Geum.ru

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

Вид материалаАвтореферат диссертации

Содержание


Четвертая глава
Подобный материал:
1   2   3
Третья глава посвящена анализу требований, предъявляемых к ИИСФХ, классификации задач синтеза этих систем, разработке математи-ческого описания и алгоритмов решения типовых задач синтеза, а также формированию общих принципов синтеза систем рассматриваемого класса.

Факторы, определяющие технико-экономические характеристики ИИСФХ, могут быть разделены на три группы: 1) факторы назначения и условий применения – информативные и неинформативные параметры ис-следуемых веществ; 2) факторы опосредованного влияния – реализуемые МВИ; 3) факторы прямого влияния – структурная схема, совокупность тех-нических средств, режимные параметры технических средств системы. За-метим, что совокупность технических средств учитывает как их технико-экономические характеристики, так и конструктивные параметры.

В соответствии с этим разделением под синтезом ИИСФХ в общем слу-чае следует понимать определение структурной схемы, совокупности техни-ческих средств и режимных параметров технических средств системы, обес-печивающих ее соответствие требованиям как к назначению и условиям применения, так и к технико-экономическим характеристикам.

В зависимости от назначения и условий применения технико-экономи-ческие характеристики ИИСФХ – показатели погрешности измерений, на-дежности, быстродействия, материалоемкости, энергопотребления и стои-мости – имеют разную значимость. При этом требования, которые потенци-ально могут предъявляться к технико-экономическим характеристикам син-тезируемой системы, можно систематизировать следующим образом.

1. Требования к технико-экономическим характеристикам системы о со-ответствии их величин заданным значениям.

2. Требования к обеспечению наименьшей (наибольшей) величины од-ной из технико-экономических характеристик системы при отсутствии тре-бований к ее остальным технико-экономическим характеристикам.

3. Требования к обеспечению наименьшего (наибольшего) значения од-ной из технико-экономических характеристик системы при наличии требо-ваний к другим ее технико-экономическим характеристикам о соответствии их величин заданным значениям.

4. Требования к обеспечению наименьшей (наибольшей) величины од-ной технико-экономической характеристики системы при обеспечении наи-меньшего (наибольшего) значения второй ее технико-экономической харак-теристики и отсутствии требований к остальным технико-экономическим ха-рактеристикам.

5. Требования к обеспечению наименьшей (наибольшей) величины од-ной технико-экономической характеристики системы при обеспечении наи-меньшего (наибольшего) значения второй ее технико-экономической харак-теристики и наличии требований к другим технико-экономическим характе-ристикам о соответствии их величин заданным значениям.

В случаях, когда реализуемая МВИ требует использовать заданные зна-чения режимных параметров технических средств или предусматривает при-менение технических средств, не имеющих режимных параметров, синтез ИИСФХ состоит в определении только структурной схемы и совокупности технических средств, обеспечивающих соответствие системы требованиям к назначению, условиям применения и технико-экономическим характеристи-кам. Требования, которые в этих случаях могут предъявляться к технико-экономическим характеристикам системы, совпадают с первыми тремя вари-антами требований, приведенных выше.

На основе сказанного проведена классификация задач синтеза ИИСФХ, результатом которой явилось выделение 11 типов задач синтеза (табл. 3).

Таблица 3

Тип зада-чи
Число критериев синтеза
Наличие ограни-чений синтеза
Определение

структурной схемы
совокупности технических средств
режимных параметров технических средств

1:1
0
●
●
●
●

1:2
1



●
●
●

1:3
1
●
●
●
●

1:4
2



●
●
●

1:5
2
●
●
●
●

2:1
0
●
●
●
заданы

2:2
1



●
●
заданы

2:3
1
●
●
●
заданы

3:1
0
●
●
●
отсутствуют

3:2
1



●
●
отсутствуют

3:3
1
●
●
●
отсутствуют

Разработано математическое описание типовых задач синтеза. В частнос-ти математическое описание задач синтеза типа 1:3 имеет следующий вид

{Š●, Ň●, Ğ●}=arginf [Ž(Ši□, Ňi●, Ği●, ХИ0, ХН0)], Ň●→Š●, Ğ●→Ň●,

{Ši□, Ňi●, Ği●}=arginf [Ž(Ši□, Ňiu□, Ğiu●, ХИ0, ХН0)], Ği●→Ňi●,

{Ši□, Ňiu□, Ğiu●}=arginf [Ž(Ši□, Ňiu□, Ğiu□, ХИ0, ХН0)],

(1)Řĵ☼≤Řĵ(Ši□, Ňiu□, Ğiu□, ХИ0, ХН0)≤(2)Řĵ☼, ĵ=1, …, Ĵ,

Ňiu→Ši, Ğiu→Ňiu, u=1, …, Ui, i=1, …, I,

(1)ХИ0☼≤ХИ0≤(2)ХИ0☼, (1)ХН0☼≤ХН0≤(2)ХН0☼,

где Š●, Ň●, Ğ● – структурная схема, совокупность технических средств и зна-чения их режимных параметров, соответствующие наименьшей величине критерия синтеза системы; Ž – критерий синтеза системы; Ňi●, Ği● – совокуп-ность технических средств и значения их режимных параметров, соответст-вующие наименьшей величине критерия синтеза системы, построенной по i-ой структурной схеме; Ğiu● – значения режимных параметров u-ой совокуп-ности технических средств, обусловленной i-ой структурной схемой систе-мы, соответствующие наименьшей величине критерия синтеза; Řĵ – ĵ-ое ог-раничение синтеза системы; (1)Řĵ, (2)Řĵ – границы допускаемых значений ĵ-ого ограничения синтеза системы; Ši – символ i-ой структурной схемы системы; Ňiu – символ u-ой совокупности технических средств, соответствующей i-ой структурной схеме системы; Ğiu – множество значений режимных парамет-ров u-ой совокупности технических средств, соответствующей i-ой струк-турной схеме системы; I – число возможных структурных схем системы; Ui – число возможных совокупностей технических средств (число множеств возможных значений режимных параметров технических средств), соответ-ствующих i-ой структурной схеме системы; (1)ХИ0, (2)ХИ0 – границы допуска-емых значений информативных параметров исследуемых веществ; (1)ХН0, (2)ХН0 – границы допускаемых значений неинформативных параметров ис-следуемых веществ; Ĵ – число ограничений синтеза системы.

Символами …☼ и …□ обозначены заданные значения и величины, удов-летворяющие ограничениям синтеза, а символом → – операция соответст-вия.

Синтез может заканчиваться определением одного варианта построения системы, нахождением нескольких вариантов ее построения или отсутстви-ем вариантов построения, удовлетворяющих предъявленным требованиям. При отсутствии вариантов построения могут быть: 1) проанализированы и изменены требования к технико-экономическим характеристикам системы; 2) определены требования к новым техническим средствам, позволяющим обеспечить требуемые технико-экономические характеристики системы, и проведена разработка названных технических средств; 3) определены требо-вания к МВИ, позволяющей создать систему, соответствующую предъяв-ленным требованиям, и осуществлена разработка указанной методики.

С учетом изложенного разработаны алгоритмы решения типовых задач синтеза систем (рис. 2). Испо-льзованы аббревиатуры: СС – структурная схема; ТС – тех-ническое средство; ТЭХ – технико-экономическая хара-ктеристика.

Анализ, систематизация и обобщение разработанных ал-горитмов решения типовых задач синтеза позволили сформулировать общие прин-ципы синтеза ИИСФХ:

– выбор или разработка МВИ, соответствующих требова-ниям к назначению систем (принцип определения мето-дического обеспечения сис-тем);

– разработка структурных схем систем, позволяющих реализовать выбранные или разработанные МВИ (прин-цип составления структурных схем систем);

– разработка вариантов по-строения систем в результате выбора или разработки совместимых технических средств, соответству-ющих структурным схемам систем и требованиям к условиям их приме-нения (принцип составления функциональных схем систем);

– оценивание технико-экономических характеристик вариантов построения систем на основе математического моделирования или экспериментального исследования (принцип оценивания технико-экономических характеристик систем);

– выбор варианта построения систем, удовлетворяющего требуемым техни-ко-экономическим характеристикам (принцип определения варианта постро-ения систем).

Перечисленные принципы конкретизируют вопросы разработки про-мышленных изделий, отражаемые стандартами Единой системы конструк-торской документации, применительно к системам рассматриваемого класса и позволяют создавать системы, имеющие различное назначение, условия применения и обладающие требуемыми (оптимальными) технико-экономи-ческими характеристиками.

Четвертая глава посвящена применению общих принципов синтеза ИИСФХ при разработке различных технических устройств.

В рамках решения Нау-чно-технической проблемы 0.18.04, утвержденной По-становлением ГКНТ и Гос-плана СССР № 491/244, проведена разработка сис-тем для выполнения рутин-ных анализов в зональных агрохимических лаборато-риях. Основные операции по получению измеритель-ной информации должны были соответствовать ГОСТ 26485-85 – ГОСТ 26489-85, ГОСТ 26204-84, ГОСТ 26205-84 и ГОСТ 26207-84. Технические сре-дства систем должны были выпускаться отечественной промышленностью. В каче-стве критерия синтеза ис-пользовалась наименьшая стоимость измерительной информации, а ограничениями синтеза являлись: 1) соответствие погрешностей измерений концентраций нитратов, обменных аммония, марганца, алюминия, магния и кальция в почвах требованиям ГОСТ 26485-85 – ГОСТ 26489-85 (метод ЦИНАО); 2) соответствие погреш-ностей измерений концентра-ций подвижных форм фосфо-ра и калия в почвах требова-ниям ГОСТ 26204-84 (метод Чирикова), ГОСТ 26205-84 (метод Мачигина), ГОСТ 26207-84 (метод Кирсанова); 3) обеспечение производите-льности систем не менее 2000 анализов по каждому из опре-деляемых компонентов за ра-бочую смену.

Задачи синтеза систем были отнесены к задачам типа 1:3, и при их решении определены структур-ные схемы, совокупности технических средств и значения режимных пара-метров, обеспечившие наименьшую стоимость измерительной информации при погрешностях и производительности измерений, удовлетворявших предъявленным требованиям.

Полученные результаты использованы Тбилисским НПО «Аналитприбор» при разработке автоматизирован-ных систем высокоскорост-ного анализа почв АСВА-П(Ц), АСВА-П(Ч), АСВА-П(М) и АСВА-П(К). Система АСВА-П(Ц) (рис. 3) класси-фицируется как система пря-мых измерений с шестью простыми ИК подтипа П.4.2. Система АСВА-П(Ч) (рис. 4) относится к системам прямых измерений, содержащим один простой ИК подтипа П.4.2 (фосфор) и один простой ИК типа П.3 (калий). Системы АСВА-П(М) и АСВА-П(К) (рис.5) являются системами прямых измерений с двумя простыми ИК подтипа П.4.2.

В соответствии с Постановлением Совета Министров СССР № 910 про-ведена разработка системы для лабораторного исследования физико-хими-ческого состава и свойств природного газа. Система должна была измерять концентрации метана (СН4), этана (С2Н6), пропана (С3Н8), н-бутана (n-C4H10), изобутана (i-C4H10), н-пентана (n-C5H12), изопентана (i-C5H12), углеводородов группы С6 (в пересчете на гексан (С6H14)), углеводородов группы С7 (в пере-счете на гептан (С7H16)), углеводородов группы С8 (в пересчете на октан (С8H18)), азота (N2), кислорода (О2), диоксида углерода (СО2), сероводорода (H2S), меркаптанов (CH3SH, C2H5SH) и паров воды (Н2О) в природном газе, а также рассчитывать его плотность, удельную теплоту сгорания и число Воббе. Технические средства системы должны были выпускаться отечест-венной промышленностью. В качестве критерия синтеза использовалась наименьшая стоимость системы. Ограничением синтеза являлось обеспече-ние погрешностей определения плотности и удельной теплоты сгорания природного газа не более 2 %.

Задача синтеза системы первоначально идентифицировалась как задача типа 1:3, однако после анализа существовавших и разработки новых МВИ трансформировалась в задачу типа 2:3. При решении названной задачи опре-делена структурная схема и совокупность технических средств, обеспе-чившие наименьшую стоимость системы при погрешностях измерений, со-ответствовавших предъявленным требованиям.

Полученные резуль-таты использованы Киро-ваканским НПО «Пром-автоматика» при созда-нии опытного образца ав-томатизированной систе-мы измерения и контроля физико-химических пара-метров природного газа АСИК «Метан». Синтези-рованная система (рис. 6), входившая в состав АСИК «Метан», класси-фицируется как комби-нированная система пря-мых и косвенных измере-ний. Система прямых из-мерений имеет 17 прос-тых ИК типа П.2 (СН4, С2Н6, С3Н8, n-C4H10, i-C4H10, n-C5H12, i-C5H12, С6H14, С7H16, С8H18, N2, О2, СО2, H2S, CH3SH, C2H5SH, Н2О), а система косвенных измерений – три сложных ИК (плотности, удельной теплоты сгорания, числа Воббе). При этом каждый сложный ИК содержит 17 каналов первичной информации, яв-ляющихся простыми ИК указанного типа.

В соответствии с Постановлением Совета Министров СССР № 910 также была разработана система для периодического (1 раз в 4 часа) применения в составе системы контроля расхода природного газа в магистральном трубо-проводе. Система должна была рассчитывать плотность и удельную теплоту сгорания природного газа при нормальных и рабочих условиях на основе информации о концентрациях его основных компонентов (метана, этана, пропана, н-бутана, изобутана, воздуха (смеси азота и кислорода), диоксида углерода, паров воды). Технические средства системы должны были выпус-каться отечественной промышленностью и быть взрывобезопасными. В ка-честве критерия синтеза использовалась наименьшая стоимость системы, а ограничением синтеза являлось обеспечение погрешности определения плотности природного газа не более 3 %.

Первоначально задача синтеза системы рассматривалась как задача типа 1:3, однако выбор МВИ определил реж-имные параметры ее технических средств, и задача синтеза пре-образовалась в зада-чу типа 2:3. При ре-шении названной задачи определены структурная схема и совокупность техни-ческих средств, обес-печившие наимень-шую стоимость сис-темы при погрешнос-ти измерений плот-ности природного газа, соответствовав-шей предъявленному требованию.

Полученные результаты использованы Кироваканским НПО «Промавто-матика» при разработке автоматизированной системы контроля расхода при-родного газа АСК «Бентонит» и автоматизированных комплексов расхода природного газа АКР «Севан» и АКР «Севан-2». Система, входившая в ука-занные устройства (рис. 7), относится к системам косвенных измерений, имеющим четыре сложных ИК (плотности и удельной теплоты сгорания природного газа при нормальных и рабочих условиях). В состав всех слож-ных ИК входят 10 каналов первичной информации, среди которых 8 (метана, этана, пропана, н-бутана, изобутана, воздуха, диоксида углерода, па- ров воды) являются «квази-измеритель-ными» каналами подтипа К.2.1, а два (давления и темпе-ратуры) – просты-ми ИК типа П.1.

В соответствии с Программами ра-бот Минхимпрома СССР по созданию газоанализаторов, систем автоматизированного контроля загазованности воздуха и их метроло-гическому обеспечению осуществлено освоение газофазного хемилюминес-центного метода анализа. В результате теоретических и экспериментальных исследований раз-работаны МВИ ок-сидов азота, амми-ака, озона, арсина и фосфина в газовых смесях, а также технические средства для их реализации.

На основе по-лученных резуль-татов НПО «Хим-автоматика» и МГП «ТАНТЭК» создали газоаналитические устройства Клен-1, Клен-2, Клен-1-01, Клен-1-02, Клен-2-01, Клен-2-02, Клен-3, Клен-4, Платан-1 и Платан-2. Устройства Клен-1 и Клен-2 для измерения оксида и суммарного содер-жания оксидов азота (рис. 8) соответст-вуют системам пря-мых измерений, со-держащим один про-стой ИК типа П.2 (оксид азота) и один простой ИК подтипа П.4.1 (суммарное со-держание оксидов). Модификации устройств Клен-1-01, Клен-1-02, Клен-2-01 и Клен-2-02 для определения оксида азота классифицируются как системы прямых измере-ний с одним простым ИК типа П.2, а для определения суммарного содержа-ния оксидов азота – как системы прямых измерений с одним простым ИК подтипа П.4.1. Подобно газоаналитическим устройствам Клен-1 и Клен-2 устройство для измерения аммиака и оксида азота Клен-3 является системой прямых измерений, содержащей один простой ИК подтипа П.4.1 (аммиак) и один простой ИК типа П.2 (оксид азота). Устройство для определения озона Клен-4 (рис. 9) относится к системам прямых измерений с одним простым ИК типа П.2. Аналогично устройства для определения арсина Платан-1 и фосфина Платан-2 (рис. 10) классифицируются как системы прямых измере-ний, содержащие один простой ИК типа П.2.

На базе газоаналитических устройств Платан-1 и Платан-2 МГП «ТАНТЭК» разработало устройства Платан-8 и Платан-8-01 для автомати-ческого контроля арсина или фосфина в восьми точках воздуха рабочей зо-ны. Основными требованиями, предъявлявшимися к этим устройствам, явля-лись: 1) наименьшая стоимость; 2) измерение арсина (фосфина) в диапазоне от 0 до 0,2 мг/м3 с относительной погрешностью не более ± 25 %; 3) исполь-зование технических средств отечественного производства.

Первоначально задача синтеза рассматривалась как задача типа 1:3 (кри-терий синтеза – стоимость устройства, ограничение синтеза – относительная погрешность измерений). Однако с учетом того, что в начале 1990-х годов единст-венными отечественными ав-томатическими средствами измерений арсина и фосфина в воздухе рабочей зоны были газоаналитические устрой-ства Платан-1 и Платан-2, задача синтеза трансформи-ровалась в задачу типа 3:3. При решении этой задачи определены структурная схема и совокупность технических средств, обеспе-чившие наименьшую стоимость устройства при погрешности измерений, со-ответствовавшей предъявленному требованию.

Согласно рис. 11 газоаналитические устройства Платан-8 и Платан-8-01 классифицируются как ИИС второго уровня (с представлением информации средствами сигнализации), содержащая многоточечную систему (с переклю-чением восьми точек измерений) на основе системы прямых измерений с од-ним простым ИК типа П.2.

По заданию Госкомэкологии и Миннауки России проведены работы по унификации приборно-методического обеспечения государственного эколо-гического контроля тяжелых металлов. Основными требованиями являлись: 1) соответствие МВИ заданным диапазонам измерений; 2) наименьшая стои-мость используемых технических средств; 3) применение технических средств отечественного производства.

Указанная задача соответствует задаче синтеза типа 1:2. После анализа существовавших и разработки новых МВИ задача синтеза превратилась в за-дачу типа 2:2, решение которой составили структурная схема и совокуп-ность технических средств, обеспечившие наименьшую стоимость рентгено-флуоресцентного химико-аналитического комплекса.

В соответствии с рис. 12 названный комплекс может быть отнесен к ИИСФХ трех веществ – газовых выбросов, природной (сточной) воды, поч-вы. ИИСФХ газо-вых выбросов яв-ляется системой прямых измере-ний, содержащей 7 простых ИК ти-па П.3 (Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn). ИИСФХ при-родной (сточной) воды классифи-цируется как сис-тема прямых из-мерений с 10 про-стыми ИК подти-па П.4.1 (Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Hg, Pb, Bi). ИИСФХ почвы представляет собой систему прямых измерений, содержащую 8 простых ИК подтипа П.4.1 (Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Hg, Pb).

Полученные результаты использованы НПО «Химавтоматика» и НПФ «Аналитинвест» при разработке рентгенофлуоресцентных химико-аналити-ческих комплексов ИНЛАН-РФ.

По заданию Министерства обороны Российской Федерации проведена разработка системы контроля концентрации кислорода в воздухе рабочей зо-ны. Система должна была получать информацию в двух точках контроля и осуществлять световую и звуко-вую сигнализацию при объемной доле кислорода ниже 19 %. Техни-ческие средства системы должны были быть взрывобезопасными и выпускаться отечественной про-мышленностью. Ограничениями синтеза системы являлись: 1) обе-спечение абсолютной погрешнос-ти измерений объемной доли кис-лорода не более ± 0,5 %; 2) полу-чение измерительной информации за время не более 120 секунд; 3) обеспе-чение времени готовности к измерениям не более 45 минут; 4) соответствие вероятности безотказной работы в течение 72 часов не менее 0,99.

Задача синтеза была классифицирована как задача типа 1:1. При ее реше-нии определены структурная схема и совокупность технических средств сис-темы (включая состав ЗИП), обеспечившие соответствие перечисленным требованиям. Полученные результаты использованы НПО «Химавтоматика» при разработке системы 13Ш34.01 (рис.13), являющейся ИИС второго уров-ня (с представлением информации средствами сигнализации), которая со-держит двухточечную систему без переключения точек измерений на основе двух систем прямых измерений с простыми ИК типа П.1.

По заданию Минобороны России создается установка для оперативного автоматического измерения концентраций азота и гелия в компонентах жид-кого ракетного топлива. На основе существующих МВИ разработана схема получения измерительной информации и структурная схема установки, обе-спечивающие поступление информации непосредст-венно в процессе заправки образцов ракетно-косми-ческой техники.

Указанные результаты использованы НПО «Хим-автоматика» при разработ-ке установки УК-РГ.05 (рис.14), которая представ-ляет собой ИИСФХ трех веществ (тетраоксида азо-та, несимметричного диме-тилгидразина, модифици-рованного тетраоксида азо-та), объединяющую три си-стемы косвенных измере-ний. Система косвенных измерений тетраоксида азота имеет один сложный ИК (азота), в состав которого входят два канала первичной информации под-типа К.2.1 (давления и температуры равновесной парогазовой фазы). Систе-мы косвенных измерений несимметричного диметилгидразина и модифици-рованного тетраоксида азота имеют два сложных ИК (азота и гелия) с тремя каналами первичной информации подтипа К.2.1 (давления, температуры и теплопроводности равновесной парогазовой фазы).