5.11. Для оценки экологического состояния водоема

Наличие загрязнений поверхности водоёма взвесями ила и углеводородами (жидкими и твердыми) влияет на тепло- и массообмен над морем. За счет этого меняются характеристики гидрофизических параметров водоема и его продуктивность. Так, в последние годы исследователи связывают повышение уровня Каспийского моря с наличием нефтяной пленки: присутствие ее на поверхности воды увеличивает температуру и уменьшает испарение. Учитывая это, были исследованы зависимости прироста температуры t от плотности загрязнения поверхности водоёма нефтяной пленкой, в частности от продолжительности Т её существования, скорости испарения влаги, а также от толщины пленки и средней скорости ветра V и его направления. При этом использованы материалы исследований, проведенные на островах Пир-Аллахы и Нефтяные Камни (Каспийское море) в 1998÷2001 г.г. и в Таганрогском заливе (Азовское море) в 2002÷2005 г.г.

На рис. 5.11.1 приведены результаты измерений приращения температуры t=f(S) и снижения содержания кислорода k=f(S) в поверхностном слое (20 см) воды при разных значениях S площади загрязнения зеркала воды (5 и 10 % соответственно).

Рис. 5.11.1

Сопротивление пленки нефтепродуктов теплообмену поверхности водоема с атмосферным воздухом оценивается по

R=LE+P+Δr£,

где Δr – изменение теплосодержания за время Т в вертикальной колонке, £ – суммарный поток тепла через вертикальную поверхность этой колонки за время Т. Для количественной оценки влияния нефтяной пленки на испарение исследовано отношение E_B /E_H в зависимости от времени Т. Здесь Е_В – испарение от чистой поверхности воды, Е_Н – испарение от загрязненной нефтью поверхности воды.

Начальный рост E_B/E_H связан с тем, что после появления нефтепродуктов на поверхности воды имеет место неоднородность, зависящая от характера изменчивости скорости ветра и состояния поверхности. Следует отметить, что отношение E_B/E_H, в зависимости от толщины пленки, может достигать увеличения в 50÷60 раз, т. е. в присутствии нефтяной пленки испарение может уменьшаться более, чем на порядок относительно испарения с поверхности чистой воды.

Используя полученные данные, численное значение E_H (для скорости испарения в присутствии нефтяной пленки) достаточно убедительно описывается выражением вида:

,

где V – средняя скорость ветра; t_H – температура воды при наличии нефтяной пленки; t_B – температура воздуха.

Содержание минеральных составляющих в воде оценивалось инструментальными средствами, что, в отношении растворенного в воде О₂, отражено на рис. 5.11.1. Но так как загрязнения поверхности водоема ведут и к повышению t, и к снижению содержания О₂ в воде, и к ухудшению условий фотосинтеза планктона, то продуктивность водоема снижается, что с экологической точки зрения представляется пагубным.

5.12. Для оценки работоспособности сердца человека

Одним из важнейших показателей состояния организма человека является работа его сердца. Частота сокращений сердца, его тахикардия и аритмия, артериальное давление крови человека характеризуют как его физическое, так и психическое состояние. Кроме того, динамика выше перечисленных характеристик сердечной деятельности служит предвестником изменения физического состояния организма.

Для оценки сердечной деятельности находят применение различные аналоговые и цифровые средства, зачастую громоздкие, энергоёмкие, и ограниченных функциональных возможностей. Кроме того, быстродействие, репрезентативность и достоверность получаемой на выходе информации ряда устройств часто оказываются недостаточными.

Так, в практике терапевта имеют место субъективные погрешности, вносимые зашумленностью пространства наблюдения, отвлекающими разговорами и потерей внимания. В практике управления высокодинамичными эргатическими объектами с человеком-оператором в контуре управления, например летательными аппаратами, инерционность информации о состоянии человека-оператора – дорогостоящее упущение.

Решение задачи расширения функциональных возможностей средств контроля работы сердца человека, при параллельном повышении их быстродействия, репрезентативности и достоверности результатов контроля достигается электронными средствами. Для контроля и диагностики сердечной деятельности человека приемлем тестер терапевта, структура которого приведена на рис. 5.12.1.

Этот тестер включает датчик пульса сокращений сердца (Д), генератор тактовых импульсов (ГИ), блоки контроля частоты пульса сердца (БКЧП), его аритмии (БКАС), артериального давления (БКАД) и предупредительной сигнализации (БПС).

Рис. 5.12.1

БКЧП (см. рис. 5.12.2) содержит элементы И (&), кольцевой регистр сдвига (РС), триггер (Тр), формирователь импульсов (Ф), элемент задержки (З), счетчик импульсов (СИ), регистр памяти результата контроля (измерения) (Р) и индикатор результата контроля (измерения) (И).

Рис. 5.12.2

БКАС (см. рис. 5.12.3) содержит источник постоянного потенциала (ИП), задатчик (Зд), пороговый элемент (ПЭ), формирователи импульсов (Ф), регистр сдвига (РС), элементы задержки (З), элементы И (&), счетчики импульсов (СИ), элементы ИЛИ (1), арифметический блок (АБ), регистр памяти результата контроля (измерения) (Р) и индикатор результата контроля (И).

Рис. 5.12.3

БКАД (см. рис. 5.12.4) включает обратный преобразователь, включающий упор (магнитопровод) (У) и соленоид (С) содержащий в, свою очередь, катушку, сердечник (постоянный магнит, мембрану и шток, элементы И (&), триггеры (Тр), формирователи импульсов (Ф), элементы задержки (З), счетчик импульсов (СИ), цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), регистры памяти результата контроля (измерения) (Р) и индикаторы результата контроля (И).

Рис. 5.12.4

А БПС (см. рис. 5.12.5) содержит задатчики допустимых значений контролируемых параметров (Зд), элементы сравнения (ЭС), элемент ИЛИ (1) и предупредительный сигнализатор (ПС), причем, датчик пульса сердца вмонтирован в шток соленоида или в упор (У) обратного преобразователя.

Рис. 5.12.5

Тестер терапевта, поблочно, работает следующим образом. В исходном состоянии палец О объекта контроля размещается в скобе обратного преобразователя, на оси его соленоида, а генератор импульсов ГИ вырабатывает импульсы высокого потенциала с постоянной частотой f. В БКЧП каждым импульсом с выхода генератора ГИ единичный потенциал последовательно пробегает все разряды регистра РС и за полный цикл работы регистра сдвига РС однозначно определяется значение частоты сокращений сердца Nf₁, а содержимое его регистра памяти результата контроля Р, отражаемое индикатором И, несет объективную информацию о частоте сердечных сокращений, тахикардии. В БКАС задатчиком Зд устанавливается значение порога срабатывания порогового элемента ПЭ, по переднему фронту каждого импульса высокого потенциала с выхода датчика Д и порогового элемента ПЭ состояние регистра сдвига РС изменяется. За полный цикл работы регистра сдвига РС в счетчиках СИ фиксируются число импульсов N_СИ1 и N_СИ2, пропорциональное периодам следования пульсов сердца. В арифметическом блоке АБ вычисляется значение N_АБ=N_СИ1/N_СИ2 при N_СИ1<N_СИ2, или N_СИ2/N_СИ1 при N_СИ1>N_СИ2, а так как N_СИ1=T₁f, и N_СИ2=T₂f, где T₁ и T₂ – периоды следования пульсов сердца, то N_АБ=N_СИ1/N_СИ2=T₁/T₂ или N_АБ=N_СИ2/N_СИ1=T₂/T₁. Аритмия 1, а на выходе арифметического блока АБ генерируется значение N_АБ (0<N_АБ<1), тогда N_АБ=, т.е. в регистре Р результата оценки (контроля) аритмии сердца по каждой последовательности из четырех импульсов сердечных сокращений фиксируется относительный коэффициент ритмичности работы сердца, а численные значения аритмии сердечной деятельности, содержимое выходов регистра Р, отображаемое индикатором И, =N_АБ  искомый результат. В БКАД датчик Д пульса сердца, по каждому импульсу артериального давления (сокращения сердца), генерирует единственный импульс высокого потенциала, которым изменяется состояние выходов счетчика импульсов СИ дискретно во времени, с периодом T=1/f, на одну дискрету (единицу), в результате чего и состояние выхода ЦАП также изменяется, а следовательно, и значение тока I_у в катушке соленоида 42 изменяется. За полный цикл работы счетчика СИ пилообразно, от нуля до максимума (или наоборот) изменяется и положение катушки, мембраны и штока, но тогда пилообразно изменяется и сила в осевом направлении, в сторону упора, но тогда расположенная между штоком и упором ногтевая фаланга О пальца человека подвергается механическому воздействию по пилообразному во времени закону. При изменении тока в катушке соленоида С его сила F через шток воздействует на палец человека и создает давление на артерию P(t)=F(t)/S (здесь S – площадь механического контакта с пальцем человека), по первому импульсу с выхода датчика Д, при Р_а=Р_ав=Р_в(t)0 и при Р_а=Р_ан=Р_н(t)0) содержимое счетчика СИ N_СИР_ав (Р_ан) фиксируется регистрами Р и отображается индикаторами И. таким образом в одном из регистров зафиксировано значение Р_а=Р_ав (Р_а=Р_ан), а в другом – значение Р_а=Р_ан (Р_а=Р_ав). В БПС допустимые значения контролируемых параметров сравниваются с их фактическими значениями, а при выходе хотя бы одного из них предупредительный сигнализатор срабатывает, генерирует звуковой и/или оптический сигнал, информируя об этом наблюдателя.

Для нужд терапевта или в быту приемлем низковольтный портативный, карманный тестер

Визуализируемая информация объективно отражает факты артериального давления крови Р_а, частоты пульса F_п, аритмии сердца , и выхода хотя бы одного из этих параметров за поле их допуска, т. е. при выполнении любого неравенства Р_а<Р_ан=Р_{ан доп.}, Р_а>Р_ав=Р_ав, >_доп.,_. F_п<F_{п мин доп.} и/или F_п>F_{п макс доп.}

Для нужд летательных аппаратов обратный преобразователь с датчиком может быть выносным, вмонтирован в штурвал управления, например под левую руку. Выходы регистров блоков БКЧП, БКАС, БКАД и БПС (выход элемента ИЛИ БПС) допустимо соединить с системой технического контроля летательного аппарата или по каналу связи с диспетчером пункта управления полетами.

Таким образом, тестер терапевта (тестер работы сердца человека) обеспечивает получение предупредительной сигнализации о выходе хотя бы одного контролируемого параметра за поле его допуска, информация в регистрах Р, отображаемая индикаторами И, выражена численно, не зависит от субъективных факторов наблюдателя, генерируется в масштабе реального времени, репрезентативна и достоверна. Достоинством тестера является и то, что артерия фаланги пережимается только периодически, чем обеспечивается возможность длительной регистрации кривых изменения аритмии сердца, его частоты и артериального (систолического и диастолического) давления, а также возможность объективно, в реальном масштабе времени, получать предупреждение о нарушении работы сердца. Последнее особенно важно в отношении высокодинамичных эргатических систем (например, самолетов, вертолетов, автотранспортных средств и др.) с человеком-оператором в контуре управления, так как сигнал о выходе любого из контролируемых параметров за допустимые пределы может быть использован в целях недопущения аварийных ситуаций со значительными людскими и материальными потерями.

Выходную информацию о работе сердца человека-оператора допустимо, наравне с информацией о техническом состоянии эргатической системы, фиксировать на машинных носителях или по каналу связи передавать на диспетчерский пункт управления полетами, для предупреждения нештатных ситуаций и анализа нарушений функционирования системы в целом.