MONITOROVÁNÍ ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ METODOU EIS

Transkript

1 MONITOROVÁNÍ ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ METODOU EIS Jana Pařílková Luboš Pařílek Zuzana Műnsterová Náměšť nad Oslavou Historie Vysokého učení technického v Brně (VUT v Brně) sahá až k 19. září 1899, kdy rakouský císař a uherský král František Josef I. podepsal dekret o založení české vysoké školy technické v Brně. Byla první českou vysokou školou na Moravě. Univerzita začínala se čtyřmi profesory a 47 posluchači a po více než 11 letech dospěla do pozice mezinárodně uznávané vzdělávací instituce, která nabízí současné špičkové vědecké a odborné znalosti na 8 fakultách a 2 vysokoškolských ústavech v široké škále oborů od technických, přírodovědných, přes ekonomické až po umělecké. ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ Životní prostředí je složitý systém složený z přírodních, umělých a sociálních složek materiálního světa, jež jsou nebo mohou být s uvažovaným objektem ve stálé interakci. Je to vše, co vytváří přirozené podmínky existence organismů, včetně člověka a je předpokladem jejich dalšího vývoje. Složkami je především ovzduší, voda, horniny, půda, organismy, ekosystémy a energie. Ministerstvo životního prostředí, 25; Zákon 17/1992 Sb. 2 MONITOROVÁNÍ Monitorování je systematické sledování vybraných veličin v prostoru a čase za účelem jejich porovnání a vyhodnocení. Každý monitorovací systém je tedy charakterizován oblastí, v nichž se provádí sběr dat, způsobem sběru dat (kontinuální, diskrétní) a množinou veličin, které se na dané oblasti sledují (bodově, plošně, objemově). Monitorování se týká celého procesu sběru, zpracování a využití environmentálních dat a informací. pevná částice obalová voda kapilární voda vzduch nebo gravitační voda Sledovaní elektrické impedance Z pórovitého prostředí a jejích změn (zatěžování vodou, změna obsahu vody, vlhkost, sací schopnost, infiltrace vody, vysoušení, šíření látek proměnných vodivostí, apod.), Složitost problému proudění tekutin pórovitým prostředím o nestacionární proudění, prostředí může být nasycené nenasycené, homogenní nehomogenní, izotropní neizotropní, různé materiálové, strukturální, granulometrické, atd. složení.

2 ELEKTRICKÁ IMPEDANČNÍ SPEKTROMETRIE Její popularita vzrostla na konci 2. století, uplatnila se při studiu fyzikálních a chemických vlastností organických a anorganických látek; Detekce zhoubných buněk v živých tkáních. glukometr Pendra (Zurich, Swiss), o Neinvazivní kontinuální měření obsahu cukru Lifegrad ICG impedanční kardiograf v krvi. (CAS Medical Systems, Inc., USA). o Impedanční kardiografie. o Skenování plic. o Detekce dutin v kmenech stromů. Skenování plic přístrojem OXBACT3 o Archeologický průzkum. EIT, (Universita Oxford Brookes, UK ). o Sledování chemické čistoty materiálů. o Detekce obsahu vody v látkách. o Stanovení koncentrace iontů v roztocích. o Monitorování vlhkosti zdiva. o Monitorování koroze železobetonových konstrukcí. Treetronic EIT, uprostřed sono o Nedestruktivní testování betonu (měření tomogram, EIT tomogram Z; zdroj: trhlin, rozložení konduktivity odpovídá obsahu vody uvnitř betonové desky, atd.). ( DE). o STANOVIŠTĚ4 STANOVIŠTĚ2 STANOVIŠTĚ3 STANOVIŠTĚ1 4, 3,5 h [m ] 3, 2,5 2, 1,5 n ávo dn í l íc 1, V z d u n ý líc,5,, 5, 1 G [S],1 5 FYZIKÁLNÍ PODSTATA METODY EIS n n Základním principem metody EIS je měření frekvenční charakteristiky elektrické impedance Z prostředí (organické i anorganické ). Elektrická impedance Z je komplexní veličina popisující zdánlivý odpor porézního prostředí a fázový posun elektrického napětí před elektrickým proudem při průchodu harmonického střídavého elektrického proudu (AC) určité frekvence. U Z= I Im Elektrická impedance Z je vždy větší nebo rovna reálnému elektrickému odporu R a obsahuje zdánlivý (jalový) elektrický odpor induktanci XL a kapacitanci XC. w = 2p f = R>>> W w Z= R+ j X Ohmův vztah pro AC obvody XC = 2p T Z Z X j R Re I 1 wc Vzdálenost elektrod snímače l je konstantní a malá (max. 2 m) silokřivky el. proudu I budou dané délkou l. Tok el. proudu I je podmíněn el. polem. Kolem vodiče se vytvoří kolmé magnetické pole. Rє(11 12) W I Zemina se chová Zemina se chová jako el. izolant. jako el. vodič. Výsledná indukčnost L bude obdobná indukčnosti přímého vodiče protékaného proudem, a bude pravděpodobně malá. Každý el. izolant lze polarizovat el. polem, tj. nabít jej elektrickým nábojem jako kapacitor. I suchá zemina se tedy projevuje kapacitou C. XL << XC.

3 Z-metr IV 1 Ω 1 Hz.2 V, ±2% z 1 MΩ 2 khz 1. V, rozsahu ±2 1, 8, USB 16, 32, SD karta interní, 64, externí ethernet 128, bluetooth 256 Bezpečnost práce Uživatelský program PŘÍKLADY POUŽÍVANÝCH SOND KONTAKTNÍ: mobilní stabilní; invazivní neinvazivní; laboratorní polní. Vyhodnocovací program Napájení Přepínač Počet kanálů Komunikační rozhraní Přesnost měření fáze Přesnost měření modulu Z Měřicí napětí Parametr Frekvenční rozsah TECHNICKÁ SPECIFIKACE Impedanční rozsah E!7614 LF1319 Metrologická návaznost, revizní zpráva, manuál. Dobíjecí bateriové články

4 APLIKACE V PORÉZNÍM PROSTŘEDÍ Vybrané aplikace aparatury ŽABČICE Stabilní sonda celkové délky,85 m, měření mobilní sondou, frekvenční analýza, odvození velikosti zrna matrice a písku, rozdílný travní porost. 1 m 1 m H_2_5 1 m G_2_5 G 5 F_2_5 F 5 E_2_5 E 5 FREKVENČNÍ ANALÝZA X [W] D_2_5 D 5 C_2_5 C 5 B_2_5 B 5 A_2_5 A_1_5 A 5 15/18 16 /1 8

5 Změny el. vodivosti s povětrnostními vlivy VL 1_2 R [W] 5 1 -, , , , , , , , ,9 VL 1_2 X [W] , , , , , , , ,8 -,9 VL 2_3 R [W] , , , , , , , , ,9 VL 2_3 X [W] , , , , , , ,7 -,8 -,9 VL 3_4 R [W] , , , , , , , , ,9 VL 3_4 X [W] , , , , , , , ,8 -, Mapy G (sucho) (popraskaná zemina) (po krátkém dešti, v Brně napršelo 21 mm) (déšť, v Brně 72 mm) (opět sucho)

6 Schéma hráze ZEMNÍ HRÁZ MALÉ VODNÍ NÁDRŽE Monitorování změn elektrické vodivosti od 8/26 do 12/212, kontrolní měření 216. Celková délka sondy 3,5 m. První měření úroveň je,15 m pod povrchem. Vzdálenost mezi sondami je 2, m. Délka elektrody i izolantu je,15 m průměr tyčí je,25 m. Měřicí frekvence je 8 khz. Ověření geoelektromagnetickou metodou (GEM) Kobeřice nádrž Bezedník III Relativní změna Gaktuální / Gpočáteční Nestabilní část je zobrazena modrou barvou, bezpečnostní přeliv zelenou a homogenní pískové hlíny materiálu červenou. Tomogram el. vodivosti, příčný řez. THE METER OF ELECTRICAL IMPEDANCE Z meter 3,5 m serial number of rods with electrodes m 12 1 monitoring profile downstream face upstream face n=1 n=2 n=3 n=4 n=5 n=6 n=7 n=8,5,5 area of increased moisture 1, 1, 1,5 P2 P1 water level in reservoir 1,5 m n=9 n = 1 n = 11 n = 12 P5 P4 P3 P6 rod with electrodes h =.2 m h =.5 m h =.8 m h = 1.1 m h = 1.4 m h = 1.7 m crown of dike electrode h = 2. m h = 2.3 m h = 2.6 m h = 2.9 m h = 3.2 m h = 3.5 m 2, 2,5 one electrode dike body 3, m evaluated points level of the dike bed 3,5,4,8 1,2 s[s/m] sensor L = 12 m length of the measured section 23 Výsledky GEM odpovídají zjištěním EIS.

7 Morfologie dna malé vodní nádrže R [W] Z VÝSLEDKŮ MONITOROVÁNÍ 25

8 ODKALOVACÍ NÁDRŽ RÝZMBURK Měření probíhalo v roce 26 a 27. Sledování hranice mezi vodou a kalem v usazovací nádrži, 2 stabilní sondy a 1 mobilní, dvousvorkové měření, doba měření v jedné svislé linii byla cca 2 minuty. STABILNÍ MĚŘICÍ ELEKTRODA 3,6 m Odkalovací nádrž Velký vliv počasí na měření. Z výsledků změn elektrické vodivosti lze odhadnout různé tloušťky kalu.

9 STABILNÍ MĚŘICÍ ELEKTRODA 6, m ZMĚNY KALU ROZHRANÍ URČENÉ RŮZNÝMI METODAMI Metoda hustotního rozhraní 1,2 m 2,2 m 2,9 m 3,6 3,3 3, 2,7 2,4 2,1 1,8 1,5 1,2,9,6,3, Echolot 1,5 m; 2,2 m 2 nezávislé metody,4,8 G [S] 6 5,7 5,4 5,1 4,8 4,5 4,2 3,9 3,6 3,3 3 2,7 2,4 2,1 1,8 1,5 1,2,9,6,3 stara dlouha nova u dlouhe,3,5,7,9 G [S] Echolot 2,1 m; 3,2 m Metoda hustotního rozhraní 2,3 m 3,3 m 3,7 m Stabilní systém 3,6 m sonda ,6 3,3 3, 2,7 2,4 2,1 1,8 1,5 1,2,9,6,3,,2,4,6,8,1,12 G [S] 6 5,7 5,4 5,1 4,8 4,5 4,2 3,9 3,6 3,3 3 2,7 2,4 2,1 1,8 1,5 1,2,9,6,3 Stabilní systém 6, m sonda ,2,4,6,8,1,12 G [S]

10 Z VÝSLEDKŮ MONITOROVÁNÍ První rozhraní mezi vodou a kalem, Porovnání v čase se satelitními snímky. Říjen 26 svislice č.12 prolifu 1 odkalovací nádrže,,1 profil 1 (první u návodního líce hráze),2 pozice měření 11 G [S] 11, , , ,5 15, 1 1, 2 2, 4 5 hloubka [m] 3 3, I II III 4, IV 5, V 6, 6 7, Říjen 27 Měřeno,52 m; 16 úrovní; aerace trvala 1 minut. Elektrické parametry snímány po (1, 2, 3, 4, 5, 6, 12 and 24) minutách, 24 hodinách a cca po 2 měsících , Aktivační nádrž ČOV Modřice 15 snímačů na sondě, celková délka 2 m. Měření Z-metrem III i Z-metrem IV. Různá intenzita provzdušnění, různé časové cykly, různá kvalita kalů. po 55 dnech 39 Mechanicky vyčištěná voda se přivede do 4 aktivačních nádrží biologického stupně, který je navržen jako aktivace s pre-denitrifikací a anaerobním odstraňováním fosforu. Celkový biologický objem nádrží je 11 3 m3. Každá nádrž má následující parametry objem m3, hloubka vody 6 m, objem anaerobní zóny 4, 2 m3, objem anoxické zóny DNRS 2, 25 m3, objem anoxické zóny 7 75 m3, objem provzdušňované zóny m3.

11 Z VÝSLEDKŮ MONITOROVÁNÍ SONDY Aerační zařízení jemné provzdušňování rov Sondy EIS vzduchové potrubí Kal KOMPOSTÁRNA NÁMĚŠŤ NAD OSLAVOU VÍCENICE VÝHODY NEVÝHODY kontaktní metoda, nutnost kalibrace, tj. jednoduchost, jednoznačnost, srozumitelnost, opakovatelnost, dostupnost. stanovení funkční závislosti mezi měřenými a požadovanými parametry. s.125 ST_1 R [ohm] X [ohm] 8 7 a podrcený surový bioodpad 2519,3-251,4 b bioodpad pro fázi provzdušňování 83,58-18,36 c zrající zavlažený kompost 16,8-1,5 d finální kompost před instalací na pole 21,6-25,3 s.5 s.1 s.15 s.2 achieve the desired temperature on T11 and T17 6 s [ms/m] vzorek t [s]

12