авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Общие принципы синтеза информационно-измерительных систем физико-химического состава и свойств веществ

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

БУЗАНОВСКИЙ ВЛАДИМИР АДАМОВИЧ

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ СИНТЕЗА

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВ

05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание учёной степени

доктора технических наук

Москва – 2009

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе Научно-производственное объединение «Химавтоматика»

Научные консультанты:

Д-р техн. наук, проф. Попов Александр Александрович
Д-р техн. наук, проф. Кораблев Игорь Васильевич

Официальные оппоненты:

Заслуженный деятель науки РФ, д-р техн. наук, проф. Пушкин Игорь Александрович
Д-р техн. наук, проф. Пашинин Валерий Алексеевич
Д-р техн. наук, с.н.с. Палатов Юрий Андреевич

Ведущая организация – ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева», г. Санкт-Петербург.

Защита состоится 29 октября 2009 года в 14 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.145.02 при Московском государственном университете инженерной экологии: 105066, Москва, ул. Старая Басманная, д. 21/4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета инженерной экологии

Автореферат разослан сентября 2009 года

Учёный секретарь

диссертационного совета Н.В. Мокрова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертации систематизированы и обобщены результаты теоретичес-ких и экспериментальных исследований в области разработки и внедрения средств физико-химических измерений, полученные соискателем в период с 1982 по 2009 год.

В результате указанных работ решена научная проблема, имеющая важ-ное хозяйственное значение – сформирована методология синтеза информа-ционно-измерительных систем физико-химического состава и свойств ве-ществ (ИИСФХ), обеспечивающая создание систем, удовлетворяющих тре-бованиям к их назначению, условиям применения и технико-экономическим характеристикам.

Актуальность темы. Синтез систем, в частности ИИСФХ, связан с определением схем, обусловливающих соответствие систем предъявленным требованиям, установлением условий их технической реализуемости и про-ведением работ по реализации этих схем. Названные вопросы обсуждаются на протяжении не одного десятка лет и являются составной частью теории систем. Основы данной теории заложили известные зарубежные (Р. Калман, М. Месарович, И. Такахара и др.) и отечественные (А.А. Богданов, В.М. Глушков, Н.Н. Моисеев и др.) ученые. Круг рассматриваемых вопросов постоянно расширяется и детализируется. Вместе с тем применение подхо-дов, не учитывающих особенности ИИСФХ, с одной стороны, и относитель-ная частность или односторонность изучения вопросов их синтеза, с другой, довольно часто 1) приводят к использованию не всех потенциальных воз-можностей методик выполнения измерений (МВИ) и технических средств для их реализации; 2) сдерживают развитие и совершенствование методи-ческого обеспечения и средств физико-химических измерений; 3) вызывают необоснованное занижение технико-экономических характеристик синтези-руемых систем. При этом методология синтеза ИИСФХ, включая общие принципы их синтеза, резюмирующие данные методологические вопросы, продолжает находиться на стадии становления, оставаясь крупной научной проблемой.





До 1992 года работы по формированию указанной методологии соиска-тель проводил в рамках научно-технических проблем, постановлений и про-грамм государственных органов СССР:

– Научно-техническая проблема 0.18.04, утвержденная Постановлением ГКНТ и Госплана СССР № 491/244;

– Постановление Совета Министров СССР № 910;

– Программы работ Минхимпрома СССР по созданию газоанализаторов, систем автоматизированного контроля загазованности воздуха и их метроло-гическому обеспечению;

а с 1992 года при выполнении Федеральных и Государственных научно-технических программ, научных проектов и опытно-конструкторских работ, проводившихся по заданиям Миннауки, Госкомэкологии и Минобороны России.

Объектом исследования являются ИИСФХ, в том числе МВИ и техни-ческие средства, используемые для их реализации.

Цель исследования заключается в формировании методологии синтеза ИИСФХ, обеспечивающей создание систем, удовлетворяющих требованиям к их назначению, условиям применения и технико-экономическим характе-ристикам.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1) провести классификацию ИИСФХ и выделить базовые системы; 2) проанализировать и систематизировать структурные схемы базовых систем; 3) исследовать технико-экономические характерис-тики базовых систем; 4) провести классификацию задач синтеза ИИСФХ и разработать алгоритмы решения типовых задач синтеза; 5) систематизиро-вать полученные результаты и сформировать общие принципы синтеза ИИСФХ.

Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы математического моделирования, экспериментального исследова-ния, системного анализа и синтеза.

Научную новизну работы составляют:

1. Результаты исследований, полученные при формировании общих принципов синтеза ИИСФХ, в частности:

– результаты классификации указанных систем;

– обобщенные структурные схемы базовых систем;

– математическое описание технико-экономических характеристик (стати-ческих функций преобразования, показателей погрешностей измерений, надежности, быстродействия, материалоемкости, энергопотребления, стои-мости) базовых систем;

– результаты классификации задач синтеза ИИСФХ;

– математическое описание типовых задач синтеза этих систем и алгоритмы их решения.

2. Общие принципы синтеза ИИСФХ, конкретизирующие вопросы разра-ботки промышленных изделий применительно к системам названного класса.

Практическую ценность работы составляют результаты применения общих принципов синтеза ИИСФХ при разработке различных технических устройств, в том числе:

– структурные схемы, совокупности технических средств и значения режим-ных параметров систем анализа почв, обеспечивающие наименьшую стои-мость получения измерительной информации при погрешностях и произво-дительности измерений, удовлетворяющих предъявленным требованиям;

– МВИ, структурные схемы и совокупности технических средств измери-тельных систем состава и свойств природного газа, обеспечивающие наи-меньшую стоимость систем при погрешностях измерений, соответствующих предъявленным требованиям;

– МВИ, структурные схемы, технические средства, значения конструктив-ных и режимных параметров хемилюминесцентных устройств для определе-ния оксидов азота, аммиака, озона, арсина и фосфина в атмосферном возду-хе, воздухе рабочей зоны и газовых выбросах, обеспечивающие наимень-шую стоимость устройств при погрешностях измерений, удовлетворяющих предъявленным требованиям;

– МВИ, структурные схемы и совокупности технических средств рентгено-флуоресцентных химико-аналитических комплексов для определения тяже-лых металлов в природной и сточной воде, газовых выбросах и почве, обес-печивающие наименьшую стоимость комплексов;

– структурная схема и совокупность технических средств системы контроля концентрации кислорода в воздухе рабочей зоны, обеспечивающие требуе-мые погрешность, надежность и быстродействие измерений;

– схема получения измерительной информации и структурная схема уста-новки для определения азота и гелия в компонентах жидкого ракетного топ-лива, обеспечивающие получение информации непосредственно в процессе заправки образцов ракетно-космической техники.

Реализация научно-технических результатов. Опытные образцы авто-матизированных систем высокоскоростного анализа почв АСВА-П(Ц), АСВА-П(Ч), АСВА-П(М) и АСВА-П(К) введены в эксплуатацию в Центра-льном институте агрохимического обслуживания. В середине 1980-х годов потребность Государственной агрохимической службы СССР в названных системах составляла 50 штук в год. В 1986 году на головном заводе-изготовителе «Тбилприбор» начат серийный выпуск систем.

Система измерения и контроля физико-химических параметров природ-ного газа АСИК «Метан» введена в эксплуатацию в Госкомгазе Армянской ССР. Система АСК «Бентонит», являющаяся первой в СССР автоматизиро-ванной системой контроля расхода природного газа, поставлена в Произ-водственное объединение «Армгазпром». Комплекс измерения расхода природного газа АКР «Севан» внедрен в Производственном объединении «Мострансгаз».

Газоаналитические устройства для определения оксидов азота Клен-1, Клен-2, Клен-1-01, Клен-1-02, Клен-2-01, Клен-2-02, аммиака и оксида азота Клен-3, озона Клен-4, арсина Платан-1, Платан-8 и фосфина Платан-2, Платан-8-01 являются одними из первых хемилюминесцентных средств газового анализа, которые были разработаны в СССР и Российской Федерации.

Рентгенофлуоресцентные химико-аналитические комплексы ИНЛАН-РФ внедрены в специализированных инспекциях государственного экологичес-кого контроля (Курганская, Нижегородская, Челябинская, Калужская об-ласть и др.), на объектах Министерства обороны Российской Федерации (Экологический центр Минобороны России, космодром Плесецк), промыш-ленных предприятиях (АМО ЗИЛ и др.). МВИ концентраций тяжелых ме-таллов в водных средах и почве, реализуемые комплексами ИНЛАН-РФ, включены в Федеральный реестр природоохранных нормативных докумен-тов (ПНД Ф 14.1:2:4.133-98, ПНД Ф 16.1.9-98) и регламентируют порядок проведения государственного экологического контроля. Комплексы ИНЛАН-РФ являются составной частью концепции «Российские экоанали-тические технологии», которая удостоена премии Правительства Российской Федерации в области науки и технологий (2000 г.).

Система 13Ш34.01, предназначенная для контроля объемной доли кисло-рода в воздухе рабочей зоны, заменила систему аналогичного назначения при модернизации станции заправки образцов ракетно-космической техники космодрома Байконур.

Установка автоматического измерения концентраций азота и гелия в компонентах жидкого ракетного топлива УК-РГ.05 разрабатывается для многоцелевой заправочной станции космодрома Плесецк.

Достоверность полученных результатов. Технико-экономические ха-рактеристики устройств, разработанных с использованием общих принципов синтеза ИИСФХ, проверены экспериментально, в том числе при проведении Государственных испытаний.

Апробация результатов исследования. Основные результаты работы обсуждались на Всесоюзных конференциях «Измерительные информацион-ные системы – 85» (г. Винница, 1985 г.), «Аналитическое приборостроение. Методы и приборы для анализа жидких сред» (г. Тбилиси, 1986 г.), «Теоре-тические основы разработки интенсивных процессов» (г. Дзержинск, 1986 г.), «Моделирование систем автоматизированного проектирования, автоматизированных систем научных исследований и гибких автоматизиро-ванных производств» (г. Тамбов, 1989 г.), международной конференции «Development & Environmental Impact Conference» (г. Эр-Рияд, 1997 г.), семинаре по проблемам реализации новых конкурентоспособных отечест-венных технологий (г. Нижний Новгород, 2002 г.), научно-практических семинарах «Экологические проблемы разработки и эксплуатации ракетно-космической техники» (г. Юбилейный, 2005-2008 г.г.) и др.

Публикация результатов исследования. Результаты работы изложены в 108 публикациях, в том числе 41 публикация – в отечественных ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях; 4 публикации – в зарубеж-ных научных журналах и изданиях, включенных в систему цитирования Web of Science – Science Citation Index Expanded (перечень ВАК РФ).

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа содержит введение, 4 главы, основные выводы, библиографию и приложение. Общий объем работы – 242 страницы, в том числе 85 рисунков и 36 таблиц. Библио-графия включает 291 наименование литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, приведены основные научные и практические резуль-таты.

В первой главе установлены общие и отличительные особенности ИИСФХ, проведена их классификация; проанализированы, систематизиро-ваны и обобщены структурные схемы базовых систем.

Информационно-измерительные системы (ИИС), измерительной инфор-мацией которых является информация о физико-химическом составе ве-ществ и (или) их свойствах, образуют класс ИИСФХ. Указанные системы применяются в различных сферах человеческой деятельности, реализуют разнообразные аналитические методы, выполняют непрерывные или цикли-ческие измерения, имеют разный уровень автоматизации. При классифика-ции этих систем в качестве отличительного признака выбран объем выпол-няемых функций, и системы рассматриваемого класса разделены на три под-класса: 1) ИИСФХ первого уровня; 2) ИИСФХ второго уровня; 3) адаптив-ные ИИСФХ.

Адаптивные ИИСФХ характеризуются наличием функций получения и обработки измерительной информации, а также изменения ее объема и по-рядка получения в ходе анализа веществ.

ИИСФХ второго уровня осуществляют получение и обработку измери-тельной информации по неизменному алгоритму. Данный подкласс систем разделен на две главные группы – системы с комплексной и основной обра-боткой информации. Системы с комплексной обработкой информации реа-лизуют комбинации основных видов ее обработки – формирование и пред-ставление в виде документов заданного образца, программных продуктов, световой и (или) звуковой сигнализации.

ИИСФХ первого уровня выполняют только получение измерительной информации, вследствие чего их также называют измерительными система-ми. Системы данного подкласса разделены на две главные группы – ИИС одного и нескольких веществ. ИИС нескольких веществ представляют собой объединения ИИС одного вещества. ИИС одного вещества могут быть под-разделены на две основные группы – одно- и многоточечные системы. При этом многоточечные системы также можно разделить еще на две группы – системы с переключением и без переключения точек измерений. Если в многоточечных системах не используется переключение точек измерений, то они являются объединением одноточечных систем. При применении на-званного переключения многоточечные системы содержат одну одноточеч-ную систему или являются объединением многоточечных систем с переклю-чением меньшего числа точек измерений и (при необходимости) одной од-ноточечной системы. Одноточечные системы реализуют МВИ, объединяю-щие прямые, косвенные и совокупные измерения (группа комбинированных систем), или МВИ, основанные на одном из этих видов измерений (группа базовых систем). Кроме того, комбинированные системы можно рассматри-вать как объединения базовых систем.

Из сказанного вытекает, что получение любой измерительной информа-ции о физико-химическом составе и свойствах веществ осуществляется сис-темами, являющимися или содержащими в своем составе базовые системы – системы прямых, косвенных или совокупных измерений.

Основными функциональными частями базовых систем являются изме-рительные каналы (ИК). Системы прямых измерений представляют собой объединения простых ИК. Простой ИК может содержать последовательно соединенные подсистемы отбора пробы (ПОП), преобразования пробы (ППП), измерений (ПИ) и пересчета результата измерений (ППИ).

ПОП чаще всего реализует: 1) отбор части исследуемого вещества в его естественном (газообразном, жидком, твердом) состоянии; 2) отбор и филь-трацию части газообразного (жидкого) вещества; 3) отбор части жидкого ве-щества и добавление в нее консерванта; 4) отбор и абсорбцию (хемосорб-цию) части газообразного вещества жидким поглотителем; 5) отбор и экс-тракцию части жидкого (твердого) вещества жидким реактивом; 6) отбор и адсорбцию части газообразного (жидкого) вещества твердым поглотителем. При этом только первый способ отбора пробы не связан с изменением физи-ко-химического состава отбираемой части вещества.

ППП используется в случаях, когда: 1) измерения информативного пара-метра пробы не могут быть выполнены непосредственно средством физико-химических измерений, в том числе, если диапазон измерений этого средст-ва не соответствует значениям информативного параметра пробы; 2) по-грешность измерений информативного параметра пробы непосредственно средством физико-химических измерений не отвечает предъявленному тре-бованию из-за недостаточной чувствительности и (или) селективности дан-ного средства. Заметим, что под преобразованием пробы понимается широ-кий круг операций (химические реакции, сорбция, экстракция, разбавление и др.), осуществление которых приводит к изменению информативных и неин-формативных параметров пробы.

Главной составной частью ПИ обычно является средство физико-хими-ческих измерений, а ППИ проводит перевод результата измерений физико-химического состава пробы, полученного ПИ, в результат измерений инфор-мативного параметра исследуемого вещества.

В зависимости от функций, выполняемых в процессе прямых из-мерений, простые ИК разделены на 4 типа, один из которых включает два подтипа (табл. 1).

Системы косвенных и совокупных измере-ний являются объеди-нением сложных ИК. Сложный ИК состоит из каналов первичной информа-ции и подсистемы расчета результатов косвенных (ПКИ) или совокупных измерений. Каналами первичной информации могут быть простые ИК или «квази-измерительные» каналы. «Квази-измерительные» каналы содержат последовательно соединенные ПОП, ППП и ПИ. В соответствии с объемом функций, выполняемых при получении первичной информации, «квази-измери-тельные» каналы разделены на два типа, один из которых имеет два под-типа (табл. 2).

Наличие подтипов каналов П.4 и К.2 объясняется проведением отбора пробы без изменения или с изменением ее физико-химического состава.

На основе представленных данных разработаны обобщенные структур-ные схемы базовых систем. На рис. 1 приведена обобщенная структурная схема систем кос-венных измерений. Использованы сле-дующие обозначе-ния: XИ0, XН0 – ин-формативные и не-информативные па-раметры вещества; ХИ0l, ХИ1l, ХИ2l – параметры вещества, пробы и преобразованной пробы, информативные для l-ого канала первичной информации; ХН0l, ХН1l, ХН2l – параметры вещества, пробы и преобразованной пробы, неинформативные для l-ого канала первичной информации; ХИ0l*, XИ2l* – результаты измерений параметров ве-щества и преобразованной пробы, информативных для l-ого канала первич-ной информации; ХК0r* – результат измерений параметра вещества, информа-тивного для r-ого сложного ИК; L – число каналов первичной информации; R – число параметров вещества, определяемых на основе косвенных измере-ний (число сложных ИК).



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.