автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Широкодиапазонный оптико-акустический газоанализатор для конроля жизнедеятельности семян в условиях длительного хранения



На правах рукописи

АНЦУПОВА НАТАЛЬЯ ЮРЬЕВНА

ШИРОКО ДИАПАЗОННЫЙ ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКИЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ СЕМЯН В УСЛОВИЯХ ДЛИТЕЛЬНОГО ХРАНЕНИЯ

Специальность 05.11.13. Приборы и методы контроля природной

среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА-1998

Работа выполнена в Московском Государственном университете инженерной экологии.

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор

Кораблев Игорь Васильевич

Научный консультант: Доктор технических наук

Рылов Владимир Аркадьевич

Официальные оппонента: Доктор технических наук, профессор

Винаров Александр Юрьевич

Защита состоится г>едёк:£Г&рл. 199<?г. в /Vос>часов на заседании специализированного совета Д063.44.02 при Московском государственном университете инженерной экологии, 107884, г.Москва, ул. Старая Басманная, 21/4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУИЭ.

Автореферат разослан « ¿3 » ¿/£>и£&£>,Л 199е?г.

Кандидат технических наук Шалаев Николай Иванович

Ведущее предприятие: Тамбовский государственный

технический университет.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук, доцент

Общая характеристика работы.

1. Актуальность темы.

Для сохранения видового разнообразия растений селекционеры, генети-и биосистематики заинтересованы в системах долговременного хранения се-:ннык фондов. Лесное хозяйство также остро нуждается в эффективных техно-гиях длительного хранения семян основных лесообразующих пород, что явля-ся одной из актуальных экологических задач: сохранения лесонасаждений. >лговременное хранение необходимо для рационального использования семян ожайных лет, так как в этот период максимально реализуется генофонд вида, а хранить генетсгческую чистоту вида путем непрерывного размножения невоз-)Жно. Длительные сроки нужны для хранения семян растений с периодическим годоношением, для хранения коллекционных образцов семян в генных банках, с :лыо предупреждения их потери в случае экологического бедствия. Долговре-;нное хранение лесных семян, как основной метод сохранения растительных периодов для генетических ресурсов - неотъемлемая задача лесной генетики, :ологии и физиологии.

Общепринятым методом определения жизнеспособности семян во время гительного хранения является изучение интегральных показателей старения с мощью биологических тестов через фиксированные промежутки времени. Для ого проводят многоуровневый многофакторный эксперимент. Основным не-)статком долговременного многофакторного эксперимента является поддержа-ie на постоянном уровне параметров атмосферы хранения.

Другой метод определения жизнеспособности семян — определение диф-еренциальных показателей старения. В данном методе нет необходимости под-фживать на постоянном уровне значения параметров атмосферы хранения емпературы, влажности, концентрации кислорода). Измеряя скорость деструк-юных процессов в семени можно определить время его жизни. Критерием ско-эсти старения семян является интенсивность их дыхания. Интенсивность дыха-ия контролируют по изменению концентрации углекислого газа в камере хране-ия, которая, как правило, меняется в пределах от 0 до 10% об. в зависимости от ада семян, условий хранения, частоты и интенсивности смены атмосферы хра-гния.

Относительная длина участка диапазона измерений, на котором погреш-ость не превышает установленной величины, - динамический диапазон Совре-енные промышленные газоанализаторы на С02 в диапазоне до 10% об. имеют гачение допускаемой приведенной погрешности на уровне 2.5 - 4%. При этом ч динамический диапазон, определяемый по уровню относительной погрешно-ги измерения концентрации С02 не выше 5%, составляет у разных модификаций сего 1.25-3 единицы, что явно недостаточно для контроля газообмена биоло-ических объектов.

В связи с этим представляется актуальным создание автоматического га-эанализатора с широким динамическим диапазоном на СОг для контроля жиз-едеятельности семян в условиях длительного хранения. Широкодиапазонный

газоанализатор на С02 позволяет также реализовать многоканальный режим из мерений без потери точности, что необходимо для контроля отходящих газов теплоэнергетических установках, для контроля выбросов автотранспорта.

2. Цель работы

Целью работы является разработка газоанализатора с широким динами ческим диапазоном для контроля интенсивности газообмена биологических об* ектов и определения оптимальных условий хранения семян на примере желуде дуба черешчатого.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи

• Разработать методику контроля жизнедеятельности и определения опт! мальных режимов долговременного хранения семян.

• Определить и исследовать основные источники погрешности и фактор ограничивающие динамический диапазон газоанализатора.

• Провести оптимизацию схемы газоанализатора и тем самым повысить то1 ность до требуемой, увеличить динамический диапазон измерений.

• Для контроля интенсивности дыхания на базе промышленного анализато} разработать автоматический газоанализатор на СОг со шкалой 0 -10% об. широким динамическим диапазоном, определяемым по уровню относител ной погрешности не выше 5%.

3. Научная ценность.

• На основе дифференциальной функции интегрального поглощения предо жены нелинейные модели статической характеристики оптико-акустическо газоанализатора в широком диапазоне оптических плотностей для различнь газов. Адекватность моделей подтверждена экспериментально.

• Предложены различные критерии нелинейности статической характеристи; газоанализатора в широком диапазоне и установлена связь между ними.

• Разработана методика определения параметров нелинейной статическ« характеристики оптико-акустического газоанализатора по экспериментам ным данным.

• Предложен комплексный критерий информативности оптико-акустическс газоанализатора, совокупно учитывающий величину диапазона измерений величину текущей относительной погрешности. Исследовано значение этс критерия в зависимости от функции аппроксимации статической характер стики. Установлено, что значение критерия определяется величиной срав! тельного сигнала и соотношением составляющих погрешности.

• Разработана математическая модель интенсивности дыхания семян в зави( мости от параметров окружающей среды: температуры, влажности, конц< грации кислорода в атмосфере.

4. Практическая ценность

• На базе промышленного газоанализатора «Кедр-12» разработан опти акустический газоанализатор на С02 со шкалой 0-10% об., с динамическ

диапазоном 10. Относительная погрешность в диапазоне от 1 до 10% об. не превышает 4%.

• Результаты работы использованы при выборе функций линеаризаторов газо-аналипиеских приборов для контроля отходящих газов.

• Предложена методика расчета средней жизнеспособности семян на основе контроля интенсивности дыхания.

• Экспериментально доказана адекватность математической модели интенсивности дыхания желудей в зависимости от параметров окружающей среды (температуры и концентрации кислорода в атмосфере хранения). Определены значения параметров модели.

5. Реализация

Оптико-акустический газоанализатор с широким динамическим диапазоном прошел испытания и внедрен в НПО «Фундук» п. Ивантеевка Московской области в составе экспериментальной установки по определению жизнеспособности и оптимальных условий хранения семян основных лесообразующих пород деревьев. Это позволило установить связь между интенсивностью дыхания семян и временем их хранения, исследовать интенсивность и характер дыхания желудей дуба черешчатого, увеличить срок их хранения в условиях гипоксии до 30 месяцев при контроле интенсивности газообмена. Посевные качества желудей остались высокими, что подтвердилось при высеве в грунт.

6. Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 1ЬУП научно-техническая конференции МГАХМ «Состояние и перспективы развития научных работ в химическом машиностроении» (Москва, 1997 г), на II международной научной конференции «Методы и средства управления технологическими процессами» (Саранск, 1997 г.), на XI международной научной конференции «Математические методы в химии и химической технологии» (Владимир, 1998 г.), на региональной конференции МГУИЭ «Инженерная экология» (Москва, 1998 г.)

Объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, изложенных на 154 страницах, иллюстрируется рисунками, содержит 4 таблицы, список литературы, включающий 71 наименование, 2 приложений.

Основное содержание работы

Во введении показана необходимость долговременного хранения семян и актуальность разработки широкодиапазонного газоанализатора для контроля интенсивности газообмена семян с окружающей средой. Сформулированы цели и задачи, раскрыты научная новизна и практическая ценность работы, приведены результаты реализации и апробации.

Первая глава работы посвящена исследованию и сохранению жизнеспособности семян во время их длительного хранения. Определены основные факторы влияющие на жизнеспособность, проведен обзор существующих способов хранения семян основных лесообразующих пород, рассмотрены методы разработка технологии длительного хранения семян: метод многофакторного эксперименте и метод контроля интенсивности газообмена семян с окружающей средой.

Основной задачей долговременного хранения семян является сохранение их жизнеспособности в течении всего срока хранения. Во время хранения семенг находятся в состоянии вынужденного физиологического покоя. Основными факторами, влияющими на жизнеспособность семян являются параметры атмосфер» хранения: температура (Т), влажность (у/), состав атмосферы (концентрацш кислорода Со2), а также доброкачественность семян заложешшгх на длительное хранение.

Интервал параметров окружающей среды, в которых семена сохраняют свою жизнеспособность и не выходят из состояния физиологического покоя довольно узок. Отклонение этих параметров в ту или другую сторону приводит » гибели семян. Общей чертой существующих способов хранения семян является отсутствие контроля и управления процессом хранения. Большинство из нш основано на поддержании одного из параметров атмосферы хранения на оптимальном уровне. В последнее время наиболее перспективным, простым и экологически чистым методом хранения семян признан метод хранения в условиям гипоксии (условия с пониженным содержанием кислорода).

Общепринятым методом определения жизнеспособности семян, заложенных на хранение, является биологическое тестирование выборки из партии вс время проведения многофакгорного эксперимента. Устанавливается зависимость между показателями качества выборки семян (доброкачественностью, энергией прорастания, всхожестью) и постоянными параметрами атмосферы хранения, продолжительностью хранения. На основании чего делается заключение о жизнеспособности всей партии хранящихся семян и о потенциальном времени хранения.

При исследовании жизнеспособности во время длительного хранения партию рассматривают как статистический ансамбль, а для описания физиологических параметров используют статистические закономерности. По современным представлениям во время хранения партии семян в заданных постояшшх условиях их гибель рассматривают как случайную величину и описывают нормальным распределением вероятностей.

о72л- 2сг

где Х(т) - относительная частота гибели семян происходящая за время т,

г0 - средний период жизнеспособности, время в течении которого половина

семян уже не способна к дальнейшему развитию.

ст - стандартное отклонение распределения гибели во времени.

Экспериментальные исследования показали, что размах распределения гибели семян и средний период жизнеспособности связаны соотношением

tr = k„to (1.2),

где ка- постоянный коэффициент для данного вида растений. Средний период жизнеспособности -функция параметров атмосферы хранения

То =/(Т, T.CoJ (1.3)

В результате многофакторного эксперимента определяют значение среднего периода жизнеспособности как функцию от постоянных параметров хранения Т, Т, С„2. Методу многофакторного эксперимента присущи следующие недостатки: долговременный, трудоемкий (основная трудность поддерживать постоянные значения Т, Т, Со2 в течение длительного времени). Полученные значения параметров атмосферы хранения не обеспечивают потенциально максимальную продолжительность хранения, а являются оптимальными только для исследуемых диапазонов факторов.

Для определения среднего периода жизнеспособности и разработки технологии длительного хранения семян предложено использовать метод контроля интенсивности газообмена семян с окружающей средой.

На протяжении всего времени хранения (г) в семени идут деструктивные изменения. Как только количество деструктивных изменений R(t) достигает определенного критического значения семя умирает. Половина критического количества деструктивных изменений накапливается за время среднего периода жизнеспособности и является постоянной величиной.

R0 = Rrp! 2 = i?(V= const (1.4)

Количество деструктивных изменений R(v), интегральный показатель жизнеспособности семян, и определяется с помощью биологических тестов при проведении многофакторного эксперимента.

R(r)=<p(r,T, T.CoJ (1.5)

Предложено определять дифференциальный показатель гибели семян - скорость старения, скорость накопления деструктивных изменений п.

п^=МТ,¥,Со2) (1-6)

dr

Контролируя дифференциальный показатель жизнеспособности семян даже при меняющихся параметрах атмосферы хранения, определяется время, в течении которого произошла половина критического количества деструктивных изменений, средний период жизнеспособности семян.

R, = J«(7>,Co2>/r О-7)

о

В качестве гипотезы принято предположение: скорость старения пропорциональна интенсивности дыхания семян. В основе любой жизнедеятельности лежит конструктивный и энергетический обмен. Наиболее совершенный способ получения энергии - дыхание. По характеру дыхание бывает аэробным и анаэробным. Под аэробным подразумевают процесс ферментативного окисления

глюкозы, при котором на одну молекулу глюкозы поглощается 6 молекул 02 выделяется 6 молекул С02, 6 молекул Н20, освобождается энергия, больпш часть которой аккумулируется в макроэргических связях 38 молекул аденозин-трифосфатной кислоты (АТФ) и используется живой клеткой для покрытия все? своих энергетических затрат.

С6Н,2Об + 602 6С02 + 6Н20 + 38АТФ (1.8

На ряду с этим могут идти процессы анаэробного брожения без потреб ления кислорода, сопровождающиеся выделением С02, Н20, этанола и другю продуктов, оказывающих вредное воздействие на жизнеспособность семян.

С6Н,2Об -> 2С02 + 2Н20 + 2С2Н60 + 2АТФ (1.9

Считают, что освобождающаяся при дыхании энергия в основном тра тится на регенерацию поврежденных структур и механизмов клетки, т.е. интен сивность дыхания определятся интенсивностью деструктивных процессов.

Интенсивность дыхания 1 [мл/ (кг час)] определяют по изменению кон центрации кислорода и углекислого газа в камере хранения (ЛСо2, ДСсо2), а ха рактер дыхания - по величине дыхательного коэффициента (ДК).

ДК = ЬСсог ^ 1со2 (]10

А Со2 1о2

Таким образом, определяя интенсивность дыхания в зависимости о параметров хранения и характер дыхания, можно поддерживать оптимальны режимы хранения семян, при которых интенсивность дыхания минимальна, окисление субстрата полное. Такова основная стратегия технологии хранени семян и определения среднего периода жизнеспособности методом контроля и газообмена.

Во второй главе работы для контроля интенсивности выделения С02 бы выбран оптико-акустический (ОА) метод газового анализа. Рассмотрены прс имущества и область применения данного метода. Исследованы оптические схе мы ОА газоанализаторов, на основе функций интегрального поглощения пс строены математические модели их статических характеристик. Исследован нелинейность статических характеристик и произведен выбор схемы ОА газе анализатора по критерию минимальной нелинейности.

Для определения изменения концентрации углекислого газа в камер длительного хранения семян были рассмотрены химический метод поглощени (объемномонометрический), термокондукгометрический, абсорбционный метод газового анализа. На основе химического метода поглощения довольно сложи создать автоматический газоанализатор. Термокондукгометрический метод н: шел широкое применение при определении высоких концентраций углекисло1 газа (более 20%) в бинарных смесях. Абсорбционный метод газового анали: обеспечивает требуемую точность в заданном диапазоне измерений, а углеки лый газ обладает сильным спектром поглощения инфракрасного излучения.

Для контроля интенсивности выделения С02 выбран абсорбционный О метод газового анализа, который основан на измерении акустических колебани

возникающих при селективном поглощении слоем газа модулированного инфракрасного излучения. ОА методу газового анализа присущи следующие особенности, выгодно отличающие его среди других: широкая номенклатура определяемых компонентов, широкий диапазон определяемых концентраций, высокая точность, избирательность, стабильность. На его основе возможна простая конструкторская реализация прибора для определения концентрации С02 в анализируемой газовой смеси камеры хранения семян, в состав которой также входят азот, кислород и пары воды.

При всем разнообразии дифференциальных оптических схем абсорбционных газоанализаторов среди них выделяют два класса: схемы двухлучевые и двухканальные. Основное их отличие в формировании спектральных характеристик рабочего и сравнительного каналов. У двухлучевых схем рабочий и сравнительный поток и детекторы их преобразующие имеют одинаковые спектральные характеристики. С анализируемым газом взаимодействует только рабочий поток. У двухканальной схемы спектральные характеристики каналов различны, анализируемый газ взаимодействует с рабочим и со сравнительным потоком излучения. Для формирования спектральных характеристик сравнительного канала используют фильтровые кюветы, заполненные тем же компонентом, что и ОА приемник.

На основе функций интегрального поглощения инфракрасного излучения различными газами построены математические модели статических характеристик, выражающие зависимость выходного сигнала от концентрации анализируемого газа, для двухлучевой (2.1) и двухканальной (2.2) схем:

У (и, V) =13[А (у)-А (и+V) +А (и)] (2.1)

Г(и, V, XV) =В{А(и+г+и>)-А (и+м)-тп2[А(и+\>)-А(и)]} (2.2)

Г„=0 = 0; т2=[А^+ы)-А(п)]

где А(и) - функция интегрального поглощения, «= ск /* - оптическая толщина определяемого компонента в измерительной кювете, с* - концентрация определяемого компонента, 1к - длина кюветы, у=с; /; - оптическая толщина определяемого компонента в ОА детекторе, м>- оптическая толщина в фильтровой кювете, т2 - коэффициент диафрагмирования, В - коэффициент пропорциональности , учитывающий интенсивность потока ИК- излучения, тепловое и акустическое сопротивление детектора, преобразование акустического сигнала в выходной электрический сигнал газоанализатора.

Из всего многообразия функций интегрального поглощения важнейшими являются закон квадратного корня (2.3), логарифмический закон (2.4), закон Ламберта-Бера (2.5).

Л(«) = f(^/IT2*^-l) (2-3)

о

Л(м)=— 1п(1 + *0и) (2-4)

К

К

где 5, к0 -интегральная интенсивность и эквивалентный коэффициент поглощения, отражающие специфику конкретного газа.

В качестве аппроксимации функции интегрального поглощения для исследования статических характеристик рассматриваемых схем в работе выбран логарифмический закон, справедливый для полосы поглощения углекислого газа.

В широком диапазоне определяемых концентраций статические характеристики нелинейные. Нелинейность - отклонение значений статической характеристики от прямой, соединяющей начало и конец диапазона измерений.

Нелинейность статической характеристики определяется двумя параметрами: оптической плотностью определяемого компонента в рабочей кювете к0и и в лучеприемшже к0\. В качестве меры нелинейности предложено использовать несколько критериев, один из которых - отношение чувствительности анализатора в начале диапазона измерений к чувствительности в конце диапазона измерений.

ПО (2.6)

*г ПО

Величину нелинейности статической характеристики в одном и том же диапазоне измерений можно оценить по изменению чувствительности вдоль шкалы прибора (по дифференциальной чувствительности). Учитывая, что нелинейность статической характеристики один го основных источников возникновения систематической погрешности измерений в широком диапазоне определяемых концентраций, то для синтеза широкодиапазонного газоанализатора выбрана двухлучевая схема. В широких диапазонах измерений статическая характеристика этой схемы обладает меньшей нелинейностью по сравнению с двухканальной.

В третьей главе предложена методика расчета параметров нелинейной статической характеристики и параметров функции аппроксимации статической характеристики двухлучевой оптической схемы ОА газоанализатора по экспериментальным данным. Проведено исследование погрешностей ОА газоанализатора с нелинейной статической характеристикой в широком диапазоне определяемого параметра. С целью повышения точности и увеличения динамического диапазона измерений проведена оптимизация схемы двухлучевого анализатора.

Для доказательства адекватности модели статической характеристики двухлучевой схемы (2.1) методом наименьших квадратов проведена аппроксимация экспериментальных данных. Разработан алгоритм, создана программа для определения ее параметров (5, к0). Максимальная относительная погрешность аппроксимации экспериментальных данных модельной функцией статической характеристики анализатора на С02 в диапазоне 0<и<2 [мм % /100] не превысила 2,5%, а средне квадратичная относительная погрешность не превысила 2%.

На практике по значению выходного сигнала газоанализатора оценивают значение концентрации анализируемого газа. Для этой цели получают функцию

обратную статической характеристики. Для модели статической характеристики это сделать довольно сложно. Поэтому проводят аппроксимацгао статической характеристики газоанализатора более простыми функциями.

В промышленных газоанализаторах, работающих в малых диапазонах оптических плотностей, проводят линейную аппроксимацию статической характеристики. Используя разработанную методику определения параметров аппроксимирующей функции, проведена аппроксимация статической характеристики степенными функциями, зависящими от двух параметров. В широком диапазоне оптических плотностей (0<к0и<15 для С02; 0<кои<40 для СО) наилучшая аппроксимация статической характеристики достигнута функцией (3.1).

1- 1

(3.1)

^/Г+2¿¡и

Получены значения параметров В, к3. Максимальная относительная погрешность аппроксимации статической характеристики анализатора на С02 в диапазоне 0<и<1 [мм % /100] не превысила 2.5%, а среднеквадратичная относительная погрешность не превысила 1.5%. На основе функции наилучшей аппроксимации синтезирована функция линеаризации статической характеристики в широком диапазоне определяемого параметра:

(3.2)

2 к,

В

-1

Величина выходного сигнала Г* зависит от концентрации анализируемого газа (¥(и,у)) и от влияния многих дестабилизирующих факторов (ЛУ).

У'=Г(и,г)+АГ

Рассмотрены следующие составляющие погрешности измерений АУ:

- систематическая составляющая (погрешность нелинейности)

ТМ=¥(и,у)-Ц(,и) [мА], где Ы- функция аппроксимации статической характеристики;

- аддитивная составляющая случайной погрешности, включающая электрические шумы N [мА], оптические шумы [мА] (определены как доля сравнительного сигнала). Случайные погрешности не коррелированы между собой.

При построении градуировочной характеристики по линейному закону аддитивная составляющая случайной абсолютной погрешности, вызванная шумовыми помехами, остается постоянной вдоль всей шкалы прибора. Считая, что вклад мультипликативной составляющей случайной погрешности не значителен, ге не учитывали. Более показательной является относительная случайная состав-пяющая погрешности, она вдоль шкалы прибора уменьшается. Для ее подавления надо увеличить длину кюветы с анализируемым газом. Но с увеличением и резко зозрастает погрешность нелинейности. Линейный диапазон работы прибора достаточно узок. Верхний предел диапазона измерений прибора ограничен величиной погрешности, увеличивающейся с ростом измеряемой величины. Ограниче-

ния в области малых значений измеряемой величины определяется порогом чувствительности прибора (абсолютной величиной погрешности нуля прибора).

Д ля подавления систематической составляющей погрешности в широком диапазоне была использована функция линеаризации статической характеристики (3.2). Значение систематической составляющей относительной погрешности анализатора по входу в широком диапазоне с применением линеаризатора ниже в 2.5 - 5 раз по сравнению с анализатором, работающим без линеаризатора. Случайная составляющая абсолютной погрешности увеличивается вдоль шкалы из-за уменьшения чувствительности. На рис 1 представлены расчетные значения систематической составляющей максимальной приведенной погрешности по входу двухлучевой схемы ОА газоанализатора на С02 в зависимости от диапазона измерений (и = ск1к <7 [мм % /100]

Рис.1

Систематическая составляющая максимальной приведенной погрешности в зависимости от диапазона измерений. 1- анализатор, работающий без линеаризатора, 2- анализатор, работающий с линеаризатором.

В связи с этим появляется выбор: работать в узком линейном диапазоне, где существенный вклад в погрешность вносят шумовые помехи или увеличить длину кюветы, т.е. параметр и=ск 1к , подключить линеаризатор и найти оптимальное соотношение между относительной погрешностью шума и погрешностью оставшейся нелинейности.

В противоположность понятию погрешность измерения, имеющему отрицательный смысл, используют понятие точности измерений, величины обратной относительной погрешности.

Т=1/6. (3.3)

Вдоль шкалы прибора изменяется как сама измеряемая величина, так и погрешность измерения, значения точности измерения является величиной не-

прерывно меняющейся вдоль шкалы прибора. Поэтому никакая оценка в виде одного числа не может описать распределение точностных свойств прибора по его шкале.

Для оценки величины текущей точности измерений показательны принятые в метрологии логарифмические диаграммы текущего значения точности измерений, логарифмические характеристики точности (ЛХТ). ЛХТ -функциональная зависимость точности газоанализатора от диапазона измерений, комплексная оценка метрологических свойств ГА.

В общем случае ЛХТ измерительного устройства представляет собой кривую, достигающую максимума в средней части, где реализуется наибольшая точность измерений, и спадающей как в сторону малых значений измеряемой концентрации, где велико соотношение "шум/сигнал", так и в сторону больших, где возникает погрешность, связанная с нелинейностью статической характеристики. Площадь, ограниченная функцией ЛХТ,- информационный критерий анализатора, совокупно учитывающий протяженность рабочего диапазона прибора и все изменения текущего значения точности в этом диапазоне.

Если предположить, что найдена идеальная линеаризующая функция, то систематическая составляющая абсолютной погрешности Аисис = 0, а сама абсолютная погрешность Ли=Лис, = АУС1 /¥'(«,V). В случае работы "идеального" ли-неаризатора в диапазоне малых оптических толщин довольно велика относительная погрешность шума и точность измерений ниже максимально возможной. В диапазоне больших концентраций относительная погрешность, вызванная шумовой помехой, также возрастает из-за уменьшения чувствительности СХ прибора.

На рис. 2 представлены ЛХТ анализаторов, статические характеристики которых выражены с помощью основных законов интегрального поглощения.

При исследовании функций ЛХТ обнаружено, что наиболее широким диапазоном измерений обладает анализатор, СХ которого выражена с помощью закона квадратного корня. Наименьший диапазон у анализатора, СХ которого выражена через закон Ламберта-Бера. При изменении длины кюветы с анализируемым газом и неизменном уровне шума вид функции ЛХТ не изменяется, происходит смещение вдоль оси абсцисс.

Величина комплексного критерия информативности газоанализатора, совокупно учитывающего протяженность рабочего диапазона и текущую точность ¿Уг не зависит от вида функции интегрального поглощения. Ее значение определяется величиной сравнительного сигнала и соотношением погрешностей.

Рассмотрена точность текущих измерений у реальных газоанализаторов, которые работают или в узком линейном диапазоне, или в широком диапазоне с линеаризатором (рис.3). У прибора без линеаризующего устройства динамический диапазон в 8-12 раз уже, чем у ГА с линеаризатором. Использование функ-

(3.4)

ции линеаризатора даже в линейном диапазоне аппроксимации без изменения длины кюветы позволяет повысить точность измерений примерно в 6-8 раз.

Т 15В

129 99 6В

39 в

-2-1 В 1 2 3 lj и

Рис.2

Логарифмические характеристики точности анализатора на С02 (при ДУСИС =0, Q=0, N = O.OImA ) В качестве аппроксимации функций интегрального поглощения использован закон квадратного корня (кривая 1), логарифма (кривая 2), Ламберта-Бера (кривая 3)

Рис.3

ЛХТ анализатора на С02 с идеальным линеаризатором (кривая 1); без линеаризатора в диапазоне м=0.1 [мм % /100](кривая 2); с реальным линеаризатором в диапазоне и= 1 [мм % /100] (кривая 3) (6=0, N=0.01 мА)

Форма функции ЛХТ для анализатора с линеаризатором зависит от вели-ины диапазона измерений. С увеличением этого диапазона возникает яркая двугорбость" функции ЛХТ, вызванная «неидеальностью» линеаризатора, и, как ледствие, увеличением нелинейной составляющей погрешности. Но потери очности проводимых измерений не происходит, (см. рис 3). При увеличении ровня шума работа линеаризатора более эффективна.

Применение линеаризующих устройств позволяет увеличить динамиче-кий диапазон прибора в несколько раз (8-12 в зависимости от конкретного слу-ая), реализовать многоканальный режим измерений при использовании много-одовой кюветы без потери точности; или провести параметрическую оптимиза-рпо схемы газоанализатора, увеличив длину кюветы с анализируемым газом, и ювысить точность проводимых измерений.

В четвертой главе представлены результаты разработки ОА широкодиа-[азонного газоанализатора для экспериментальной установки по определению ттенсивности газообмена желудей в зависимости от условий хранения, его метрологическое обеспечение. Представлены результаты эксперимента по изучению ттенсивности дыхания желудей дуба черешчатого, предложена модель шгген-ивности дыхания семян, методика расчета их среднего периода жизнеспособно-ти. Рассмотрены способы хранения желудей с помощью контроля газообмена.

На базе промышленного ОА газоанализатора «Кедр-12» на С02 со шка-:ой 0-10% об., имеющего приведенную погрешность 4% и динамический диапа-он 1.25 на уровне относительной погрешности 5% разработан широкодиапазон-сый газоанализатор для использования в экспериментальной установке по опре-[елению жизнеспособности и оптимальных условий длительного хранения желу-;ей. Длина кюветы с анализируемым газом увеличена с 1 мм до 10 мм, линеари-ация статической характеристики в диапазоне измерений 0-10% С02 проведена эункцией (3.2), время установления выходного сигнала 30 с, динамический диа-[азон увеличен в 8 раз и составил 10, относительная погрешность не более 4%. 'о есть с относительной погрешностью не более 4% можно измерять концентра-щю С02 в пределах от 1 до 10% об.

Для осуществления метрологического обеспечения газоанализатора с [елинейной статической характеристикой, расчета ее параметров необходимо [спользовать три поверочные газовые смеси. Погрешность аттестации повероч-[ых смесей должна быть 1%. Корректировка нулевых показаний осуществляется раз в неделю, корректировка чувствительности проводится один раз в месяц, :орректировка нелинейности при поверке прибора 1 раз в год.

Применение широкодиапазонного газоанализатора позволило установить вязь между интенсивностью дыхания семян и временем их хранения, исследо-ать интенсивность и характер дыхания желудей дуба черешчатого.

Учитывая известные биофизические закономерности, предложена мо-;ель интенсивности дыхания семян в зависимости от условий хранения.

j= I emT-T0)eKc[C-C„)eKv(4f-4>„) (41

где T0 - 0°C, C0 = 21% O2 (воздух), % = ^(условия постоянной влажности), Т температура, С - концентрация кислорода в атмосфере хранения. Доказательсп адекватности и определение значений параметров получены при аппроксимавд моделью экспериментальных значений интенсивности дыхания желудей ду( черешчатого

1со2 = 0,691 е0,047Г е °'0375(с_с« > (4.:

Разработана методика определения среднего периода жизнеспособное! желудей при контроле интенсивности дыхания. При постоянных условиях (: Ч^Со^) скорость старения, а следовательно и интенсивность дыхания, постояши Определяя при фиксированных параметрах интенсивность дыхания, а с помощы биологических тестов с максимальной точностью средний период жизнеспосо( ности (один раз!), находят значение коэффициента R¡, соответствующее полови! прошедших деструктивных изменений в желудях.

Л0= Гоп(Т, Ч',Со2-const) = То k¡l (Г, щСо2 -const) Rj = Ro / к, = v0I (Г, щ Со2 - const) (4.3

где т0 - средний период жизнеспособности, п - скорость старения, I -интенсш ность дыхания, R0kR¡- коэффициенты, соответствующие половине критическс го количества деструктивных изменений, k¡ - коэффициент пропорциональности

Используя постоянный коэффициент R¡, определяют средний перио жизнеспособности желудей при других параметрах атмосферы хранения. Пр постоянных значениях Т, ¥,Со2 это - отношение R¡ к интенсивности дыхания.

При меняющихся параметрах атмосферы контролируют интенсивност дыхания желудей, а затем интегрируют эту величину по времени. Как тольк значение интеграла будет равно значению R¡, половина деструктивных измене ний в желудях произошла. Время, в течении которого это произошло, - средни период жизнеспособности.

Используя метод контроля интенсивности дыхания, предложено дв способа хранения желудей: метод непрерывной продувки камеры хранения per) лируемой газовой смесью (РГС), метод самоконсервации.

В первом способе, изменяя условия хранения, подбирают такие режимь при которых интенсивность дыхания желудей минимальна , а дыхательный кс эффициенг равен 1. В зависимости от интенсивности дыхания желудей изменяю состав и расход РГС.

Второй способ основан на том, что желуди сильнодышащие семена. Он сами без использования РГС в довольно короткий срок создают условия пшок сии в герметичной камере хранения. Задача технолога заключается в периодиче ском размыкании герметичного контура для подачи порции кислорода..

Использование широкодиапазонного газоанализатора и регистрирующе го прибора позволяет на одной партии семян, контролируя интенсивность дыха ния, отработать оптимальные режимы хранения и прогнозировать потенциально время их хранения.

Выводы и основные результаты работы.

1. Для определения жизнеспособности и оптимальных режимов хранения семян вместо трудоемкого, неточного многофакторного эксперимента с использованием биологического тестирования выборки семян предложен метод контроля интенсивности газообмена семян с окружающей средой. Предложена методика расчета среднего периода жизнеспособности семян в зависимости от интенсивности дыхания. Построена математическая модель интенсивности дыхания желудей дуба черешчатого в зависимости от параметров атмосферы хранения, достоверность которой доказана экспериментально.

2. На основе функций интегрального поглощения различных газов построены математические модели нелинейных статических характеристик двухлучевой и двухканальной схем ОА газоанализаторов в широком диапазоне оптической плотности определяемого компонента. Исследована нелинейность статических характеристик, предложены критерии нелинейности и установлена связь между ними. Проведен сравнительный анализ двухлучевой и двухканальной схемы ОА газоанализатора по критерию минимальной нелинейности статической характеристики. Разработана методика определения параметров нелинейной статической характеристики по экспериментальным данным. Одним из таких параметров является эквивалентный коэффициент поглощения газа.

3. Проведена аппроксимация статической характеристики двухлучевой оптической схемы газоанализатора в широком диапазоне оптических плотностей. Погрешность наилучшей аппроксимации статической характеристики анализатора на С02 по 10 экспериментальным точкам не превысила 1,5%. На основе этой функции синтезирована функция линеаризации статической характеристики, применение которой позволило уменьшить систематическую составляющую погрешности прибора в 2.5-5 раз в широком диапазоне измерений. Для расширения динамического диапазона вместо стандартного применения набора рабочих кювет различной длины использовано линеаризующее устройство и одна рабочая кювета. Показано, что в этом случае динамический диапазон анализатора увеличивается в 8-12 раз без снижения точности измерений.

4. Предложен комплексный критерий информативности оптико-акустического газоанализатора, совокупно учитывающий величину диапазона измерении и величину текущей относительной погрешности. Исследовано значение этого критерм в зависимости от функции аппроксимации статической характеристики. Установлено, что значение критерия определяется величиной сравнительного сигнала и соотношением составляющих погрешности.

5. На базе промышленного ОА газоанализатора «Кедр-12» на С02 со шкалой 010% об., имеющего основную приведенную погрешность ±4%, разработан широкодиапазонный газоанализатор. Длина кюветы с анализируемым газом увеличена в 10 раз до 10 мм, проведена линеаризация статической характеристики в диапазоне измерений, динамический диапазон увеличен в 8 раз и

составил 10, относительна погрешность в пределах от 1 до 10% об. не превь сила 4%. Рассмотрены особенности метрологического обеспечения газоан; лизатора с нелинейной шкалой. Экспериментально подтверждено, что ко] ректировку чувствительности достаточно проводить 1 раз в месяц, а корре] тировку нелинейности 1 раз в год.

6. Оптико-акустический газоанализатор с широким динамическим диапазоно прошел испытания и внедрен в НПО «Фундук» п. Ивантеевка Московскс области в составе экспериментальной установки по определению жизнесго собности и оптимальных условий хранения семян основных лесообразующк пород деревьев. Это позволило установить связь между интенсивностью дь хания и временем хранения семян, исследовать интенсивность и характе дыхания желудей дуба черешчатого, увеличить срок их хранения в условш гипоксии до 30 месяцев при контроле интенсивности газообмена.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях.

1. Анцупова Н.Ю., Гальцова Г. А., Рылов В.А. «Нелинейная модель статич( ской характеристики оптико-акустического газоанализатора». Тезисы докл; дов. Международная конференция «Математические методы в химии и xi мической технологии» Том II. Новомосковск, 1997.

2. Анцупова Н.Ю., Гальцова Г. А., Кораблев И.В., Рылов В.А. «Расширен* диапазона измерений оптико-акустического дифференциального газоанаш затора». Труды МГАХМ. Выпуск 1.- М.: МГАХМ, 1997.

3. Анцупова Н.Ю., Гальцова Г. А., Рылов В.А. «Автоматический оптик« акустический газоанализатор с линеаризующим устройством». Труды II Mi ждународной научной конференции «Методы и средства управления техн< логическими процессами», Саранск. Издательство Мордовского университ та, 1997.

4. Анцупова Н.Ю., Рылов В.А. «Многоканальный интеллектуальный газоанал! затор для контроля отходящих газов». Труды XI международной научно конференции «Математические методы в химии и химической технологии Том IV, Владимир, 1998 г.

5. Анцупова Н.Ю., Гальцова Г. А., Кораблев И.В., Рылов В.А. «Повышен! точности измерений оптических газоанализаторов». Московская регионал] ная конференция «Инженерная экология» МГУИЭ, 1998 г.

6. Рылов В.А., Гальцова Г.А., Анцупова НЛО. «Моделирование метролопга ских характеристик однолучевых оптико-акустических газоанализаторов Москва, МГУИЭ, 1998 г.

7. Анцупова Н.Ю., Гальцова Г. А., Кораблев И.В., Рылов В.А. «Определен! параметров нелинейной статической характеристики оптико-акустическо1 газоанализатора», (Сборник трудов МГУИЭ, в печати).

8. Авсиевич H.A., Анцупова Н.Ю., Рылов В.А. «Использование методов мат матического моделирования для определения оптимальных условий дан тельного хранения семян», (в печати)