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 материала

Автореферат диссертации

Содержание Общая характеристика работы Актуальность темы. Объектом исследования Задачи исследования. Методы исследования. Научную новизну Практическую ценность Реализация научно-технических результатов. Достоверность полученных результатов. Апробация результатов исследования. Публикация результатов исследования. Структура и объем диссертации. Содержание работы В первой главе Вторая глава Т – назначенный срок службы системы; S Четвертая глава Основные выводы

Подобный материал:

• Совершенствование расчетного метода контроля выбросов загрязняющих веществ в атмосферный, 206.37kb.
• Паспорт специальности 05. 11. 13 Приборы и методы контроля природной среды, веществ,, 21.39kb.
• «нииин мнпо «Спектр», 252.17kb.
• Разработка теплофизического метода и установки экспресс контроля растворённого газа, 234.92kb.
• 19-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция, 27.12kb.
• Контрольная работа По дисциплине физико-химические свойства и методы контроля качества, 77.41kb.
• Измерение параметров рассеяния устройств коаксиального тракта с использованием ненаправленных, 191.91kb.
• Метод контроля и прогнозирования распространения промышленных газовых выбросов в городах, 182.39kb.
• Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности 05. 11. 13 «Приборы и методы, 196.25kb.
• Программа вступительных экзаменов в аспирантуру по специальности 05. 11. 13 Приборы, 40.33kb.

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: X_И0, X_Н0 – ин-формативные и не-информативные па-раметры вещества; Х_И0l, Х_И1l, Х_И2l – параметры вещества, пробы и преобразованной пробы, информативные для l-ого канала первичной информации; Х_Н0l, Х_Н1l, Х_Н2l – параметры вещества, пробы и преобразованной пробы, неинформативные для l-ого канала первичной информации; Х_И0l^*, X_И2l^* – результаты измерений параметров ве-щества и преобразованной пробы, информативных для l-ого канала первич-ной информации; Х_К0r^* – 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).

Вторая глава посвящена разработке математического описания и ана-лизу технико-экономических характеристик базовых систем.

Математическое описание статических функций преобразования систем косвенных измерений приведено ниже

Х_К0r^*=ƒ_Кr(Х_И01^*, …, Х_И0L^*, U_Kr), Х_И0l^*=ƒ_И1l^-1(Х_И1l^~, Х_Н0l, G_1l),

Х_И1l^~=ƒ_И2l^-1(Х_И2l^*, Х_Н1l, G_2l), Х_И2l^*=Х_И2l+∆Х_И2l°, ∆Х_И2l°=∆W_l/S_l,

∆W_l=W_l–W_l=∑{[∂ƒ_И3l(Х_И2l, Х_Н2l, G_3l)/∂Х_Н2li]∙∆Х_Н2li}+

+∑{[∂ƒ_И3l(Х_И2l, Х_Н2l, G_3l)/∂G_3lq]∙∆G_3lq},

W_l=ƒ_И3l(Х_И2l, Х_Н2l, G_3l), W_l=ƒ_И3l(Х_И2l, Х_Н2l, G_3l),

S_l=∂ƒ_И3l(Х_И2l, Х_Н2l, G_3l)/∂Х_И2l, ∆Х_Н2li=Х_Н2li–Х_Н2li, ∆G_3lq=G_3lq–G_3lq,

Х_И2l=ƒ_И2l(Х_И1l, Х_Н1l, G_2l), Х_Н2li=ƒ_Н2li(Х_И1l, Х_Н1l, G_2l), Х_И1l=ƒ_И1l(Х_И0l, Х_Н0l, G_1l),

Х_Н1lp=ƒ_Н1lp(Х_И0l, Х_Н0l, G_1l), U_Kr={U_Krm, m=1, ..., F^(K)_r}, Х_Н2l={Х_Н2li, i=1, …, I⁽²⁾_l},

Х_Н1l={Х_Н1lp, p=1, …, I⁽¹⁾_l}, Х_Н0l={Х_Н0ln, n=1, …, I⁽⁰⁾}, G_3l={G_3lq, q=1, ..., Q⁽³⁾_l},

G_2l={G_2ls, s=1, ..., Q⁽²⁾_l}, G_1l={G_1lk, k=1, ..., Q⁽¹⁾_l }, Q⁽³⁾_l=∑Q_3lς, Q⁽²⁾_l=∑Q_2lυ,

Q⁽¹⁾_l=∑Q_1lμ, ς=1, …, R_3l, υ=1, …, R_2l, μ=1, …, R_1l, i=1, …, I⁽²⁾_l, p=1, …, I⁽¹⁾_l,

q=1, ..., Q⁽³⁾_l, l=1, …, L, r=1, …, R,

где ƒ_Кr – символ статической функции преобразования (расчетная зависи-мость) ПКИ для параметра вещества, информативного для r-ого сложного ИК; U_Kr – параметры расчетной зависимости для параметра вещества, ин-формативного для r-ого сложного ИК; U_Krm – m-ый параметр расчетной зави-симости для параметра вещества, информативного для r-ого сложного ИК; F^(K)_r – число параметров расчетной зависимости для параметра вещества, ин-формативного для r-ого сложного ИК; ƒ_И1l^-1, ƒ_И2l^-1 – символы обратных ста-тических функций преобразования ПОП и ППП для параметров пробы и преобразованной пробы, информативных для l-ого канала первичной инфор-мации; Х_И1l^~ – эквивалент результата измерений параметра пробы, информа-тивного для l-ого канала первичной информации; ∆Х_И2l° – абсолютная по-грешность измерений параметра преобразованной пробы, информативного для l-ого канала первичной информации; W_l, ∆W_l, S_l – выходной сигнал, от-клонение выходного сигнала от номинального значения и чувствительность ПИ l-ого канала первичной информации; ƒ_И3l – символ статической характе-ристики ПИ l-ого канала первичной информации; ƒ_И1l, ƒ_И2l – символы пря-мых статических функций преобразования ПОП и ППП для параметров про-бы и преобразованной пробы, информативных для l-ого канала первичной информации; ƒ_Н1lt, ƒ_Н2lt – символы прямых статических функций преобразо-вания ПОП и ППП для t-ых параметров пробы и преобразованной пробы, не-информативных для l-ого канала первичной информации; Х_Н0lt, Х_Н1lt, Х_Н2lt – t-ые параметры вещества, пробы и преобразованной пробы, неинформатив-ные для l-ого канала первичной информации; ∆Х_Н2lt – отклонение t-ого пара-метра преобразованной пробы, неинформативного для l-ого канала первич-ной информации, от номинального значения; I⁽⁰⁾ – число параметров вещес-тва, неинформативных для канала первичной информации; I⁽¹⁾_l, I⁽²⁾_l – число параметров пробы и преобразованной пробы, неинформативных для l-ого канала первичной информации; G_1l, G_2l, G_3l – параметры технических средств ПОП, ППП и ПИ l-ого канала первичной информации; G_1lt, G_2lt, G_3lt – t-ые параметры технических средств ПОП, ППП и ПИ l-ого канала первич-ной информации; ∆G_3lt – отклонение t-ого параметра технических средств ПИ l-ого канала первичной информации от номинального значения; Q⁽¹⁾_l, Q⁽²⁾_l, Q⁽³⁾_l – число параметров технических средств ПОП, ППП и ПИ l-ого ка-нала первичной информации; Q_1lt, Q_2lt, Q_3lt – число параметров t-ого техни-ческого средства ПОП, ППП и ПИ l-ого канала первичной информации; R_1l, R_2l, R_3l – число технических средств в ПОП, ППП и ПИ l-ого канала первич-ной информации.

Символом ... обозначены номинальные значения параметров.

Математическое описание абсолютных погрешностей измерений систем косвенных измерений имеет вид

∆Х_К0r^*=∑{[∂ƒ_Кr(Х_И01^*, …, Х_И0L^*, U_Kr)/∂Х_И0l^*]∙∆Х_И0l^*},

∆Х_И0l^*=∑[K⁽⁰⁾_ln·∆Х_Н0ln]+∑[K⁽¹⁾_lk·∆G_1lk]+∑[K⁽²⁾_ls·∆G_2ls]+∑[K⁽³⁾_lq·∆G_3lq],

mХ_К0r^*=∑{[∂ƒ_Кr(Х_И01^*, …, Х_И0L^*, U_Kr)/∂Х_И0l^*]∙mХ_И0l^*},

mХ_И0l^*=∑[K⁽⁰⁾_ln·mХ_Н0ln]+∑[K⁽¹⁾_lk·mG_1lk]+∑[K⁽²⁾_ls·mG_2ls]+∑[K⁽³⁾_lq·mG_3lq],

σХ_К0r^*={∑{[∂ƒ_Кr(Х_И01^*, …, Х_И0L^*, U_Kr)/∂Х_И0l^*]²∙(σХ_И0l^*)²}}^0,5,

σХ_И0l^*={∑{[K⁽⁰⁾_ln]²·(σХ_Н0ln)²}+∑{[K⁽¹⁾_lk]²·(σG_1lk)²}+

+∑{[K⁽²⁾_ls]²·(σG_2ls)²}+∑{[K⁽³⁾_lq]²·(σG_3lq)²}}^0,5,

Q⁽³⁾_l=∑Q_3lς, Q⁽²⁾_l=∑Q_2lυ, Q⁽¹⁾_l=∑Q_1lμ, ς=1, …, R_3l, υ=1, …, R_2l, μ=1, …, R_1l,

n=1, …, I⁽⁰⁾, k=1, ..., Q⁽¹⁾_l, s=1, ..., Q⁽²⁾_l, q=1, ..., Q⁽³⁾_l, l=1, …, L, r=1, …, R,

где ∆Х_К0r^*, mХ_К0r^*, σХ_К0r^* – абсолютная погрешность, абсолютная системати-ческая погрешность и среднеквадратическое отклонение (СКО) абсолютной погрешности измерений параметра вещества, информативного для r-ого сложного ИК; ∆Х_И0l^*, mХ_И0l^*, σХ_И0l^* – абсолютная погрешность, абсолютная систематическая погрешность и СКО абсолютной погрешности измерений параметра вещества, информативного для l-ого канала первичной информа-ции; ∆Х_Н0ln, mХ_Н0ln, σХ_Н0ln – отклонение, систематическое отклонение и СКО n-ого параметра вещества, неинформативного для l-ого канала первичной информации, от номинального значения; ∆G_1lk, mG_1lk, σG_1lk – отклонение, сис-тематическое отклонение и СКО k-ого параметра технических средств ПОП l-ого канала первичной информации от номинального значения; ∆G_2ls, mG_2ls, σG_2ls – отклонение, систематическое отклонение и СКО s-ого параметра тех-нических средств ППП l-ого канала первичной информации от номиналь-ного значения; mG_3lq, σG_3lq – систематическое отклонение и СКО q-ого пара-метра технических средств ПИ l-ого канала первичной информации от номи-нального значения; K⁽⁰⁾_…, K⁽¹⁾_…, K⁽²⁾_…, K⁽³⁾_… – комплексы на основе частных производных статических функций преобразования подсистем (расшифров-ка приведена в диссертации).

Средняя наработка на отказ систем косвенных измерений описывается следующими соотношениями

∞

τ^(О)_Кr=∫℮^{-τ·{∑[λ4γ/(1+N4γ)]+∑{∑[λ1lμ/(1+N1lμ)]+∑[λ2lυ/(1+N2lυ)]+∑[λ3lς/(1+N3lς)]}}}·dτ=

0

={∑[λ_4γ/(1+N_4γ)]+∑{∑[λ_1lμ/(1+N_1lμ)]+∑[λ_2lυ/(1+N_2lυ)]+∑[λ_3lς/(1+N_3lς)]}}^-1=

={∑[(1+N_4γ)·τ^(О)_4γ]^-1+∑{∑[(1+N_1lμ)·τ^(О)_1lμ]^-1+∑[(1+N_2lυ)·τ^(О)_2lυ]^-1+∑[(1+N_3lς)·τ^(О)_3lς]^-1}}^-1,

∞

τ^(О)_К=∫℮^{-τ·{∑[λ4γ/(1+N4γ)]+∑{∑[λ1lμ/(1+N1lμ)]+∑[λ2lυ/(1+N2lυ)]+∑[λ3lς/(1+N3lς)]}}}·dτ=

0

={∑[(1+N_4γ)·τ^(О)_4γ]^-1+∑{∑[(1+N_1lμ)·τ^(О)_1lμ]^-1+∑[(1+N_2lυ)·τ^(О)_2lυ]^-1+∑[(1+N_3lς)·τ^(О)_3lς]^-1}}^-1,

γ=1, …, R₄, μ=1, …, R_1l, υ=1, …, R_2l, ς=1, …, R_3l, l=1, …, L, r=1, …, R,

где τ^(О)_Кr – средняя наработка на отказ r-ого сложного ИК; λ_4γ – интенсив-ность отказов γ-ого технического средства ПКИ; N_4γ – кратность резерва γ-ого технического средства ПКИ; λ_1lt, λ_2lt, λ_3lt – интенсивность отказов t-ого технического средства ПОП, ППП и ПИ l-ого канала первичной информа-ции; N_1lt, N_2lt, N_3lt – кратность резерва t-ого технического средства ПОП, ППП и ПИ l-ого канала первичной информации; τ^(О)_4γ – средняя наработка на от-каз γ-ого технического средства ПКИ; τ^(О)_1lt, τ^(О)_2lt, τ^(О)_3lt – средняя наработка на отказ t-ого технического средства ПОП, ППП и ПИ l-ого канала первич-ной информации; τ^(О)_К – средняя наработка на отказ системы; R₄ – число тех-нических средств в ПКИ.

Математическое описание производительности систем косвенных изме-рений соответствует выражениям

Н_Кr=^(р)Т/Т_Кr=^(р)Т/{∑[Т_4rϊ–^(п)Т_4rϊ]+sup{∑[Т_1lώ–^(п)Т_1lώ]+∑[Т_2lά–^(п)Т_2lά]+∑[Т_3lί–^(п)Т_3lί]}},

Н_К=^(р)Т/Т_К=^(р)Т/[sup(Т_Кh)]=inf[^(р)Т/Т_Кh]=inf(H_Кh),

ϊ=1, …, Ώ_4r, Ώ_4r=∑Ώ_4rγ, γ=1, …, R₄, ώ=1, …, Ώ_1l, ά=1, …, Ώ_2l, ί=1, …, Ώ_3l,

Ώ_1l=∑Ώ_1lμ, Ώ_2l=∑Ώ_2lυ, Ώ_3l=∑Ώ_3lς, μ=1, …, R_1l, υ=1, …, R_2l, ς=1, …, R_3l,

l=1, …, L, r=1, …, R, h=1, …, R,

где Н_Кr – производительность r-ого сложного ИК; ^(р)Т – регламентированный промежуток времени; Т_Кr – время получения информации r-ым сложным ИК; Т_4rϊ – время выполнения ϊ-ой операции в ПКИ при получении информа-ции о параметре вещества, информативном для r-ого сложного ИК; ^(п)Т_4rϊ – продолжительность выполнения ϊ-ой операции в ПКИ при получении ин-формации о параметре вещества, информативном для r-ого сложного ИК, во время проведения предыдущих операций; Т_1ls, Т_2ls, Т_3ls – время выполнения s-ых операций в ПОП, ППП и ПИ l-ого канала первичной информации; ^(п)Т_1ls, ^(п)Т_2ls, ^(п)Т_3ls – продолжительность выполнения s-ых операций в ПОП, ППП и ПИ l-ого канала первичной информации во время проведения преды-дущих операций; Н_К – производительность системы; Т_К – время получения информации системой; Ώ_4r – число операций, выполняемых в ПКИ при по-лучении информации о параметре вещества, информативном для r-ого слож-ного ИК; Ώ_4rγ – число операций, выполняемых γ-ым техническим средством ПКИ при получении информации о параметре вещества, информативном для r-ого сложного ИК; Ώ_1l, Ώ_2l, Ώ_3l – число операций, выполняемых в ПОП, ППП и ПИ l-ого канала первичной информации; Ώ_1lt, Ώ_2lt, Ώ_3lt – число опера-ций, выполняемых t-ым техническим средством ПОП, ППП и ПИ l-ого ка-нала первичной информации.

Математическое описание материалоемкости систем косвенных измере-ний приведено ниже

М_К=∑[(1+N_4γ)·М_4γ]+∑{∑[(1+N_1lμ)∙М_1lμ]+∑[(1+N_2lυ)∙M_2lυ]+∑[(1+N_3lς)∙M_3lς]}+

+∑M_5α+∑[∑(∑М_1lμφ)+∑(∑М_2lυχ)+∑(∑М_3lςψ)]+∑ M_7β,

γ=1, …, R₄, α=1, …, R₅, β=1, …, R₇, φ=1, …, Q_1lμ, χ=1, …, Q_2lυ,

ψ=1, …, Q_3lς, μ=1, …, R_1l, υ=1, …, R_2l, ς=1, …, R_3l, l=1, …, L,

где М_К – масса системы; М_4γ – масса γ-ого технического средства ПКИ; М_1lt, М_2lt, М_3lt – масса t-ого технического средства ПОП, ППП и ПИ l-ого канала первичной информации; M_5α – масса α-ой принадлежности комплекта ЗИП; М_1ltv, М_2ltv, М_3ltv – масса материала, соответствующего v-ому параметру t-ого технического средства ПОП, ППП и ПИ l-ого канала первичной информации и входящего в комплект расходных материалов; M_7β – масса β-ой принад-лежности комплекта монтажных частей; R₅ – число принадлежностей комп-лекта ЗИП; R₇ – число принадлежностей комплекта монтажных частей.

Математическое описание энергопотребления систем косвенных измере-ний имеет вид

Е_К=∑Е_4γ+∑(∑Е_1lμ+∑Е_2lυ+∑Е_3lς),

γ=1, …, R₄, μ=1, …, R_1l, υ=1, …, R_2l, ς=1, …, R_3l, l=1, …, L,

где Е_К – мощность потребления электрической энергии системой; Е_1lt, Е_2lt, Е_3lt – мощность потребления электрической энергии t-ым техническим сред-ством ПОП, ППП и ПИ l-ого канала первичной информации; Е_4γ – мощность потребления электрической энергии γ-ым техническим средством ПКИ.

Математическое описание удельной стоимости измерительной информа-ции, получаемой системами косвенных измерений, выглядит следующим образом

^(i*)S_К=[sup(Т_Кy)]·{^(С)Т·^(ТГ)S+^(С)Т·^(Е)S·^(С)К·[∑Е_4γ+∑(∑Е_1lμ+∑Е_2lυ+∑Е_3lς)]+

+^(И)К·{∑[(1+N_4γ)∙S_4γ]+∑{∑[(1+N_1lμ)∙S_1lμ]+∑[(1+N_2lυ)∙S_2lυ]+∑[(1+N_3lς)∙S_3lς]}}+

+{∑{∑[∑(S_1lμφ·А_1lμφ)]+∑[∑(S_2lυχ·А_2lυχ)]+∑[∑(S_3lςψ·А_3lςψ)]}}×

×[^(И)К+^(С)Т/Т₆^◦–1]+^(И)К·(∑S_5α+∑S_7β)}/^(С)Т,

Т_Кr=∑[Т_4rϊ–^(п)Т_4rϊ]+sup(Т_h), Т_l=∑[Т_1lώ–^(п)Т_1lώ]+∑[Т_2lά–^(п)Т_2lά]+∑[Т_3lί–^(п)Т_3lί],

γ=1, …, R₄, α=1, …, R₅, β=1, …, R₇, φ=1, …, Q_1lμ, χ=1, …, Q_2lυ,

ψ=1, …, Q_3lς, ϊ=1, …, Ώ_4r, Ώ_4r=∑Ώ_4rγ, ώ=1, …, Ώ_1l, ά=1, …, Ώ_2l,

ί=1, …, Ώ_3l, Ώ_1l=∑Ώ_1lμ, Ώ_2l=∑Ώ_2lυ, Ώ_3l=∑Ώ_3lς, μ=1, …, R_1l, υ=1, …, R_2l,

ς=1, …, R_3l, l=1, …, L, h=1, …, L, r=, …, R, y= 1, …, R,

где ^(i*)S_К – удельная стоимость измерительной информации системы; ^(С) Т – назначенный срок службы системы; ^(ТГ)S – стоимость годового технического обслуживания системы; ^(Е)S – стоимость единицы мощности потребляемой электрической энергии; ^(С)К – коэффициент использования системы; ^(И)К – коэффициент пропорциональности затрат; S_4γ – стоимость γ-ого техническо-го средства ПКИ; S_1lt, S_2lt, S_3lt – стоимость t-ого технического средства ПОП, ППП и ПИ l-ого канала первичной информации; S_1ltv, S_2ltv, S_3ltv – стоимость единицы измерения материала, соответствующего v-ому параметру t-ого технического средства ПОП, ППП и ПИ l-ого канала первичной информации и входящего в комплект расходных материалов; А_1ltv, А_2ltv, А_3ltv – количество материала, соответствующего v-ому параметру t-ого технического средства ПОП, ППП и ПИ l-ого канала первичной информации и входящего в ком-плект расходных материалов; Т₆^◦ – время использования комплекта расход-ных материалов; S_5α – стоимость α-ой принадлежности комплекта ЗИП; S_7β – стоимость β-ой принадлежности комплекта монтажных частей.

Следует отметить, что математическое описание статических функций преобразования, абсолютных погрешностей измерений, средней наработки на отказ, производительности и удельной стоимости измерительной инфор-мации получено при условии, что в расчетах всех результатов косвенных измерений используется информация, поступающая от всех каналов первич-ной информации. Если это условие не выполняется, то из названных соотно-шений следует исключить характеристики неиспользуемых каналов первич-ной информации. Математическое описание материалоемкости и удельной стоимости измерительной информации предполагает, что каждому парамет-ру технических средств ПОП, ППП и ПИ соответствует расходный матери-ал. При не выполнении этого условия из указанных выражений также необ-ходимо исключить соответствующие параметры технических средств.

Анализ разработанного математического описания показывает, что тех-нико-экономические характеристики базовой системы определяются ее структурной схемой, параметрами и технико-экономическими характеристи-ками технических средств, свойствами реализуемой МВИ, а также показате-лями исследуемого вещества – его информативными и неинформативными параметрами.