Марікуца Уляна Богданівна. Інформаційно-вимірювальна система для оперативного виявлення отруйних хімічних речовин у повітряному середовищі

Краткое описание

Марікуца Уляна Богданівна. Інформаційно-вимірювальна система для оперативного виявлення отруйних хімічних речовин у повітряному середовищі : Дис... канд. наук: 05.13.05 2009

Марікуца У.Б. Інформаційно-вимірювальна система для оперативного виявлення отруйних хімічних речовин у повітряному середовищі.Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 Комп’ютерні системи та компоненти. Національний університет «Львівська політехніка», Львів, 2009.
Дисертацію присвячено розробленню та дослідженню засад побудови та розвитку теорії ІВС для оперативного виявлення у повітряному середовищі хімічних речовин в умовах дії інтенсивних завад і шумів. Створено методику побудови за загальною технологією МЕМС двоканальної ІВС, в якій використання двох ідентичних матриць хімічних сенсорів дає змогу сумістити в часі процес регенерації чутливих елементів однієї матриці з процесом вимірювання сигналів другої матриці та забезпечити високу швидкодію та точність вимірювання. Запропоновано спосіб різницевого вимірювання сигналів хімічних сенсорів, за яким чутливі елементи двох ідентичних МСМ почергово обдуваються повітрям з хімічними речовинами і відновлювальними газами, а вихідні сигнали вимірюються першим та другим вимірювальними каналами. Отримано залежності для визначення впливу випадкових завад на результати вимірювання інформаційно-аналітичних сигналів МСМ та показано, що запропонований спосіб різницевого вимірювання при низьких частотах флуктуації випадкових завад дає можливість суттєво зменшити випадкову похибку. Запропоновано метод ідентифікації багатопараметричних масштабованих нечітких образів, що дало змогу аналізувати сигнали МСМ та проводити розпізнавання хімічних речовин в умовах дії інтенсивних завад. Розроблено імітаційну модель системи, яка дозволяє дослідити її метрологічні характеристики.

У дисертаційній роботі вирішено важливу науково-прикладну задачу - розроблення та дослідження засад побудови ІВС для оперативного виявлення у повітряному середовищі отруйних хімічних речовин в умовах дії інтенсивних завад та шумів.
При цьому отримано такі наукові та практичні результати:

Досліджено особливості, тенденції і перспективи розвитку методів і технічних засобів систем моніторингу навколишнього середовища та показано, що усі компоненти існуючих систем можуть бути інтегровані в одну вбудовану мікроелектромеханічну систему, що забезпечить підвищення ефективності, продуктивності та надійності її роботи. На підставі аналізу електронних чутливих елементів, які використовуються в автоматизованих системах контролю газового середовища, сформулювано вимоги до хімічних сенсорів для виявлення у повітрі отруйних хімічних речовин.
На підставі аналізу методів та засобів моніторингу навколишнього середовища розроблено методику побудови ІВС для виявлення в повітрі хімічних речовин, яка полягає у створенні за загальною технологією МЕМС двоканальної вимірювальної системи з використанням двох ідентичних МСМ, що дало змогу сумістити в часі процес регенерації чутливих елементів однієї матриці з вимірюванням інформаційно-аналітичних сигналів другої матриці та забезпечити високу швидкодію та точність вимірювання в умовах дії інтенсивних завад і шумів.
Вперше запропоновано та обґрунтовано спосіб чотиритактного різницевого вимірювання інформаційно-аналітичних сигналів двох ідентичних МСМ, за яким їх чутливі елементи почергово обдувають повітрям з хімічними речовинами і відновлювальними газами, а вихідні сигнали вимірюють першим та другим вимірювальними каналами, що дало змогу підвищити загальну завадостійкість системи та точність виявлення у повітрі хімічних речовин. Показано, що використання запропонованого способу при низькочастотних випадкових завадах дає змогу позбутися випадкової похибки та зменшити похибку, зумовлену різними коефіцієнтами передавання вимірювальних каналів.
На підставі аналізу процесу вимірювання інформаційно-аналітичних сигналів МСМ запропоновано математичну модель опрацювання вимірювальної інформації та оцінювання отриманих результатів. В залежності від інтенсивності випадкових завад передбачено використання різних підходів до опрацювання результатів циклових вимірювань та дано рекомендації щодо їх вибору.
Запропоновано і обгрунтовано метод ідентифікації багатопараметричних масштабованих нечітких образів, який дає змогу аналізувати сигнали МСМ та проводити розпізнавання хімічних речовин в умовах дії завад і шумів. Проведене моделювання процесу ідентифікації хімічних речовин та аналіз отриманих результатів показали, що відхилення відновленого в результаті фільтрації зашумленого сигналу від середнього значення незашумленого сигналу при співвідношенні сигнал/шум менше 1,0 становить 2,5-3,0%.
На підставі запропонованих способу вимірювання та математичних моделей опрацювання вимірювальної інформації розроблено структуру ІВС та алгоритми роботи вбудованої системи аналізу, які описують роботу системи як у режимі навчання, так і в режимі моніторингу повітряного середовища. Результати моніторингу при цьому аналізують як на наявність заданої хімічної речовини, так і на розпізнавання виявлених у повітрі речовин.
На підставі проведеного аналізу похибок отримано математичну модель для аналізу роботи ІВС, яка враховує вплив на результат вимірювання сигналів МСМ як зовнішніх факторів, так і похибок вимірювальних пристроїв. Дослідження роботи системи з використанням програмно-реалізованої імітаційної моделі підтвердило її високу ефективність при моніторингу повітряного середовища. Показано, що зміна рівня завад мало впливає на точність вимірювання, зокрема при рівності амплітуд завади і корисного сигналу похибка вимірювання не перевищує 2,5 %.