автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка математической модели, методик и алгоритма улучшения метрологических и технических характеристик ленточного фотоколориметрического газоанализатора

00505«

На правах рукописи

СВИРЮКОВА Ольга Вячеславовна

РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ, МЕТОДИК И АЛГОРИТМА УЛУЧШЕНИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ И ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛЕНТОЧНОГО ФОТОКОЛОРИМЕТРИЧЕСКОГО ГАЗОАНАЛИЗАТОРА

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 8 ФЕВ 2013

Тамбов-2013

005050207

Работа выполнена на кафедре «Мониторинг и автоматизированные стемы контроля» федерального государственного бюджетного образов тельного учреждения высшего профессионального образования «Моско ский государственный машиностроительный университет (МАМИ /Университет машиностроения/ и в ОАО НПО «Химавтоматика».

Научный руководитель

Научный консультант

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

доктор технических наук, профессор Латышенко Константин Павлович

доктор технических наук, профессор Рылов Владимир Аркадьевич

заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Пушкин Игорь Александрович, ФГБОУ ВПО «Академия гражданской защиты МЧС России», заведующий кафедрой «Химия и материаловедение»

доктор химических наук, профессор Килимник Александр Борисович ФГБОУ ВПО «ТГТУ», заведующий кафедрой «Химия»

Новомосковский институт (филиал) ФГБОУ ВПО РХТУ имени Д.И. Менделе ева

Защита диссертации состоится 14 марта 2013 г. в 14 часов на заседали диссертационного совета Д 212.260.01 ФГБОУ ВПО «ТГТУ» по адрес; 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, Большой зал.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, проси направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, ФГБОУ ВП «ТГТУ», учёному секретарю диссертационного совета Д 212.260.01.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеь ФГБОУ ВПО «ТГТУ». Автореферат размещён на официальном сайї ФГБОУ ВПО «ТГТУ» www.tstu.ru.

Автореферат разослан 12 февраля 2013 г.

Учёный секретарь 4 j

диссертационного совета /// и/

доктор технических наук, профессор 1 f/"'f//A А.А. Чуриков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

За последние годы существенное развитие в области измерения микроконцентраций веществ в воздухе получили ленточные фотоколориметрические газоанализаторы (ФКГ). В них химическая реакция протекает на текстильной или бумажной ленте, пропитанной соответствующими реагентами. О концентрации определяемого вещества судят по ослаблению светового потока, отражённого от участка индикаторной ленты, изменившей окраску в ходе анализа, или по изменению её коэффициента пропускания.

Так как чувствительность и избирательность газоанализатора определяется свойствами первичного измерительного преобразователя (ПИП), т.е. ленты, то исследование характеристик ленточного чувствительного элемента (ЛЧЭ) такого газоанализатора, оптимальный выбор его параметров с целью повышения чувствительности и уменьшения погрешности измерения является актуальной задачей, представляющей как теоретический, так и практический интерес.

Совершенствование ленточного ФКГ позволяет обеспечить его высокую чувствительность, избирательность, экспрессность, простоту конструкции и обслуживания, универсальность, надёжность и экономичность.

Работа выполнялась в рамках государственного контракта № 16.526.11.6010 Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2013 годы» по лоту «2011-2.6-526-033» по теме «Разработка технологии предварительной термической обработки древесных и растительных отходов для получения биотоплива, обладающего улучшенными технико-экономическими характеристиками».

Целью диссертационной работы является решение актуальной научно-технической задачи, заключающейся в совершенствовании ленточного фотоколориметрического газоанализатора путём улучшения метрологических и технических характеристик его первичных измерительных преобразователей и блоков.

Основные задачи диссертационной работы. Для достижения указанной цели в работе были поставлены следующие задачи:

- разработка математической модели динамики процесса измерения на ленточном ПИП и оценка влияния соотношения констант скорости сорбции и химической реакции на вид характеристики ленточного ПИП;

- изучение основных характеристик ленточного ПИП, определение параметров, характеризующих его функцию преобразования, и влияния рецептуры и режимов изготовления на его метрологические характеристики;

- разработка методики корректировки рецептурного коэффициента ЛЧЭ и выбор параметров ленты для создания улучшенного ленточного преобразователя;

- разработка алгоритма режима многократных измерений ФКГ с целью увеличения ресурса ленточного ПИП;

- поиск технических решений по совершенствованию ФКГ путём модификации его блоков и составных частей с целью повышения эффективности процесса измерений.

Методы исследования. В диссертационной работе для решения поставленных задач были использованы методы математического моделирования, экспериментальные исследования характеристик ленточных ПИП, численные методы решения дифференциальных уравнений, применены степенные функции для аппроксимации нелинейных характеристик.

Достоверность. Результаты аналитических исследований подтверждаются результатами компьютерного моделирования, физического эксперимента и непротиворечивостью физическим законам. На защиту выносятся:

- математическая модель динамики процесса образования окрашенного комплекса на основе раздельного учёта реакции сорбции и химической реакции, описывающая основные закономерности процессов, протекающих на ленте ФКГ;

- результаты исследования характеристик ленточного ПИП и определение параметров, характеризующих его функцию преобразования, влияние соотношения констант скорости сорбции и химической реакции на вид динамической характеристики;

- пути расширения динамического диапазона ленточного ПИП;

- алгоритм вычисления концентрации определяемого компонента;

- режим многократных измерений.

Научная новизна работы заключается в следующем. Разработана математическая модель динамики процесса образования окрашенного комплекса на ленте ФКГ, отличающаяся учётом реакции сорбции и химической реакции взаимодействия между реагентом и компонентами воздушной среды, в результате чего установлено оптимальное соотношение сорбента и реагента на ленте.

Впервые введено понятие рецептурного коэффициента ленточного чувствительного элемента и разработана методика его корректировки на основе моделирования характеристик ленточного ПИП.

Найдена функциональная зависимость коэффициента чувствительности ленточного ПИП от оптической плотности ленты, особенностью которой

является возможность определения рабочего оптического диапазона ленты, увеличивающего её эксплуатационный ресурс.

Предложен алгоритм режима многократных измерений микроконцентраций токсичных веществ в воздухе ленточными ФКГ, отличающегося учётом изменения коэффициента чувствительности в широком рабочем диапазоне оптической плотности ленты.

Практическая ценность работы.

Проведён комплекс экспериментальных и теоретических исследований по изучению характеристик ленточных ПИП и их параметров.

Выбраны оптимальные параметры ленты, обеспечивающие высокую чувствительность, стабильность и высокие сорбционные свойства ПИП.

Разработана методика аттестации ленты для режима многократных измерений с учётом спектрального интервала и параметров функции чувствительности.

Впервые предложено конструкторское решение по компоновке многоканального спектрофотометра в ФКГ, позволяющее снизить уровень шумов.

Разработано техническое решение по размещению нескольких ленточных ПИП в одном корпусе ФКГ, позволяющее повысить эффективность мониторинга токсичных веществ в воздухе рабочей зоны за счёт одновременного измерения нескольких компонентов.

Предложена модификация ФКГ с целью повышения эффективности процесса измерения микроконцентраций токсичных веществ путём отдельного монтажа преобразователей ленточных кассетных (ПЛК).

По результатам исследований усовершенствован фотоколориметрический ленточный газоанализатор вредных веществ в воздухе и газовых выбросах.

Результаты проведённой работы могут быть использованы предприятиями и организациями, ведущими разработки аналитических приборов для экологического мониторинга воздушных сред, а также для нефтяной, газовой, химической, фармацевтической и других отраслей промышленности (ОАО НПО «Химавтоматика», ЗАО «Экодатчик», ООО «Эко-Сфера», ООО НПО «ЭКО-ИНТЕХ» и др.).

Апробация и реализация результатов работы.

Результаты диссертационной работы внедрены в ОАО НПО «Химавтоматика» и использованы при чтении лекций, в лабораторном практикуме, курсовом и дипломном проектировании на кафедре «Мониторинг и автоматизированные системы контроля» Московского государственного машиностроительного университета.

Основные результаты диссертации докладывались на VI межд. н.-практ. конф. «Экологические проблемы индустриальных мегаполисов» (Москва

3

2007), межд. н.-практ. конф. «Химия в строительных материалах и материаловедение в XXI веке» (Шымкент, 2008), н. конф. студентов и молодых учёных МГУИЭ (Москва, 2009), VIII межд. н.-практ. конф. «Актуальные научные разработки» (София, 2012), межд. н.-метод. конф. «Интеграция науки и образования в технических вузах нефтегазового профиля - фундамент подготовки специалистов будущего» (Уфа, 2012).

Публикация результатов исследований. По теме диссертации опубликовано четырнадцать работ, в том числе четыре статьи в ведущих рецензируемых научных журналах.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка литературы и приложений.

В диссертации обобщены результаты исследований, выполненных автором в период с 2008 по 2013 гг.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы и практическая значимость работы, приведены цель и задачи, сформулированы научная новизна и практическая ценность работы, а также результаты реализации и апробации.

В первой главе проведён сопоставительный анализ ПИП, используемых в ФКГ. Приведён обзор по фотоколориметрическому методу анализа микроконцентраций газов в газовоздушных средах, который имеет свою специфику, обусловленную, главным образом, необходимостью определения низких концентраций веществ. Описаны особенности ленточного фотоколориметрического метода анализа, рассмотрены разработанные и перспективные виды индикаторных лент. Представлены сведения о зарубежных и отечественных фотоколориметрических ленточных газоанализаторах. На основе таких критериев, как тип ПИП, метод измерения его окраски, вид измерительной схемы, режим работы газоанализатора и др., приведена классификация ФКГ (рис. 1).

Фотоколориметрпеские газоанализаторы L i J

| Режим работы J I ПИП | Метод 1пмеренпя

i i V "V 1 i

Непрерывный Периодический 1 Жидкостные Твердотельные Отражение Пропускание

Рис. 1. Классификация фотоколориметрических газоанализаторов

Работа ФКГ основана на физическом (оптическом) методе проведения анализа со вспомогательными физико-химическими процессами.

Результат измерения концентрации вещества в воздухе ^зависит как от

параметров ленточного ПИП V, так и параметров самого ФКГ II, т.е.

И'=/(СВ,СН717,7,$, (1)

где Св ~ концентрация определяемого компонента в анализируемой пробе; Сн — концентрация неопределяемых компонентов; ^ - шумы. Структурную схему ФКГ можно представить так (рис. 2). С ,

) > лчэ ФП У АЦП МПК

-►

и

ЦАП

Т

Рис. 2. Структурная схема фотоколориметрического газоанализатора: ФП- фотоприёмник; У— усилитель фототока;

МП К - микропроцессорный контроллер; И - интерфейс

Чувствительность и избирательность такого газоанализатора определяется свойствами первичного преобразователя, т.е. ленты. Цветная химическая реакция, происходящая на ленте, должна быть специфической для определяемого компонента, иметь достаточно высокую скорость, сопровождаться изменением окраски в широком спектральном диапазоне.

Во второй главе разработана и проанализирована математическая модель динамики процесса образования окрашенного комплекса на ленточном ПИП ФКГ, описывающая химические взаимодействия между сорбентом, реагентом и компонентом анализируемой воздушной среды.

Ленточный ПИП (ПЛК) представляет собой бумажную ленту с нанесённым на неё сорбентом и реагентом, помещённую в кассету. При взаимодействии свободного участка ленты с анализируемым компонентом воздуха происходит химическая реакция с образованием окрашенного комплекса. Последующее фотометрирование ленты по изменению окраски позволяет оценить дозу определяемого компонента, сорбированного на ленте.

Общий процесс появления окрашенного комплекса объединяет две отдельные стадии: сорбцию и химическую реакцию. Более медленный процесс можно рассматривать как лимитирующую стадию, в этом случае можно проанализировать два крайних варианта, когда лимитирующей стадией является химическая реакция (режим быстрой сорбции) или сорбционный процесс (режим медленной сорбции).

При разработке математической модели были приняты следующие допущения:

1. На поверхности ленты находятся активные сорбционные центры 2, на которые могут сорбироваться молекулы определяемого компонента В с образованием центров В2 В + 2 —> В2 . (2)

Параллельно с реакцией сорбции проходит обратная реакция - десорбция В2—'З—ъВ + 2 . (3)

2. В результате взаимодействия молекул реагента Л с центрами В2 происходит химическая реакция с образованием окрашенного комплекса

В2 + А—^АВ2. (4)

Уравнение материального баланса для центров сорбции и реагента описывается уравнениями С2 +СВ2 + С,№2 = С°2 и СА+САВ2 =С°а (5)

Кинетические уравнения для отдельных реакций:

с!С

- образование окрашенных комплексов —= к2САСВ2; (6)

- изменение концентрации занятых сорбционных центров, учитывающее сорбцию, десорбцию и химическую реакцию

= кхСвСг — к3СВ2 — к2САСВ2 ■ (7)

В новых переменных уравнения (6), (7) выглядят так:

^-МГк.-Г.Ь, (8)

(Г:о - Г2 - ¥1)- к3Г2 - к2Тг(Г10 - Г,) , (9)

где Г; - количество на активном участке ленты (концентрация) прореагировавшего реагента; Г2 — количество на активном участке ленты (концентрация) центров с сорбированным определяемым компонентом; к\, кг, к2 - константы реакций сорбции, десорбции и химической реакции, имеющие размерности: м3/мгс, 1/с и м3/мг-с соответственно; У10, У20- исходные количества (концентрации) реагента и сорбента на ленте.

Интегрирование этих уравнений проводилось численными методами.

Решение задачи моделирования фотоколориметрического измерительного преобразователя даёт уравнение переходного процесса (динамическую характеристику) зависимости содержания окрашенного комплекса от времени при взаимодействии с определяемым компонентом

у1=^,Св,С0А.С°г,к1,к2,к3), (10)

где у1 - доля прореагировавшего реагента; С°4, С" - исходные концентрации реагента и сорбента на ленте.

Если рассматривать зависимость количества окрашенного комплекса от концентрации определяемого компонента за фиксированный интервал времени г , то эта формула представляет собой статическую характеристику ПИП

С°АУ1(Св) = /(Св,х). (11)

Если в качестве аргумента использовать дозу - произведение концентрации на время, то динамическая (12) и статическая (13) характеристики по форме практически совпадают

СЫ*)= Ф ('.Св,С0А,С0г,к1,к2,к3)=С0А<р(Св(), (12)

С°АУ1(Св) = /(Свх). (13)

Алгоритм обработки выходного сигнала состоит в вычислении концентрации определяемого компонента по измеренной оптической плотности ленты после воздействия анализируемой смеси за фиксированное время

экспозиции т Св = /(у1С^,т). (14)

Алгоритм работы ФКГ предусматривает измерение оптической плотности при различных временах экспозиции в зависимости от содержания определяемого компонента. При малых уровнях концентраций определяемого компонента изменение оптической плотности ленты мало, что позволяет использовать тот же участок ленты для повторных измерений (режим экономии ресурса ленты). Для реализации этого режима имеет значение линейность динамической характеристики в расширенном диапазоне оптической плотности. Динамическая характеристика фотоколориметрического измерительного преобразователя в значительной степени определяется соотношением двух констант:

к

где Кр - рецептурный коэффициент, количественно равный отношению исходных комплексов концентраций сорбента и реагента на ленте ПИП.

Изменяя концентрации реагента С°л и сорбента С\ при изготовлении состава для покрытия ленты, можно значительно менять величину параметра Кр (рис. 3). Критерием линейности динамической характеристики Ь является отношение линейного диапазона (диапазона изменения оптической плотности, в котором изменение крутизны динамической характеристики не превышает ±10 %) к полному диапазону. При выборе оптимальных пара-

метров динамической характеристики необходимо учитывать несколько критериев, к которым относятся:

1. Максимальная дифференциальная чувствительность динамической характеристики .

СВЛ

2. Линейность динамической характеристики (рис. 4).

Рис. 3. Кривые установления относительной доли Рис. 4. Оценка линейности динамической Уі и у2 при различных значениях начальной кон- характеристики^ =ХСг) по отношению к центрации реактива С° (К? = 2; 0,67; 0,4; 0,28) параметру Св в режиме медленной сорбции

Линейность динамической характеристики ПИП реализуется при малых значениях рецептурного коэффициента в режиме, когда лимитирующей стадией является процесс сорбции определяемого компонента. Критерием оптимальной характеристики является постоянство концентрации сорбента в течение определённого времени. Были исследованы переходные процессы образования окрашенного комплекса в зависимости от соотношения параметров: концентрации определяемого компонента, концентрации сорбента и реагента на ленте. Рассмотрены различные режимы динамических характеристик в зависимости от соотношения постоянных скорости сорбции и химической реакции (режимы быстрой и медленной сорбции). Показано, что в режиме медленной сорбции динамическая характеристика ПИП обладает более широким диапазоном измерений и имеет меньшую погрешность при измерении дозы определяемого компонента.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований ПЛК ФКГ.

В качестве базовой конструкции использован автоматический фотоколориметрический ленточный газоанализатор СФГ-М (рис. 5, а), который является стационарным автоматическим прибором циклического действия, предназначенным для контроля в воздухе рабочих зон и сооружений химических компонентов в диапазоне от 0 до 5 ПДК, и имеет два исполнения. Для контроля конкретного химического компонента в газоанализаторе ис-

пользуют соответствующий тип ПЛК с избирательным для данного компонента расходуемым ЛЧЭ (рис. 5, б).

а о

Рис. 5. Стационарный фотоколориметрический газоанализатор СФГ-М: а — блок датчика и блок питания, б — преобразователь ленточный кассетный в двух исполнениях Технические характеристики газоанализатора СФГ-М представлены в табл. 1.

Таблица 1

Технические характеристики газоанализатора СФГ-М

Измеряемые компоненты да,, сі2, н2з. на, ш3, ндмг, м2н4, о3, ю2

Диапазон измерений 0-5 ПДК

Основная погрешность в диапазоне 1 - 5 ПДК относительная ±25 %

в диапазоне 0 - 1 ПДК абсолютная ±0,25 ПДК

Температура окружающей среды -20...+40 "С

Маркировка взрывозащиты блока датчика ІЕхіЬсШВТЗ

Емкость кассеты с индикаторной лентой не менее 2500 циклов

Габаритные размеры и масса блока датчика 200x300x170 мм, 5 кг

блока питания 213x185x117 мм, 2 кг

Выходные сигналы 4 — 20 мА и 0 - 10 В постоянного тока

ПЛК представляет собой корпус с цилиндрической полостью, в который уложен свёрнутый в рулон ЛЧЭ. Корпус имеет щель, через которую .ЛЧЭ вытягивается из корпуса. На верхней стороне корпуса расположена этикетка с данными о типе ПЛК и дате его изготовления. На нижней стороне расположена наклейка, на которой нанесён штрих-код, позволяющий ввести в газоанализатор сведения о типе ПЛК (контролируемое вещество) и о значении коэффициента чувствительности ЛЧЭ - коэффициент, количест-

венно характеризующий отличие чувствительности данного экземпляра ПЛК от номинальной чувствительности. При установке ПЛК в газоанализатор автоматически с помощью штрих-кода на наклейке происходит настройка на измерение соответствующего компонента. ПЛК осуществляет преобразование дозы (произведение массовой концентрации определяемого газа на время его взаимодействия с ленточным чувствительным элементом) определяемого компонента в изменение коэффициента пропускания оптического излучения в результате цветной химической реакции определяемого газа с реагентом, нанесённым на ленточный чувствительный элемент. Экспонирование (обдув рабочего участка ЛЧЭ анализируемым воздухом) осуществляется в газоанализаторе в несколько этапов, каждый из которых сопровождается фотометрической оценкой результата и учётом времени экспонирования. Реализованный в газоанализаторе принцип действия базируется на связи между временем экспонирования, результатом фотометрирования, чувствительностью ЛЧЭ и концентрацией контролируемого компонента.

Прибор работает по следующему алгоритму. Над лентой, пропитанной специальным реактивом, продувается анализируемый воздух, из которого анализируемый компонент адсорбируется на поверхности ленты и вступает в цветовую химическую реакцию с реактивом, вследствие чего изменяется коэффициент пропускания ленты. Место реакции (реакционная камера) освещается источником света до и после прохождения анализируемого воздуха. Измеряемую концентрацию рассчитывают по формуле:

Сизм = , , „—> 06)

где Сизм- результат измерения концентрации; т - время экспонирования; А - относительное изменение оптического свойства ЛЧЭ, вычисляемое по результатам измерений выходного сигнала фотометра до и после экспонирования; Мн - номинальное значение чувствительности индикаторной ленты данного типа; Км - коэффициент чувствительности ленты, установленной в газоанализатор, отражающий относительное отличие чувствительности данной ленты от значения номинальной чувствительности (Кме[0,83,1,17]). Чувствительность ПЛК при его выпуске из производства определяют экспериментально путём обеспечения контакта участка ЛЧЭ с образцовой газовой смесью с содержанием контролируемого вещества в нём Сд (ПДК). При этом фиксируется время т, за которое оптическое свойство ленты меняется на 10 %. Далее вычисляют чувствительность ленты по формуле:

Сдт

После этого определяют коэффициент чувствительности данной ленты

(18)

мн

При исследовании нескольких бумажных лент проводили сравнение различных измеренных показателей (усилие разрыва ленты, коэффициент пропускания лентой света и др.)с характеристиками образцовой (базовой) ленты и выбирали ленты с оптимальными характеристиками, близкими к образцу (табл. 2).

Таблица 2

Светопропускание (коэффициент пропускания света, Кщ) Отклик на Сш: = = 2,7 ПДК

Лента Усилие Чистая лента Лента с реактивом (Ж)

разрыва, кг Среднее т СКО о Среднее т СКО о Среднее т СКО о-

Образец >0.5 0,325 0,052 0.274 0.034 2,75 0,136

1 >0,5 0,230 0.069 0.251 0.092 3,42 1,587

2 0,189 0.070 0.203 0.181 0,605 0,125

3 >0,3 0.276 0.046 0.290 0,124 0.641 0.1.50

4 <0,3 0,258 0.062 0.246 0.090 1.501 0.338

5 >0,3 0.239 0.068 0.238 0.095 1,318 0,484

6 >0,3 0.209 0.070 0,207 0.067 2.21 1.279

7 >0.5 0,267 0,090 0.256 0.091 0,582 0,137

В работе проводилась проверка воспроизводимости метрологических характеристик газоанализатора при контроле токсичных веществ в воздухе при использовании ПЛК, изготовленных по новой технологии, направленной на увеличение срока сохраняемости. Были предложены рекомендации, позволяющие комплектовать газоанализаторы как новым ПЛК, так и прежним, с одинаковой эффективностью.

С помощью многоканального программно-аппаратного комплекса для сбора, регистрации, хранения и обработки измерительной информации были получены циклограммы процесса измерения концентрации одного из определяемых компонентов - N02 (рис. б).

..... ..,.-.....і.......... .....................1......... "515

— =1

» — Г^

Рис.6. Циклограммы процесса имерения концентрации N02

11

В результате эксперимента была получена зависимость, подтверждающая адекватность предложенной математической модели динамики процесса измерения концентрации на ленточном ПИП (рис. 7). Рис. 7. Экспериментальная зависимость =ЛСі)

В четвёртой главе приведены результаты компьютерного моделирования динамических характеристик фотоколориметрического

измерительного преобразователя, в результате чего были подобраны оптимальные рецептурные коэффициенты ЛЧЭ, что позволило уйти от трудоёмких натурных экспериментов.

т

Рис. 8. Режим повторных измерений.

Зависимость чувствительности от текущего значения оптической плотности

Был разработан режим повторных измерений (рис. 8), позволяющий проводить измерения определяемого компонента на одном участке ленты, тем самым увеличить производительность ленты, а следовательно, и самого прибора.

Разработан и математически обоснован алгоритм режима многократных измерений в ФКГ, расширяющий рабочий диапазон оптической плотности ленты (рис. 9). Была изучена дифференциальная чувствительность в широком диапазоне в зависимости от достигнутой оптической плотности и других параметров; найдена функция аппроксимации

1 = 0-у1=0'у1=(У1Се = СБ-Ую = У10, >'20 = Ую

= іі;уі=уіьут=у2і; св = СБ

X

Г = ійуі=уп;у2= у2і: Св = 0 г = хі + х2; VI-уії, \'2=уі2-'' 0: С в - 0

К(Уі)=

Д(Сг)

. Уи ~Л С„г,

г = 0; у\=уп, Уг-0', Св -і-ь;уі=уч',у2=у2і, се

' = Уп', Ут"Ув', Ся = о Г= Ті + Т2;У1=У11УУ2-У24 0;

Св = 0

. АУі _Уі4~Уа Д(Ст) СУ, -Ї-

С

у, =Е(Ду,) =/£ДСг) и К = ФО,)

3

Рис. 9. Алгоритм режима повторных измерений

этой зависимости; изучена зависимость чувствительности в режиме повторных (многократных) измерений (рис. 8) от режимных параметров.

При увеличении номенклатуры определяемых компонентов и создании новых ПЛК учитывались несколько самостоятельных взаимосвязанных задач: выбор материала ленты, определение её диапазона оптической плотности в заданном спектральном интервале, подбор рецептуры ПЛК (Кр), разработка методики аттестации ленты и алгоритма работы ФКГ для режима повторных измерений. Создание методики определения рецептурного коэффициента по экспериментальным данным позволяет вести направленный синтез реактива для обеспечения расширенного линейного диапазона динамической характеристики.

Также была усовершенствована конструкция прибора, в результате чего улучшены его технические характеристики. Для совершенствования ФКГ предлагается использовать оптические фотометры с перестраиваемыми спектральными каналами. Технически такая реализация осуществима на базе модуля «Омега», разработанного в ОАО «НПО Химавтоматика» с применением волоконной оптики (рис. 10). В этом случае для каждого ПЛК в фотометрическом модуле выбирается спектральный канал, обеспечивающий оптимальный режим повторных измерений определяемого компонента. Разработаны технические решения по модификации структуры ФКГ с целью повышения эффективности процесса измерения микроконцентраций токсичных веществ в воздухе рабочей зоны для одновременного измерения нескольких компонентов путём увеличения ПЛК в одном приборе (рис. 11, а), посредством отдельного от блока ФП монтажа нескольких ПЛК (рис. 11, б), а также за счёт создания двух-, трёхполосного ЛЧЭ в одном ПЛК (рис. 11, в).

ПЛК1

ПЛК2

Блок ФП

ПЛК1

ПЛК2

ПЛКЗ

Блок ФП

Рис. 10. Оптическая схема фотометрического детектора на семь длин волн

Рис. 11. Технические решения по модификации ФКГ для одновременного измерения двух/трёх токсичных компонентов в воздухе

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Решена актуальная научно-техническая задача совершенствования ленточного фотоколориметрического газоанализатора путём улучшения метрологических и технических характеристик его первичных измерительных преобразователей и блоков.

2. Разработана математическая модель динамики процесса измерения, учитывающая сорбцию и химическую реакцию взаимодействия между реагентом и компонентами воздушной среды.

3. Определены и исследованы основные параметры, определяющие вид характеристики ленточного ПИП, обеспечивающие его высокую чувствительность, стабильность и высокие сорбционные свойства, и разработаны рекомендации по созданию ленточного ПИП с улучшенными характеристиками.

4. Впервые введено понятие рецептурного коэффициента ЛЧЭ, представляющего собой количественное соотношение сорбента и реагента на ленте, и разработана методика его корректировки на основе математической модели динамических характеристик ленточного ПИП.

5. Разработан алгоритм режима многократных измерений на одном секторе чувствительного элемента в ленточных ФКГ, позволяющий расширить рабочий диапазон оптической плотности ленты и учитывающий изменение коэффициента чувствительности в широком диапазоне оптической плотности, который даёт возможность снизить стоимость контроля воздуха рабочей зоны и решить техническую задачу увеличения эксплуатационного ресурса ПЛК на основе многократных измерений.

6. Разработана методика аттестации ленты для режима многократных измерений с учётом спектрального интервала и параметров функции чувствительности.

7. Предложены технические решения по созданию ФКГ, обладающего высокой точностью измерения концентрации газов, путём введения многоканального спектрофотометра в его конструкцию и модификаций структуры ФКГ для одновременного измерения нескольких компонентов: посредством увеличения количества размещаемых ПИП (ПЖ) в одном приборе, отдельного от блока ФП монтажа нескольких ПЛК, а также путём изменения структуры ленты за счёт создания двух-, трёхполосного ЛЧЭ в одном ПЛК.

8. Результаты, полученные в диссертации, используют в ОАО НПО «Химав-томатика» и в учебном процессе в Московском государственном машиностроительном университете.

Список опубликованных работ по теме диссертации. Основные результаты диссертации изложены в работах:

В ведущихрегрнзируемых научных журналах:

1. Свирюкова, O.B. Оптические газоанализаторы на основе сорбционно-реагентного измерительного преобразования / О.В. Свирюкова, И.В. Панов // Приборы. - 2009. - № 9 (111). - С. 28 - 30.

2. Свирюкова, О.В. Обработка хроматографических сигналов с применением сигма-дельта аналого-цифрового преобразования / О.В. Свирюкова, К.П. Латышенко, Доан Ван Хоа, П.А. Федина // Экологические системы и приборы. -2010.-№ 8. -С. 16-18.

3. Свирюкова, О.В. Контроль воздуха промышленных предприятий фотоколориметрическими газоанализаторами [Электронный ресурс] / О.В. Свирюкова // Технологии техносферной безопасности: интернет-журнал-Вып. 1 (41). - Февраль 2012. - 8 с. - Режим доступа: http://ipb.mos.ru/ttb.

4. Свирюкова, О.В. Фотоколориметрический метод анализа воздуха промышленных предприятий / О.В. Свирюкова, В.А. Рылов, К.П. Латышенко // Метрология. - 2012. - № 3. - С. 27 - 35.

Публикации в других изданиях:

5. Свирюкова, О.В. Поверка фотоколориметрического газоанализатора СФГ-М: методические указания / О.В. Свирюкова. — М.: МГУИЭ, 2012. — 20 с.

6. Свирюкова, О.В. Фотоколориметрические газоанализаторы. Определение состава и свойств газа / О.В. Свирюкова, К.П. Латышенко, В.В. Головин // Химия в строительных материалах и материаловедение в XXI веке: сб. тр. межд. н. практ. конф. - Шымкент, 2008. - Т. 2. - С. 257 - 258.

7. Свирюкова, О.В. Методы аналитической химии в экологическом мониторинге / О.В. Свирюкова, К.П. Латышенко // Экологические проблемы индустриальных мегаполисов: сб. тр. VI межд. н.-практ. конф. — М.: МГУИЭ, 2009.-С. 212-218.

8. Свирюкова, О.В. Определение токсичных веществ в воздухе при помощи газоанализатора СФГ-М / О.В. Свирюкова, Ю.Р. Сабрекова // Сб. тез. докл. н. конф. - М.: МГУИЭ, 2009. - С. 86 - 87.

9. Свирюкова, О.В. Исследование характеристик фотоколориметричесхсих ленточных измерительных преобразователей / О.В. Свирюкова, В.А. Рылов, М.Ф. Бродский // Математические методы в технике и технологиях -ММТТ-24: сб. тр. XXIV межд. н. конф. - Саратов: Изд-во СГТУ, 2011. - С. 87-89.

10. Свирюкова, О.В. Экспрессные и индикационные методы анализа токсичных примесей в воздухе производственных помещений / О.В. Свирюкова // Уральский научный вестник. - 2011. - № 9 (36). - С. 33 - 37.

11. Свирюкова, О.В. Моделирование ленточного чувствительного элемента газоанализатора / О.В. Свирюкова // Актуальные научные разработки -

2012: сб. тр. VIII межд. н.-практ. конф. - София: БялГРАД-БГ, 2012. - С. 33 -35.

12. Свирюкова, О.В. Ленточные фотоколориметрические газоанализаторы/ О.В. Свирюкова // Мир измерений. - 2012. - № 4. - С. 4 - 10.

13. Свирюкова, О.В. Применение стационарных газоанализаторов при контроле технологических процессов и промышленных выбросов / О.В. Свирюкова // Интеграция науки и образования в технических вузах нефтегазового профиля - фундамент подготовки специалистов будущего: сб.тр. межд. н.-метод, конф. - Уфа: УГНТУ, 2012. - С. 196 - 198.

14. Свирюкова, О.В. Перспективы совершенствования фотоколориметрических газоанализаторов / О.В. Свирюкова, К.П. Латышенко, В.А. Рылов // Известия МГТУ «МАМИ». - 2012. - Т. 4, № 2 (14). — С. 55 - 58.

Подписано в печать 08.02.2013. Формат 60х 84/16. 0,93 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № Университет машиностроения 107023, г. Москва, ул. Большая Семёновская, д. 38