---

1.1. Объекты контроля
Объектами контроля в технической и экологической практике выступают вещества, материалы, изделия и природная среда. Вещества характеризуются агрегатным состоянием — газообразным, жидким или твёрдым, — а также совокупностью физических и физико-химических свойств: плотностью, вязкостью, электропроводностью, теплопроводностью, оптическими и магнитными характеристиками. Большинство реальных объектов представляют собой смеси веществ, поэтому важную роль играют способы выражения состава (массовая, объёмная, мольная доли и др.) и зависимости «состав – свойства», которые составляют методическую основу количественного аналитического контроля: измеряя физический параметр смеси, можно судить о её составе.
Изделие рассматривается как единица промышленной продукции, подлежащая классификации по назначению, конструктивным и технологическим признакам. Качество изделия описывается номенклатурой показателей: показателями назначения (функциональные характеристики), надёжности (безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость), взаимозаменяемости, точности изготовления, стабильности параметров во времени. Для комплексной оценки применяется квалиметрия — наука об измерении и оценке качества, позволяющая свести разнородные показатели к обобщённой оценке.
Природная среда рассматривается как самостоятельный объект экологического контроля, подверженный воздействию природных и антропогенных факторов. К антропогенным относят химическое загрязнение и физические воздействия — тепловое, электромагнитное, радиационное, вибрационное, акустическое. Для управления качеством среды применяется нормирование содержания загрязняющих веществ в воздухе, воде и почве, которое служит основой принятия решений о необходимости контроля и коррекции воздействия на среду.

1.2. Общие сведения о методах и приборах контроля
Технический контроль проходит несколько последовательных стадий: определение контролируемых параметров, выбор метода и средства контроля, проведение измерений, обработка результатов и принятие решения о соответствии объекта установленным требованиям. Различают виды технического контроля — по этапу жизненного цикла продукции (входной, операционный, приёмочный), по полноте охвата (сплошной, выборочный), по влиянию на объект (разрушающий и неразрушающий).
Измерения, выполняемые в процессе контроля, регламентируются методиками выполнения измерений (МВИ), которые устанавливают порядок операций, применяемые средства и допустимую погрешность. Выбор средства контроля определяется требуемой точностью, характером объекта, условиями эксплуатации и экономическими соображениями. Погрешности контроля складываются из погрешностей средств измерений, методических погрешностей и субъективных факторов оператора.
Принятие решений по результатам контроля носит вероятностный характер: возможны ошибки первого рода (браковка годного изделия) и второго рода (пропуск дефектного изделия), которые описываются условными вероятностями ошибочных и правильных решений. Достоверность контроля характеризует степень доверия к результатам. При выборочном контроле применяются статистические методы — планы контроля, оперативные характеристики, устанавливающие связь между объёмом выборки, приёмочным числом и риском поставщика/потребителя.
Методы контроля классифицируют по признаку контролируемых свойств — механические, тепловые, электрические, магнитные, акустические, оптические, радиационные и др., а также выделяют методы аналитического и неразрушающего контроля, которые комплексно применяются на производстве и при эксплуатации, что регламентируется государственными и международными стандартами.

1.3. Основы метрологии и метрологического обеспечения
Метрология — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Её задачи включают установление единиц физических величин, разработку методов и средств измерений, обеспечение единства измерений в стране. Физическая величина характеризуется размером и единицей измерения; совокупность взаимосвязанных единиц образует систему единиц (СИ), а анализ размерности позволяет проверять корректность формул и переводить единицы между системами.
Измерения классифицируют по способу получения результата на прямые, косвенные, совокупные и совместные; по характеру изменения измеряемой величины — на статические и динамические; по точности — на измерения максимально возможной, повышенной и технической точности. Методы измерений подразделяют на метод непосредственной оценки и методы сравнения с мерой (нулевой, дифференциальный, замещения).
Центральное место в метрологии занимает теория погрешностей. Погрешности классифицируют на систематические и случайные, подчиняющиеся вероятностным закономерностям, а также грубые (промахи). Случайные погрешности описываются типовыми законами распределения — чаще всего нормальным (Гаусса), реже равномерным. Численно погрешность характеризуется абсолютным, относительным и приведённым значениями, а также интервальными оценками — доверительным интервалом с заданной доверительной вероятностью.
Отдельно рассматриваются погрешности прямых измерений, косвенных измерений (вычисляемых через функциональную зависимость от нескольких прямо измеренных величин, где применяется закон накопления погрешностей) и совокупных измерений, где параметры определяются решением системы уравнений по результатам нескольких измерений.

2.1. Приборы и методы акустического контроля
Метод основан на возбуждении и регистрации упругих волн в контролируемом объекте. Поведение твёрдого тела при нагружении описывается диаграммой «деформация – напряжение», отражающей упругую и пластическую стадии деформирования; в области упругости справедлив закон Гука, связывающий модуль упругости со скоростью распространения волн. Распространение колебаний описывается волновым уравнением; акустическое поле характеризуется амплитудой, частотой, интенсивностью и фазовой скоростью, а волны могут быть плоскими, цилиндрическими или сферическими. Важной характеристикой среды служит характеристический импеданс — произведение плотности среды на скорость звука, определяющее условия отражения и прохождения волны через границу раздела сред.
Скорость и затухание волн зависят от упругих и вязких свойств материала; затухание складывается из поглощения и рассеяния на неоднородностях структуры. В ограниченных телах возникает дисперсия скорости, влияющая на форму распространяющихся импульсов.
Возбуждение и приём волн осуществляются пьезоэлектрическими преобразователями, характеризуемыми резонансной и антирезонансной частотами и требующими демпфирования для сокращения длительности импульса.
Метод акустической эмиссии основан на регистрации волн, излучаемых материалом при развитии дефекта (эффект Кайзера — необратимость эмиссии при повторном нагружении ниже ранее достигнутого уровня). Координаты источника определяются по разности времён прихода сигнала на несколько приёмников. Дефектоскопы строятся по совмещённой, раздельно-совмещённой и раздельной схемам преобразователей; применяются также электромагнитно-акустические преобразователи. Для повышения помехоустойчивости борются со структурными шумами, увеличивают механизацию и автоматизацию контроля; развитием метода служит акустическая голография, восстанавливающая изображение дефекта по волновому фронту.

2.2. Приборы и методы вибрационного контроля и диагностики
Метод вибрационной диагностики основан на анализе параметров механических колебаний работающего оборудования (амплитуды, частоты, фазы виброскорости, виброускорения или виброперемещения), которые изменяются при возникновении дефектов — дисбаланса, расцентровки валов, износа подшипников, ослабления креплений, дефектов зубчатых передач. Каждый вид дефекта порождает характерный вибрационный спектр с определёнными доминирующими частотами, что позволяет не только обнаружить, но и локализовать неисправность.
Виброизмерительные приборы делятся на приборы инерционного (механического) действия, использующие сейсмическую массу на упругом подвесе, и приборы с бесконтактными преобразователями (вихретоковыми, ёмкостными), измеряющими колебания без механического контакта с объектом. Каждый тип имеет рабочий диапазон частот, вне которого возрастает погрешность измерения; инерционные приборы эффективны на средних и высоких частотах, бесконтактные — незаменимы для быстровращающихся валов.
В качестве первичных электроизмерительных преобразователей вибрации широко используются пьезоэлектрические акселерометры, индукционные (электродинамические) датчики скорости и вихретоковые датчики перемещения — выбор определяется частотным диапазоном и требуемой измеряемой величиной.
Аппаратура эксплуатационного контроля строится по схемам стационарного мониторинга (постоянные датчики, система сбора и обработки данных, сигнализация по превышению уставок) либо периодического контроля переносными приборами. Диагностика базируется на спектральном анализе сигнала и сравнении с нормативными и трендовыми значениями, что позволяет выявлять типовые дефекты вращающегося оборудования на ранней стадии их развития.

2.3. Приборы и методы оптического контроля
В основе оптических методов контроля лежат явления дифракции, интерференции, поляризации, рассеяния света и фотоэффекта. Дифракция и интерференция используются для измерения малых линейных размеров, геометрии поверхности и обнаружения микронеровностей с высокой точностью — на этом основаны интерферометрические приборы. Поляризационные явления применяются в методе фотоупругости, позволяющем визуализировать поля механических напряжений в прозрачных моделях изделий, а рассеяние света — в приборах контроля мутности жидкостей и запылённости газов. Фотоэффект лежит в основе фотоэлектрических приёмников излучения, преобразующих оптический сигнал в электрический.
Оптические приборы контроля строятся из источника излучения (лампы накаливания, газоразрядные, лазерные и светодиодные источники), оптической системы, формирующей пучок, и приёмника излучения (фотоэлементы, фотодиоды, ПЗС-матрицы), согласованного по спектральному диапазону и чувствительности с источником и объектом контроля.
К практическим средствам оптического контроля относят средства визуального контроля, микроскопы и стереомикроскопы для контроля микроструктуры и поверхностных дефектов, эндоскопы (жёсткие и волоконно-оптические) для осмотра труднодоступных внутренних полостей изделий, интерферометрические приборы для контроля геометрии высокоточных поверхностей, голографические приборы, регистрирующие деформации и дефекты по изменению интерференционной картины, и поляризационные приборы для контроля напряжённого состояния прозрачных материалов. Область применения охватывает контроль поверхностных дефектов, геометрических параметров, внутренних напряжений и структуры материалов.

2.4. Приборы и методы радиоволнового контроля
Метод радиоволнового контроля основан на взаимодействии электромагнитных волн сверхвысокочастотного диапазона с контролируемым веществом. При распространении радиоволны в материале происходят отражение от границ раздела сред с различными электрическими свойствами, преломление при переходе из одной среды в другую, поглощение энергии волны материалом, рассеяние на неоднородностях и включениях, а также интерференция и дифракция волн на элементах структуры и краях объекта.
Взаимодействие радиоволны с материалом определяется его диэлектрическими свойствами — диэлектрической проницаемостью и тангенсом угла диэлектрических потерь, которые зависят от химического состава, влажности, плотности, температуры и структуры материала. Именно эта зависимость свойств материала от контролируемых параметров позволяет использовать радиоволновой метод для решения задач неразрушающего контроля.
Область применения метода охватывает контроль диэлектрических (неметаллических) материалов и изделий: измерение толщины покрытий и стенок изделий из полимеров, керамики, стекловолокна; обнаружение внутренних дефектов (расслоений, пустот, инородных включений) в диэлектрических и слабопроводящих материалах; контроль влажности сыпучих и листовых материалов; контроль однородности и плотности материалов. Достоинствами метода являются бесконтактность измерений, возможность контроля через непроводящие оболочки и работа без непосредственного доступа к поверхности изделия, что особенно важно при контроле движущихся объектов и материалов на технологических линиях.

2.5. Приборы и методы электрического контроля
Электрический метод контроля основан на измерении электрических параметров материала — электрического сопротивления, диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, которые связаны с составом, структурой и наличием дефектов в контролируемом объекте. Основными разновидностями метода являются методы постоянного и переменного тока: при контроле методом постоянного тока измеряют омическое сопротивление участка изделия, что позволяет обнаруживать нарушения сплошности проводящих материалов, трещины, изменения сечения проводника; методы переменного тока дополнительно чувствительны к структурным и фазовым изменениям материала за счёт частотной зависимости измеряемых параметров.
Приборы электрического контроля применяются для обнаружения дефектов проводящих материалов путём измерения электросопротивления повреждённого участка и сопоставления его с эталонным значением, а также для контроля химического состава сплавов и металлов, поскольку удельное электросопротивление чувствительно к легирующим добавкам, термической обработке и структурному состоянию материала. Для диэлектрических материалов измерение тангенса угла потерь и диэлектрической постоянной позволяет судить об однородности, влажности, степени полимеризации и наличии дефектов.
К преимуществам метода относят простоту аппаратурной реализации, возможность автоматизации и невысокую стоимость оборудования; к недостаткам — необходимость электрического контакта с объектом (кроме бесконтактных ёмкостных схем) и чувствительность результатов к температуре и внешним электромагнитным помехам. Область применения — контроль металлов и сплавов, полимерных и композитных материалов, а также технологический контроль в процессе производства.

2.6. Приборы и методы электромагнитного контроля
Метод вихревых токов основан на возбуждении в электропроводящем объекте контроля переменного электромагнитного поля с помощью катушки индуктивности (преобразователя) и регистрации изменений параметров этого поля, вызванных наличием дефектов, изменением электропроводности, магнитной проницаемости материала или зазора между преобразователем и изделием. Физической основой метода служат уравнения Максвелла, описывающие возбуждение вихревых токов в проводнике переменным магнитным полем катушки и обратное влияние этих токов на поле самой катушки.
Различают накладные, проходные и комбинированные вихретоковые преобразователи, конструктивное исполнение которых определяется формой и назначением контролируемого изделия. Для анализа сигнала преобразователя используется годограф — графическое представление изменения комплексного сигнала при изменении контролируемого параметра, позволяющее визуально разделить влияние различных мешающих факторов от полезного сигнала дефекта.
Для отстройки от мешающих факторов применяют амплитудный, фазовый, амплитудно-фазовый и переменно-частотный способы разделения информации, а также многочастотное и импульсное возбуждение преобразователя, метод высших гармоник, учитывающий нелинейность намагничивания ферромагнитных материалов. Учитывается также влияние движения изделия относительно преобразователя на форму сигнала.
На основе метода строятся электромагнитные дефектоскопы (обнаружение трещин, коррозии, структурных неоднородностей), толщиномеры покрытий и стенок, а также приборы контроля физико-химических свойств металлов — твёрдости, степени термообработки, сортировки сплавов. Область применения — контроль металлических изделий на всех этапах производства и эксплуатации.

3.1. Роль и значение аналитического контроля. Классификация методов
Аналитический контроль обеспечивает определение химического состава веществ и материалов и играет ключевую роль в управлении технологическими процессами, контроле качества сырья и готовой продукции, а также в экологическом мониторинге. Без надёжного аналитического контроля невозможны ни оптимизация технологических режимов, ни обеспечение безопасности производства и окружающей среды.
Аналитические методы и приборы классифицируют по принципу получения информации на две группы: методы и приборы, основанные на непосредственном измерении физического параметра анализируемой смеси, функционально связанного с её составом (например, измерение электропроводности, плотности, оптической плотности раствора), и методы с предварительным преобразованием анализируемой пробы, при которых состав определяется после химического или физического воздействия на пробу (титрование, разделение, реакция с индикатором).
Общими характеристиками аналитических методов являются чувствительность — минимальная концентрация определяемого компонента, надёжно фиксируемая прибором, и избирательность — способность метода определять целевой компонент в присутствии мешающих примесей без искажения результата. Выбор метода анализа определяется требуемым сочетанием этих характеристик применительно к конкретной аналитической задаче.
Метрологическое обеспечение средств аналитического контроля включает разработку и аттестацию методик выполнения измерений состава, поверку и калибровку анализаторов по стандартным образцам состава и свойств, а также оценку и нормирование погрешностей результатов анализа, что обеспечивает сопоставимость результатов, полученных разными приборами и в разное время.

3.2. Приборы для анализа жидкостей
Потенциометрические анализаторы измеряют ЭДС электрохимической ячейки, состоящей из измерительного электрода и электрода сравнения, погружённых в анализируемый раствор; величина ЭДС функционально связана с активностью определяемых ионов. Наиболее распространены рН-метры, электродная система которых состоит из стеклянного измерительного электрода, чувствительного к активности ионов водорода, и электрода сравнения. Измерительная схема рН-метра включает высокоомный усилитель, поскольку внутреннее сопротивление стеклянного электрода велико. Поскольку потенциал электродной системы зависит от температуры, вводится схема температурной компенсации, а нелинейность характеристики учитывается через понятие изопотенциальной точки — координаты, в которой характеристики электрода не зависят от температуры. На этом принципе строятся также иономеры с ионоселективными электродами.
Механические анализаторы жидкостей основаны на зависимости плотности и вязкости пробы от её состава: измерение плотности осуществляется ареометрическим, весовым или вибрационным методами, вязкости — капиллярными, ротационными или вибрационными вискозиметрами; по измеренному значению определяют концентрацию компонентов раствора при известной градуировочной зависимости.
Автоматическое титрование реализует классический химический метод анализа в приборном исполнении: строится кривая титрования, а точка эквивалентности определяется по характерному перегибу кривой. Титраторы бывают дискретного и непрерывного действия. Применение микропроцессоров позволило автоматизировать обработку кривых титрования, компенсацию помех и повысить точность и воспроизводимость анализа состава жидкостей.

3.3. Приборы и методы контроля состава газов
Особенности измерения состава газов связаны с многокомпонентностью газовых смесей, малыми концентрациями определяемых примесей и необходимостью работы в широком диапазоне температур и давлений. Газоаналитические приборы классифицируют по физическому принципу измерения: оптические, тепловые, магнитные и электрохимические.
Оптические газоанализаторы делятся на абсорбционные, основанные на измерении поглощения излучения компонентом смеси (инфракрасные, в том числе оптико-акустические, и ультрафиолетовые газоанализаторы), и эмиссионные, регистрирующие собственное излучение возбуждённых частиц компонента (электроразрядные, пламенные, люминесцентные, хемилюминесцентные анализаторы). К оптическим методам относят также фотоколориметрические газоанализаторы (жидкостные и ленточные), где концентрация определяется по изменению окраски реагента.
Тепловые газоанализаторы используют зависимость теплофизических свойств смеси от её состава: термокондуктометрические — зависимость теплопроводности от концентрации компонента, термохимические — тепловой эффект каталитической реакции окисления горючего компонента на нагретом элементе.
Магнитные газоанализаторы применяют для определения парамагнитных компонентов (прежде всего кислорода): термомагнитные приборы используют явление «магнитного ветра», магнитомеханические — механическое воздействие неоднородного магнитного поля на пробу.
Электрохимические газоанализаторы включают кондуктометрические, кулонометрические и потенциометрические приборы. Каждая группа имеет собственные структурные схемы, метрологические характеристики и область применения, определяемую составом контролируемой смеси, требуемой чувствительностью и условиями эксплуатации.

4.1. Природная среда как объект экологического контроля
Природная среда рассматривается как сложная система, включающая атмосферу, гидросферу и почвенный покров, испытывающая воздействие природных и антропогенных факторов. Основными загрязнителями природной среды являются продукты промышленных и энергетических производств, транспорта и сельского хозяйства — токсичные газы, тяжёлые металлы, органические соединения, взвешенные частицы, а их источниками служат промышленные предприятия, ТЭС, транспорт, объекты сельского и коммунального хозяйства.
Управление качеством природной среды опирается на нормирование — установление предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ в воздухе, воде и почве, а также предельно допустимых выбросов и сбросов для источников загрязнения. Нормативы служат критерием оценки состояния среды и основанием для принятия управленческих решений.
Процесс контроля природной среды включает несколько последовательных стадий: отбор пробы, представительно характеризующей состояние контролируемого объекта; подготовку пробы к анализу (концентрирование, фильтрация, консервация); измерение состава пробы с использованием соответствующих аналитических методов и приборов; обработку и представление результатов измерения в виде, пригодном для сравнения с нормативами и принятия решений.
К средствам и методам контроля природной среды предъявляются особые требования: высокая чувствительность (из-за низких концентраций контролируемых веществ), избирательность в присутствии множества сопутствующих компонентов, возможность работы в полевых условиях, оперативность получения результата и, во многих случаях, возможность непрерывного или дистанционного контроля протяжённых и труднодоступных объектов природной среды.

4.2. Приборы и методы контроля природной среды
Методы контроля параметров природной среды классифицируют по контролируемой среде (воздух, вода, почва) и по физико-химическому принципу измерения. В основе большинства методов лежат зависимости измеряемых физических параметров от концентрации приоритетных загрязняющих веществ.
Технические средства мониторинга воздушной среды представлены газоанализаторами различных типов, предназначенными для определения концентраций диоксида серы, оксидов азота, оксида углерода, озона, взвешенных частиц и других загрязнителей. Для контроля водной среды применяют анализаторы жидкостей — потенциометрические, кондуктометрические, оптические приборы для определения рН, содержания растворённого кислорода, тяжёлых металлов, органических загрязнений. Контроль почв и твёрдых сыпучих веществ осуществляется с помощью анализаторов твёрдых и сыпучих веществ.
Для решения задач многокомпонентного анализа применяется универсальная аналитическая аппаратура: методы атомной и молекулярной спектрофотометрии, газовые и жидкостные хроматографы, обеспечивающие разделение и количественное определение множества компонентов сложных смесей, а также универсальные многоканальные компьютерные системы, объединяющие несколько аналитических методов и автоматизирующие обработку данных.
Отдельную группу составляют дистанционные методы контроля природной среды — пассивные (регистрация собственного или отражённого естественного излучения объекта) и активные (зондирование объекта искусственным источником излучения). К ним относятся методы спектрозональной аэрокосмической съёмки, инфракрасной радиометрии и оптического зондирования атмосферы, реализуемые с помощью авиационных, космических и наземных технических средств дистанционного мониторинга, позволяющих контролировать состояние обширных территорий без непосредственного отбора проб.

4.3. Системы экологического мониторинга
Экологический мониторинг антропогенного загрязнения природной среды организован как многоуровневая структура, включающая подсистемы мониторинга источников загрязнения, мониторинга атмосферы, мониторинга вод суши, морей и океанов, мониторинга почв и фонового мониторинга, регистрирующего исходный, не подверженный локальному антропогенному воздействию уровень состояния природной среды.
В основе государственной организации мониторинга лежит Единая государственная система экологического мониторинга (ЕГСЭМ), объединяющая наблюдения различных ведомств в единую информационную систему. ЕГСЭМ имеет иерархическую структуру, включающую федеральный, региональный и локальный уровни, и выполняет функции сбора, обработки, хранения и представления данных о состоянии природной среды органам управления для принятия решений.
Технической основой ЕГСЭМ на локальном уровне служат автоматизированные системы контроля (АСК) загрязнений, типовая структура которых включает измерительные каналы (первичный преобразователь, линия связи, вторичный измерительный прибор), устройства сбора и первичной обработки данных и центральный пункт управления. Характеристики измерительных каналов АСК определяют точность и оперативность получаемой информации о загрязнении.
Специализированные системы мониторинга химических загрязнений создаются отдельно для контроля воздуха, природных и сточных вод, почв, различаясь составом применяемых анализаторов и структурой сети постов наблюдения; при этом контроль экологической обстановки крупных городов имеет свои особенности, связанные с высокой плотностью и разнообразием источников загрязнения.
Помимо химического мониторинга, существуют системы контроля радиационных, электромагнитных, тепловых, акустических и вибрационных экологических факторов, для каждого из которых установлены нормативы воздействия и разработаны соответствующие технические средства и методики контроля.