автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Автономные ионометрические устройства для экологического контроля водных объектов

С^Ш^-ШТЕР^ГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ '. ... I. На правах рукописи

ЛМТУНЕНКО ГЕННЛДШ ИЛЬИЧ

АВТОНОМНЫЕ ИОНОМЕТРИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ

Специальность 05.11.16 - ШТОРМАЦИОННО - ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ-

СИСТЕШ (ПО ОТРАСЛЯМ)

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА. ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Санкт-Петербург - 1903

Работа выполнена в САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОМ ГОСУДАРСТВЕННОМ ТЕХНИЧЕСКОМ УНИВЕРСИТЕТЕ

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор В. С. Гутников

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессрр Б. а Иванов

кандидат технических наук Е. Г. Павловский Ведущее предприятие - ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова

Зашита диссертации состоится ' ^ - 1993г.

в часов на заседании специализированного совета Д.063. 38.11 Санкт-Петербургского государственного технического университета, 195251, С.-Петербург, ул.Политехническая д.29. Телефон совета - 55Е7581.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке института.

Автореферат разослан "Ь• 1993г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук

В. Д. Мазин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Водные объекты Земли представляют собой один из главнейших компонентов окружающей среды. В связи с усиленным антропогенным воздействием на естественные водоемы в настоящее время на передний план выступает проблема проведении экологического контроля их физико- химического состояния. При экологических наблюдениях наиболее часто измеряются такие физические параметры водной среды, как температура, удельная электропроводность, гидростатическое давление, плотность, соленость, мутность. Химический состав водной среды определяется путем измерения концентраций различных вевеств, комплексов и соединений, растворенных в воде или присутствующих в виде взвесей. Кроме того используются такие показатели химического состава как кислотность и химическое потребление кислорода.

Сложившаяся практика осуществления экологических наблюдений, основанная на лабораторных исследованиях химического состава проб, имеет такие существенные недостатки как неоперативность, малая информативность и низкая эффективность регистрации быстропроте-кающих процессов. В особенности это относится к явлениям, имеющих характер выбросов.

Основным фактором, ограничивающим возможность выполнения экологических наблюдений в натурных условиях, является узкая номенклатура существующих измерительных средств. Требованиям экологического контроля в наибольшей степени удовлетворяют автономные ИИС, позволяющие проводить одновременное' измерение нескольких физико-химических параметров водной среды с последующим накоплением, обработкой и передачей измерительной информации в системы сбора данных.

В настоящее время на передний план, с точки зрения создания автономных ИИС экологического назначения, выходят измерительные системы основанные на потенциометрическом методе анализа химического состава водной среды. Достоинствами данного метода измерения яп-ляются простота аппаратурного оформления, высокая точность и, в определенных случаях, возможность проведения анализа непосредственно в естественных условиях без предварительной подготовки проб, в связи с появлением в последние голы Сольного числа электродов, селективных к различным тинам ионов, развитием потенциометрического мо-

тода стала ионометрия.

Анализ исследовательских задач и методов натурного эксперимента при экологических наблюдениях показывает, что они не удовлетворяются существующими в настоящее время ионометрическими устройствами по таким характеристикам, как точность, системность, долговременная стабильность и функциональная надежность. Проблемы на пути совершенствования указанных характеристик обусловлены жесткими условиями эксплуатации^ которые требуют от аппаратуры повышенной устойчивости к климатическим и механическим воздействиям, предельной экономичности по питанию и ограничения массогабаритных показателей.

Цель работы и задачи исследования. Цель диссертационной работы заключается в теоретическом исследовании и практической разработке методов построения автономных ионометрических устройств для экологического контроля водных объектов. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

- анализ функциональных возможностей и определение особенностей архитектуры автономных ионометрических устройств;

- исследование и совершенствование многоканальных ионометрических входных цепей;

- исследование и развитие методов построения АЦП для ионометрических каналов с промежуточным частотно- временным преобразованием;

- анализ и разработка методов и алгоритмов повышения отказоустойчивости и снижения энергопотребления автономных микропроцессорных измерительных устройств;

- исследование методов снижения погрешности при совместных измерениях различных мешающих ионов в многокомпонентных водных растворах.

Методы исследований базируются на использовании теории измерений, теории линейных и нелинейных электрических цепей, теории, цифровой фильтрации, методах экспериментального исследования и имитационного моделирования на ЭВМ

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. На основании проведенной систематизации определены принципы совершенствования алгоритмов функционирования автономных микропроцессорных измерительных устройств, обеспечивающих повышение отказо-

устойчивости и надежности хранения накапливаемой измерительной информации;

2. Исследованы и предложены новые структурные методы снижения погрешности преобразования напряжения в частоту при заданном времени преобразования:

3. Исследованы алгоритмические способы весового усреднения, позволяющие повысить точность измерения частотно-временных сигналов.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Разработаны структуры автономных информационно-измерительных систем, позволяющие снизить энергопотребление и расширить функциональные возможности автономных ионометрических устройств.

2. Предложены схемотехнические решения, обеспечивающие повышение стабильности метрологических характеристик и снижающие требования к коммутаторам многоканальных ионометрических входных цепей;

3. Разработаны микропроцессорные АЦП с промежуточным частотно-временным преобразованием, отличающиеся более высоким показателем погрешность- время преобразования и позволяющие снизить аппаратные затраты и энергопотребление автономных ионометрических устройств;

4. Созданы действующие образцы автономной ионометрической КИС, превосходящей по совокупности технических характеристик существующие измерительные системы для экологического контроля объектов водной среды.

Реализация результатов работы. Основные материалы диссертационной работы использованы при разработке портативного иономера и автономного микропроцессорного измерителя гидрофизических параметров водной среды, внедренного в НИИ Прикладной физики Иркутского Государственного Университета Отдельные технические решения, предложенные в диссертационной работе, внедрены в IЩШ им. акад. А. Е Крылова и технической фирме"Стикс".

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на Всесоюзных научно-технических конференциях "Измерительные-информационные сиетемы"(ИИС-91) (Ленинград, 1991), "Современное состояние аналитического приборостроения в области анализа газовых сред и радиоспектроскопии" (Смоленск, 1991), "Методология измерений" (Лениниград, 1991), на Всесоюзной школе по техническим средствам и методам освоения океана (Москва, 1991), на зональном научно-

техническом семинаре "Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления" (Пенза, 1991), а также на научно-техническом семинаре кафедры Информационно-измерительной техники СЮГТУ (Санкт- Петербург, 1933).

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 7 печатных работ.

Структура л объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения, содержит 172 страницы основного текста, 31 рисунок, 82 наименования библиографии,

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цель и задачи исследования, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации проведен обзор и дана характеристика способов построения информационно-измерительных систем, основанных на различных методах анализа химического состава водных объектов окружающей среды, определены специфические особенности ИКС, использующих потенциометрический метод анализа и его дальнейшее развитие - ионометрию. На основании проведенной систематизации существующих ионометрических средств измерения выявлены пути их развития. Из анализа решаемых задач определен набор выполняемых функций и структура автономных ионометрических устройств экологического назначения, а также сформулированы требования к отдельным узлам измерительной системы.

Требованиям экологического контроля в наибольшей степени удовлетворяют автоматизированные, автономные системы сбора информации, позволяющие проводить длительные непрерывные .наблюдения физико -химических параметров и регистрацию быстрого изменения экологического состояния естественных водоемов, • • '

Как показывает анализ методов контроля химического состава водных объектов окружающей среды, большинство аналитических методик основывается на работе с пробами, прошедшими предварительную подготовку. В некоторых методиках хромагографические, оптические и полярографический мето.чи допускают использование проб, взятых непос-

редственно в естественных условиях без их подготовки. В этих случаях данные способы химического анализа могут служить основой для создания автономных ЖС экологического назначения. Вследствие невысокой надежности, сложности аппаратной реализации и малой оперативности, которая связана превде всего с необходимостью предварительного отбора и транспортировки проб растворов, ЖС, испольгующих упомянутые методы, не получили широкого^ распространения в практике проведения экологических наблюдений.

В настоящее время значительный интерес с точки зрения создания автономных ИИС д.та анализа химического состава естественных водных объектов представляют измерительные системы основанные на потенциометрическом и ионометрическом методах анализа.

Метод потенциометрического измерения концентрации ионов г» растворе основан на измерении разности электрических потенциалов двух специальных электродов, помешенных в испытуемый раствор: ггоно-селективного электрода и электрода сравнения, последний из которых в процессе измерения имеет постоянный потенциал, независящий от концентрации ионов.

Зависимость электродного потенциала от температуры и концентрации ионов определяется уравнением Нернста:

РГГ

Е - Ео +----1п Г*с,

пР

где Ео - нормальный потенциал электрода в вольтах, изморенный при нормальной температуре (13'С) и нормальной (1 г*моль/л) концентрации (активности) электролита; 13-8,317 Дж/К - универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура. К; п - валентность ионов; 9 -96522 Кл/г-экв - постоянная 5«радея'; с - концентрации ионов в грамм-эквивалентах на литр; Г - коэффициент активности раствора.

Достоинствами метода являются оперативность, простота аппаратурной реализации, высокая точность и. в определенных случаях, возможность проведения анализа непосредственно в естественных условиях без предварительной подготовки проб.

По способу применения ионометричесгсие средства ¡г.м.пчшия (ИСТО химических параметров водной среды можно разделить на три основные группами.

Ионометричесгсие средства измерении первой группы попаш^у-

- б -

ютея обычно в промышленности и сельском хозяйстве для измерения одного, редко двух, химических параметров водной среды в открытых водоемах, бассейнах, отстойниках и т.д. Эту группу средств измерения отличают портативность, малые массогабаритные показатели, низкое энергопотребление и простота в эксплуатации. Основными недостатками, сдерживающими их применение в задачах экологического контроля, являются относительно большая погрешность измерения и ограниченные функциональные возможности. Кроме того, для этих ИСИ обычно не предусматривается возможность интеграции в информационно-измерительные системы.

ИСИ второй группы предназначены для проведения химического анализа в стационарных лабораторных условиях и представляют собой более высокий уровень развития ионометрических средств измерения химических параметров водной среды. Обычно ионометрические средства измерения этой группы имеют более широкие функциональные возможности и развитый интеллект. Они содержат необходимые интерфейсные■ средства, позволяющие организовывать на их основе автоматические измерительновычислительные комплексы. Точность измерения лабораторных ИСИ, как правило, на порядок более выше, чем у ИСИ первой группы. Однако они имеют невысокую стабильность метрологических характеристик при изменении внешних условий в широком диапазоне и значительные массу, габариты, энергопотребление.

Ионометрические средства измерения химических параметров водной среды третьей группы предназначены для встраивания в технологические цепочки промышленных предприятий. Данные ИСИ используют для непрерывного измерения химических параметров водных растворов и контроля условий протекания технологического процесса

Как показывает проведенный анализ существующие ионометрические измерительные устройства не вполне удовлетворяют требованиям проведения экологических наблюдений по совокупности метрологических параметров (точность, стабильность, помехозащищенность) и технических параметров, таких как масса, габариты, энергопотребление и число измеряемых величин.

При работе в автономном режиме на ионометрические устройства экологического назначения возлагаются следующие функции:. одновременное измерение' нескольких физических и/или химических параметров водной среды; накопление и обработка измерительной информации;

кодирование и передача измерительной информации по линии связи в систему сбора и обработки данных более высокого уровня; контроль и тестирование работоспособности измерительной системы.

Традиционными требованиями к автономным информационно-измерительным системам являются малое энергопотребление и повышенная отказоустойчивость системы за счет чего достигается увеличение времени непрерывной работы устройства .

Принимая во внимание требования системности и учитывая набор выполняемых функций, структура автономной ионометрической информационно- измерительной системы, представленная на рис. 1, включает согласующий блок ионометрических и температурных да'Гчиков (СБ); аналога- цифровой преобразователь (АЦП); микропроцессорный контроллер (ШЖ); накопитель измерительной информации (НИ); интерфейсный блок (ИВ); блок индикации и клавиатуры (БИК); блок динамического управления энергопотреблением (ВУЗ); блок самотестирования и контроля (ВТК).

Создание такой автономной ИИС экологического назначения ставит задачи исследования во-первых аппаратных методов совершенствования согласующего блока, АЦП, ВТК и т. д., а во-вторых эффективных и надежных алгоритмов функционирования.

Вторая глава посвящена аппаратным методам совершенствования автономных ионометрических устройств. Рассмотрены схемотехнические методы повышения точностных характеристик ионометрических входных цепей вторичных преобразователей, исследованы и разработаны новые структуры АЦП с промежуточным частотно- временным преобразованием, основанные на принципе двойной дельта- сигма модуляции, проанализированы методы постороения микропроцессорных АЦП частотно- временных сигналов и исследованы способы повышения их точности и быстродействия, разработаны аппаратные способы зашиты накапливаемой измерительной информации и структура автономной ИИС, реализующей алгоритм динамического распределения энергоресурсов системы.

Проведение "экологических наблюдений в натурных условиях при переменных температурах в течение длительного времени предъявляет повышенные требования к стабильности метрологических характеристик ионометрических входных цепей, реализация которых в существенной мере затруднена иа-за необходимости обеспечения малого входного го ка. Рассмотрение особенностей электродной системы, заключающейся в

высоком внутреннем сопротивлении источника сигнала (до 1ГОм), а также б возможности появления эффекта поляризации электродов, показало, что входной ток ионометрического устройства не должен превышать 1пА.

Выполненный анализ методов коррекции аддитивной погрешности позволяет утверждать, что при построении ионометрических входных ценой, более предпочтительными являются структуры с периодической коррекцией дрейфа (ПКД) с запоминающей емкостью в прямой цепи. В этих ПКД структурах минимизируется ток утечки и число ключей с сопротивлением в разомкнутом состоянии выше 1Г0м. Показано, что при использовании в ионометрических входных цепях структур с модуляцией и демодуляцией сигнала лучшими метрологическими характеристиками обладают последовательно- параллельный и мостовой модуляторы. При этом для мостового модулятора ток утечки в 2 раза меньше, но требуется б 2 раза больше ключей по сравнению с последовательно-параллельным модулятором.

Для многоканальных автономных ионометрических ИИС разработаны входные преобразователи, использующие Т-образные ключи и периодическую коррекцию- аддитивной погрешности измерительного канала. Использование представленных на рис.2 структур позволяет предельно минимизировать токи утечки, исключить взаимовлияние каналов, а также снизить требования к электрическим характеристикам ключей и повысить стабильность коэффициента передачи сигнала при работе в натурных условиях.

При построении автономных ИИС экологического назначения наиболее предпочтительными являются интегрирующие АЦП с промежуточным частотно- временным преобразованием вследствие таких их явных преимуществ как минимальное число точных компонентов, высокая помехоустойчивость и точность, малые аппаратные затраты, низкая стоимость и простота обмена точности на быстродействие.

На основании анализа различных структур разработаны частотно- импульсные преобразователи с заданным интегралом и опорным временным интервалом в которых.достигнуто снижение энергопотребления за счет обеспечения возмояиости работы при низком однополярном напряжении питания. Для достижения существенно более высокого быстродействия разработана структура с двумя контурами частотно- импульсного преобразования, использующая принцип двойной дельта- сигма

модуляции. Основу каждого контура частотно- импульсного преобразования составляют синхронизированные интегрирующие преобразователи напряжение- частота (ПНЧ). выходные сигналы которых поступают на вычислительное устройство, где образуется цифровой код результата измерения. При этом измеряемый сигнал подается на вход ПН1! первого контура, а входным сигналом ПНЧ второго контура является выходное напряжение интегратора первого ПНЧ. Вычислительное устройство реализуется в виде жесткого автомата либо на основе микропроцессора. Отличительной особенностью данной структуры является более выгодные условия обмена точности на быстродействие. Максимальная погрешность квантования двухконтурного преобразователя, равная ятах-16/(М*М), убывает значительно быстрее с ростом числа тактов преобразования N. чем одноконтурного, равная соответственно

Использование микропроцессоров в составе автономных ионо-.метрических устройств позволяет реализовывать на их основе АЦП частотно- временных сигналов. Достоинствами данных АЦП является гибкость реализации алгоритма аналого- цифрового преобразования, снижение аппаратных затрат,'габаритов и массы устройства, повышение надежности. Проведенный анализ методов аналого- цифрового преобразования частотно- временных сигналов с помощью микропроцессоров показывает. что использование программмного опроса позволяет достичь наибольшего быстродействия по сравнению с программным прерыванием. С целью расширения динамического диапазона, повышения точности и быстродействия разработаны структуры микропроцессорных АЦП временных сигналов с досчетом во внешнем счетчике и АЦП частотных сигналов с суммированием в примыкающих интервалах. В этих структурах микропроцессор осуществляет управление внешним жестким автоматом основу которого составляет интегральный счетчик о малой разрядностью. По окончании цикла измерения микропроцессор считывает содержимое счетчика и вычисляет окончательный результат измерения. Отличительными особенностями данных структур является минимум дополнительных аппаратных затрат и низкое энергопотребление.

Сформулированы принципы и дана характеристика методов обеспечения отказоустойчивости автономных ионометрических устройств. Разработаны аппаратные способы защиты измерительной информации в полупроводниковом накопителе данных от искажения и потери при алгоритмических сбоях л сбоях по питанию, которые являются наиболее ве-

роятнымн. Разработана структура автономного ионометрического устройства, реализующая динамическое распределение энергоресурсов между отдельными узлами, за счет чего достигается снижение среднего энергопотребления системы.

Третья глава посвящена алгоритмическим методам совершенствования автономных ионометрических устройств. Исследованы методы применения весовых функций (ВФ) для снижения погрешности квант.ова-ния при измерении частотновременных сигналов, дана сравнительная характеристика усредняющих окон и приведены значения методической погрешности измерения частоты с использованием ВФ, которые получении в результате имитационного моделирования. Исследован метод снижения погрешности при совместных измерениях в многокомпонентных средах. Разработаны алгоритмы повышения отказоустойчивости и защиты измерительной информации во время сбоев, представлен алгоритм реализации динамического распределения энергоресурсов.

Снижение погрешности измерения частотно- временных сигналов при заданном времени измерения и сокращение времени измерения при заданной погрешности без дополнительных аппаратных затрат достигается путем реализации весовых методов измерения в микропроцессоре в цифровой форме. Измерение частоты осуществляется путем суммирования значений весовой функции в моменты прихода импульсов измеряемой частоты. Значительный вклад в развитие этих методов был сделан проф. В. Д. Михотиным,

Как известно, методическая погрешность свойственная методу весового суммирования, по сути дела является оценкой эффективности подавления высокочастотных компонент входного сигнала системой с весовой функцией Измерение частоты можно рассматривать как

определение среднего значения импульсного сигнала по ограниченной во времени его реализации. Вследствие этого погрешность оценивается эффективностью подавления высокочастотных компонент сигнала, представленного последовательностью дельта- импульсов, следующих с периодом Ьх. с помощью фильтра нижних частот со стремящейся к нулю шириной полосы пропускания. Таким образом, методическую погрешность можно определить по формуле:

2 1/2 Пм - [;зит( 1-1.,.) А (Йп1/Ьх)3 /А(0). где А() - амплитудно- частотная характеристика фильтра, 2Ш/Ьх -

- и -

частота 1-гармоники, зшп(1-1...) - оператор суммирования но 1 от 1 до бесконечности.

Результаты сравнительного анализа времени измерения с применением весовых функций (ВФ) Дирихле, Вартлетта и Парэена, при одинаковых среднеквадратических погрешностях измерения частоты, изображены на рис. 3. Полученные в результате имитационного моделирования значения относительной среднеквадратичной погрешности измерения частоты весовых функций, имеющих различные скорости спада амплитуды боковых лепестков с ростом частоты, в диапазоне от 12 до 22 Гц представлены в таблице.

Г , — — 1 ~ 1 ■— ................... Отностительная среднеквадратичная погрешность

ГЦ Дирихле Рисс Хэррис Хемминг Ханн

12.5 4. 0е-02 7. 2е-04 1. 4е-05 5. 7е-03 2. Зе-04

13.5 3. 7е-02 6. 2е-04 1. 2е-05 5. Зо-ОЗ 1.89-04

14.6 3. 4е-02 5. Зе-04 1. 0е-05 4. 99-03 1. 4е-04

15,5 3. 2е-02 4. 7е-04 8. 4е-0б 4. бе-03 1.2е-04

16.5 3. Ое-02 4.1е-04 7.0е-0б 4. 4е-03' 1.0е-04

17.5 2. 8е-02 3. бе-04 6.0е-0б 4.1е-03 8. 4е-05

18.5 2. 7е-02 3. 2&-04 5.1е-С)б 3. 9е-03 7.1е-05

19.5 2. 5в-02 2. 9е-04 4.4в-0б 3. 7е-03 6. Ое-05

20.5 2. 4е-02 2. бе-04 3.8е-06 3. 5е-03 5. 2е-05

21.5 2. Зе-02 2. 4е-04 3. Зе-06 3. 4е-03 4. Бе-05

На основании данных имитационного моделирования можно заключить, что эффективность применения ВФ возрастает с ростом скорости спада амплитуды боковых лепестков. Кроме того, как известно, дополнительное уменьшение боковых лепестков АЧХ ВФ обеспечивают ступенчатые, весовые функции вследствие домножения АЧХ ВФ на мном1-тель э 1 п( пГс!) /(пГс)), где с) - длительность ступени, а сужение основного лепестка АЧХ В® при заданном времени измерения может быть достигнуто при синхронизации середины весовой функции с одним из импульсов частотной последовательности при воспроизведении только правой половины ВФ.

'Выполнена оценка погрешности косвенных измерений активности ионов и исследовал метод снижения погрешности при совместных изме-

рениях концентраций различных ионов в многокомпонентных растворах. Именно такого рода измерения наиболее часто встречаются в задачах экологического контроля химического состава естественных водоемов. Метод основывается на учете величины коэффициента селективности ио-носелективного электрода к мешающим ионам. Одновременно производятся измерения концентраций основных и мешающих ионов при помощи селективных к каждому них электродов и затем, на основе полученных данных, микропроцессор вычисляет скоректированный результат измерения, решая систему уравнений:

Р*Ш-Ео;0 Р*(Е1-Ео1) aj - ехр[ ----------] - зшп(1<>Я( К;)1 * ехр[ ----------),

ет ет

где aj - активность того однозарядного иона, для определения которого предназначен электрод; Т - абсолютная температура (К); Р. -универсальная газовая постоянная; Р - число &радея; EJ - э. д. с. электродной системы; ЕоЗ - стандартный окислительновосстановитель-ный потенциал электродной системы, селективной к первому иону, зит(1<>.)) - оператор суммирования по всем 1 не равным К;|1 - коэффициент селективности к иону 1-типа, 21 - заряд иона 1-типа.

В многокомпонентной водной среде погрешность измерения, обусловленная конечностью коэффициента селективности, является преобладающей в тех случаях, когда концентрация мешающих ионов превышает концентрацию измеряемых ионов. Для двухкомпонентных растворов использование предложенного метода позволяет уменьшить максимальную абсолютную погрешность измерения в 6 раз при отношении логарифмов активностей мешающих и измеряемых ионов (рХм/рХИ) равной 2 и в 10 раз при рХм/рХи-4. Эти цифры получены при коэффициенте селективности равном 0.1 и абсолютных погрешностях измерения э. д. с. электродной системы - 0.5мВ и температуры - Г С.

Достоинством данного метода измерения является также и то, что в многоканальных ионометрических устройствах снижение погрешности измерения достигается без увеличения аппаратных затрат.

Разработаны программнореалиэуемые алгоритмы повышения отказоустойчивости и надежности хранения измерительной информации в автономных ионометрических устройствах, рассмотрены программные способы обнаружения сбоев, основанные на анализе данных, сохраняемых к запоминающем устройстве.

Четвертая глава посвящена экспериментальной проверке теоре-ических положений диссертационной работы и разработке микропроцес-орного иономера.

Иономер предназначен для измерения активности ионов во-орода (рН). активности других одновалентных и двухвалентных анио-ов и катионов (рХ). окислительно-восстановительных потенциалов Ев) и температуры в водных растворах с представлением результатов цифровой форме. Б состав иономера входит двухканальный аналоговый лок, предназначенный для преобразования в цифровой код э. д. с. лектродной системы, и сопротивления медного или платинового термо-¡етра сопротивления, микропроцессорный контроллер, блок индикации и лавиатуры и блок питания, включающий гальваническую или аккумуля-орнуто батарею и стабилизатор напряжения. Диапазон измерения вели-:ины рХ и вид контроллируемых ионов определяется типом применяемого | комплекте о иономером измерительного электрода.

Иономер имеет следующие технические характеристики:

- Диапазоны измеряемых величин

1) в режиме измерения активности ионов, от -19,99 единиц рН (рХ) до +19,99

2) в режиме измерения эдс, мв от -1999

до +1999

3) в режиме измерения температуры,' С от -2 до +38

- Разрешающая способность

1) в режиме измерения активности ионов, 0,0025 единиц рН (р50

2) в режиме измерения э. д. с., мв 0.25

3) в режиме измерения температуры,' С 0,05

- Пределы допускаемых эначений основной абсолютной погрешности реобразователя

1) В'режиме измерения активности ионов,

единиц рН (рХ) +- 0,01

2) в режиме измерения э. д. с., мВ +- 1

3) в режиме измерения температуры.'0 +- 0,5

- Входной ток преобразователя менее , пА 1

- Потребляемая мощность, мВт 120

- Габаритные размеры,мм 230x80x250

- Масса иономера, кг 2

- 14 -

- Тип интерфейса ИРШ

Разработанный иономер по точностным характеристикам находится на уровне ионометрических устройств лабораторного назначения, а по совокупности технических характеристик иономер может использоваться как в лабораториях, так и в автономном режиме при анализе химического состава естественных водных объектов в натурных условиях .

В заключении сформулированы основные результаты работы и сделаны общие выводы.

В приложении приведены документы, подтверждающие внедрение выполненой работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана структура и сформулированы требования к функциональным блокам автономной ионометрической информационно -измерительной системы. Синтезированы алгоритмы функционирования, обеспечивающие повышение отказоустойчивости и надежности хранения измерительной информации.

2. Исследованы методы построения ионометрических входных цепей вторичных преобразователей. Разработаны входные цепи, обеспе-чиваюшле повышение стабильности метрологических характеристик и снижающие требования к коммутаторам многоканальных ионометрических входных цепей.

3. Синтезированы структуры АЦП с промежуточным частотно-временным преобразованием, основанные на принципе двойной дельта-сигма модуляции, позволяющие уменьшить погрешность преобразования при заданном времени измерения и повысить быстродействие при заданной погрешности.

4. Проанализированы способы построения микропроцессорных АЦП частотно- временных сигналов, разработаны структуры таких АЦП. расширяющие динамический диапазон, повышающие точность и быстродействие при минимальном числе дополнительных компонентов.

5. Исследованы весовые методы уменьшения времени измерения и повышения точности измерения частотно- временных сигналов. Произведен сравнительный анализ эффективности различных усредняющих окон и определены критерии их выбора.

6. Предложен метод снижения погрешности при совместных из-

мерениях различных ионов в многокомпонентных водных средах, основанный на учете конечной селективности измерительных электродов.

7. Определены основные пути повышения надежности автономных микропроцессорных ИИС и разработаны аппаратно-программные методы их реализации.

8. Созданы действующие образцы автономной ионометрической ИИС, превосходящей по совокупности технических характеристик существующие измерительные системы для экологического контроля объектов водной среды,

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИЙ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ РАБОТЫ:

1. Литуненко Г. И. Портативный мономер //Автоматизация испытаний и измерений. Межвуз. сб. науч. трудов. - 1992. - с. 81- 84.

2. Клементьев А. К , Литуненко Г. Л . Логинов Г. В., Ульев В. А. Автономная измерительная система с низким энергопотреблением //Измерительные-информационные системы (ИИС-91): Тез. докл. Всесоюз. научно- технической конф. 1991 г. - Л., 1991. с. 167.

3. Клементьев А В., Литуненко Г. И., Логинов Г. В . Ульев Е А. Автономный малогабаритный гидрозонд // Тез. докл. Всесоюз. школы по техническим средствам и методам освоения океана, т. 2. - М.: Ин-т океанологии им. Е П. Ширшова АН СССР, 1991. с. 51.

4. Клементьев А. Е . Литуненко Г. И., Логинов Г. Е , Ульев Е А. Автономная измерительная система с низким энергопотреблением //Современное состояние аналитического приборостроения в области анализа газовых сред и радиоспектроскопии: Теэ. докл. Всесоюз. научно -технической конф. 22 .-2 апреля 1991г.-Смоленск, 1991.-е. 32.

5. Клементьев А. В., Литуненко Г. И., Логинов Г. В., Ульев Е А. Автономная измерительная система с низким энергопотреблением // Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления: Тез. докл. Всесоюз. научнотехничёского семинара 17-18 января 1991г.- Пенза, 1991.- с. 16.

6. Гидрофизический зонд: Информ. листок N66-91 Серия Р37.25.25 /ЕС. Гутников, А.В. Клементьев, Г.И. Литуненко, Г. Е Логинов, Е А. Михненков, ЕА. Ульев.- Л.: ЛЦНТИ, 1990,- 4с.

7. Литуненко Г. И. Портативный иономер: Инф. листок N659-92. серия Р59.35.29., 59.35.31. - Л.: ЛЦНТИ, 1992, -4 о.

г

R2

о-

К2 CI

Рис. i

RI

-О

КЗ К1

у

ИРПС

К2

R2 j-O

К1

I ^ Dt

аД

Г-К

л:

' К1

R1

CD-

Рис. 2

Подписано в печать. Бесплатно

Заказ £50. Тираж 100 экз.

Ротапринт, СШГТУ, 195251, Санкг-ПетеОург, ул. Политехническая,