струму в системі реєстрації. 

 

П’єзоелектричні перетворювачі ґрунтуються на явищі п’єзоелектричного ефекту - здатності деяких матеріалів (кварц, турмалін, сульфат натрію) утворювати електричні заряди під час деформації або механічної напруги.

Під час вібрування основи на поверхнях кристалу виникає напруга, пропорційна прискоренню. Перевагою такого перетворювача є компактність, висока чутливість, здатність давати показники в широкому частотному діапазоні.

 

Електродинамічні перетворювачі. Принцип дії перетворювача цього типу полягає у виникненні напруги на кінцях провідника у формі котушки під час його руху в магнітному полі.

 

Диференційний перетворювач. Конструкція цього типу перетворювача передбачає наявність первинної котушки в центрі і двох вторинних котушок по боках. Всі три котушки мають спільне магнітне осердя, механічно пов’язане з об’єктом, що вібрує. Первинна котушка приєднана до джерела струму (рис. 5.4). Під час руху осердя завдяки явищу електромагнітної індукції на вторинних котушках виникають напруги, які дорівнюють одна одній, але змінюються в протифазі, коли осердя знаходиться посередині. За зміщення осердя на клемах вторинних котушок виникає різницева напруга, величина якої залежить від зміщення осердя, а полярність - від напрямку його руху.

Фотоелектричний перетворювач складається з електричного моста, одне плече якого - фоторезистор, який розміщують на тілі, що коливається, і освітлюють через діафрагму. Під час коливань відбуваються зміщення фоторезистора, рівень освітлення змінюється, що впливає на величину опору цього плеча і дисбаланс моста.

Лазерний віброметр. На об’єкт, вібрації якого оцінюються, спрямовують випромінювання СО2-лазера (10,6 мкм). Відбите випромінювання накладається на падаюче випромінювання і утворює биття, характер якого залежить від руху об’єкта. Для збільшення чутливості приладу промінь лазера модулюють за частотою. Перевагою приладу є висока чутливість, що досягає 50 нм, а також здатність дистанційного вимірювання вібрацій.

 

1.3. Оцінка землетрусів

Землетруси характеризуються графічним розподілом місць виникнення поштовхів (гіпоцентрів), інтенсивністю, тривалістю, механізмами виникнення та руйнуваннями, які вони спричинюють. Залежно від глибини h виникнення гіпоцентрів (яка може простягатися до 700 км) землетруси ділять на поверхневі (h < 30 км), проміжні (Н =30...300 км) і глибокі (h > 300 км). Розміщена над гіпоцентром ділянка земної поверхні, в межах якої інтенсивність поштовхів досягає найбільшої величини, називається епіцентром.

Є два підходи до оцінки інтенсивності землетрусів.