Микропроцессорная система экологического мониторинга вредных газовых выбросов

Экология решает одну из важнейших проблем современности — изучение взаимоотношений человека с окружающей средой. Необходимость этого обусловлена, прежде всего, негативными экологическими последствиями за счет воздействия антропогенных факторов на биосферу.

За наблюдением факторов, воздействующих на окружающую среду, оценки фактического состояния и прогнозом состояния природной среды закреплен мониторинг. Мониторинг — процесс систематического или непрерывного сбора информации о параметрах сложного объекта или деятельности для определения тенденций изменения параметров. 1].

В науке, технике, производстве и нашем быту широко применяются газоаналитические приборы и системы, используемые для измерения количественных характеристик и параметров как физических, так и технологических процессов, для сбора, передачи и обработки информации.

В настоящее время достаточно широкое распространение получили газоаналитические приборы и системы, основанные на физических методах анализа (оптические, электрохимические, фотоколориметрические) контролирующие содержание газообразных веществ в атмосфере. Одним из характерных качеств такой аппаратуры является возможность анализа газовых смесей, обладающих широким разбросом физико-химических параметров (температуры, влажности, состава, запыленности, давления, наличия вредных и агрессивных сред и др.). Это обстоятельство позволяет создавать большое число элементов пробоподготовки и газовых схем в целом, обладающих более совершенными показателями по надежности и характеру решаемых задач. Весьма важным в газоаналитической технике также является повышение селективности анализа или уменьшение погрешностей от неинформативных компонентов газовой пробы, что позволит осуществлять надежный анализ многокомпонентных газовых смесей. 2].

1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

В данном дипломном проекте предлагается разработать аппаратно-программный комплекс «Микропроцессорная система экологического мониторинга вредных газовых выбросов» ориентированной на использование в организациях, работающих в сфере санитарно-эпидемиологического надзора, а также, всех учреждений, которые занимаются экологическим мониторингом окружающей среды. В частности предназначены для экспресс-анализа воздушных и газовых сред с целью оптимизации сжигания топлива, контроля вредных выбросов, контроля техпроцессов и т. д. Применяются на предприятиях теплоэнергетики, водопроводно-канализационного хозяйства, черной и цветной металлургии, на полигонах и хранилищах радиоактивных веществ, переработки и транспортировки нефти и газа, химической промышленности, в инспекциях по экологическому контролю, инспекциях по безопасности труда, СЭС и т. д.

Система должна решать следующий круг задач:

Конечная цель проектирования — микропроцессорная система экологического мониторинга переносного типа с передачей результатов исследования по мобильной связи заинтересованным организациям и хранение её на диске. Газоанализатор должен обладать цифровым дисплеем, кнопками управления и GSM-модулем.

Система должна быть оформлена в виде малогабаритного прибора с возможностью контроля следующих газов:

— CO — угарный газ, окись углерода, монооксид углерода;

— CO₂ — углекислый газ, диоксид углерода, двуокись углерода, угольный ангидрид, углекислота;

— SO₂ — диоксид серы, сернистый газ, сернистый ангидрид;

— CH₄ — метан, углеводород;

— NO — мон (о)оксид азота, окись азота, нитрозил-радикал.

Входные данные — данные, принимаемые с датчиков.

Выходные данные — результат преобразованных значений.

Технико-экономическое обоснование проекта должно содержать расчет экономического эффекта от продажи системы.

В разделе охраны труда и окружающей среды необходимо рассчитать параметры системы молниезащиты.

В разделе гражданской обороны необходимо произвести оценку радиационной обстановки на предприятии при загрязнении радиоактивными веществами после аварии на атомной электростанции.

2 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

2.1 Общие сведения о системах газового анализа

Анализ смесей газов с целью установления их качественного и количественного состава, называют газовым анализом.

Газовый анализ — это анализ смесей газов, целью которого является определение их качественного и количественного состава. Газовый анализ осуществляется при помощи специальных приборов, газоанализаторов. По принципу действия газоанализаторы бывают ручными и автоматическими. В любом случае основной метод анализа газовой смеси заключается в последовательном поглощении газов различными реагентами, однако автоматические газоанализаторы способны также определить физические или физико-химические характеристики газовой смеси и ее отдельных составляющих. Автоматические газоанализаторы в настоящее время более распространены. Газоанализаторы широко применяются в различных отраслях промышленности, в медицине, науке, на сервисных станциях. 3].

Газоанализаторы можно подразделить:

По типу:

— Стационарные Тяжелые и громоздкие газоанализаторы, предназначенные для длительной непрерывной работы, являются стационарными. Стационарные газоанализаторы используются преимущественно для непрерывного измерения объемной доли различных газов в составе газовоздушных смесей.

— Переносные Переносные газоанализаторы представляют собой менее габаритные, по сравнению со стационарными приборами, изделия, которые могут быть без особого труда перемещены с одного объекта на другой и достаточно просто запущены в работу. Как и для стационарных, количество измеряемых газов индивидуально для каждого прибора в зависимости от набора датчиков.

— Портативные Портативные газоанализаторы — это малогабаритные и легкие приборы. Основное качество портативных газоанализаторов — мобильность. Приборы применяются в местах, где невозможно или нерационально применение стационарных систем и приборов — при добыче, переработке и транспортировке нефти и газа, в колодцах, тоннелях, водоканалах и объектах общепромышленного назначения и АЗС.

По назначению:

— Бытовые Бытовой газоанализатор — это, обычно, недорогая модель, предназначенная для массового применения. Бытовой газоанализатор может быть использован для обнаружения утечки газа, автоматического управления вентиляционным оборудованием, для нормализации газовой обстановки. Применяются такие приборы индивидуально или на предприятиях коммунального хозяйства. Бытовые газоанализаторы характеризуются, как правило, небольшими размерами и низким энергопотреблением.

— Для обеспечения безопасности работ Приборы применяются в целях обеспечения безопасности работ в производственных помещениях, подземных коллекторах, колодцах, проходных каналах, тоннелях, гаражах и других объектах, где могут возникать скопления газов. Это могут быть как стационарные системы, так и переносные приборы газового контроля.

— Для контроля технологических процессов безопасности, которые применяются для измерения предельной допустимой концентрации рабочей зоны, контроля содержания концентрации газа в технологических процессах и в помещениях, для контроля технологических газовых сред и сигнализируют о возникшей опасности. Широко применяются на предприятиях большинства отраслей промышленности.

— Для контроля промышленных выбросов Используются для мониторинга газовых выбросов промышленных предприятий и тепловых станций, контроля выбросов загрязняющих веществ из труб заводов и контроля выбросов загрязняющих веществ из выхлопных труб автомобилей.

— Для экологического контроля Приборы для экологического контроля атмосферы и проведения экологической экспертизы. Для постоянного автоматического экологического контроля теплоэнергетических установок широко используются некоторые модели газоанализаторов. 4].

2.2 Обзор систем измерения вредных газовых выбросов

2.2.1 Газоанализаторы стационарного типа

Газоанализатор многокопоненнтных газовых смесей ГАММА-100 (рис. 2.1)

Рисунок 2.1 — Газоанализатор многокопоненнтных газовых смесей ГАММА-100

Предназначен для автоматического непрерывного контроля одного, двух или трех компонентов из следующего набора газов: СО, СО₂, SО₂, H₂, N₂, CН₄, NO, О₂. Область применения: в системах контроля технологических процессов, окружающей среды и газовых выбросов промышленных предприятий. Тип газоанализатора — стационарный. Способ забора пробы — принудительный. Принцип работы — оптико-абсорбционный, термомагнитный;

Перечислим основные достоинства:

— возможность одновременного измерения до 3-х компонентов;

— введение термои влагокомпенсации, что значительно повышает стабильность показаний;

— увеличение межкалибровочного интервала для термокондуктометрического датчика до 30 суток; для термомагнитного до 6 месяцев (для ряда шкал);

— учет взаимных влияний изменяемых компонентов;

— возможность использования дополнительной оболочки со степенью защиты IР54 и подогревом;

— самодиагностика с выдачей результатов на дисплей;

— мощные пороговые реле 250 В, 25 А;

— наличие звуковой сигнализации;

— цифровые выходы RS 232 и RS 485.

Дополнительные характеристики приведены в приложении А.

Стационарная система мониторинга газовых выбросов SWG 200 (рис. 2.2)

Рисунок 2.2 — Внешний вид газоанализатора SWG 200

SWG 200 — стационарная система мониторинга выбросов в атмосферу токсичных газов с источников постоянного загрязнения атмосферы: крупных котельных установок, ТЭЦ и промышленных предприятий. Высокая стабильность и точность показаний достигаются за счет комбинации электрохимических и инфракрасных сенсоров. Система устанавливается в непосредственной близости от места отбора пробы. Измеренные данные отображаются на большом встроенном дисплее и передаются в виде унифицированных аналоговых и цифровых сигналов Особенности прибора следующие:

— одновременное измерение концентраций 6-ти газов. Измерительные сенсоры: О2 — электрохимический, циркониевый или парамагнитный (по выбору); СО, NO, NO2 — электрохимические; инфракрасные — СО, СО2, СН4;

— русская версия экранного меню прибора;

— все электрохимические сенсоры с увеличенным сроком службы;

— встроенный охладитель на элементе Пельтье для точного и длительного измерения концентрации газов;

— программа самодиагностики всех функций прибора;

— встроенный дисплей и клавиатура позволяют осуществлять контроль измеряемых параметров и управление системой по месту замеров;

— серийный интерфейс RS 232/RS 485 для передачи данных на ПК, с программным обеспечением для обработки данных на ПК. Унифицированные аналоговые выходы: 4…20 мА;

— работа в автоматическом режиме согласно заданной программе с периодической продувкой газового тракта свежим воздухом и калибровкой прибора;

— мониторинг уровня конденсата;

— платинородиевые термопары, позволяющие проводить анализ дымовых газов при высоких температурах: до 1700 °C.

Дополнительные характеристики приведены в приложении А.

2.2.2 Газоанализаторы переносного типа

АНКАТ-7631М — переносной газоанализатор токсичных газов или кислорода.

Переносной электрохимический газоанализатор для контроля концентрации в рабочей зоне одного из компонентов: CO, CL2, NH3, NO2, SO2, O2, H2S.

Рисунок 2.3 — АНКАТ-7631М — переносной газоанализатор токсичных газов или кислорода

Газоанализатор АНКАТ-7631М предназначен для контроля содержания предельно допустимой концентрации в рабочей зона одного из компонентов: окиси углерода СО, хлора Сl2, аммиака NН3, двуокиси азота NО2, двуокиси серы SО2, кислорода О2 или сероводорода Н2S, и выдачи световой и звуковой сигнализации при превышении установленных порогов измеряемого компонента.

Область применения: добыча, переработка и транспортировка нефти и газа, в колодцах, тоннелях, горводоканалах, химические производства, холодильные установки, службы экологии и охраны труда предприятий, связанных с выделением в атмосферу токсичных газов, на судах морского и речного флота и т. д.

Тип газоанализатора — переносной.

Способ забора пробы — диффузионный.

Принцип работы — электрохимический.

Основные достоинства газоанализатора:

— малые габариты и масса;

— взрывозащищенное исполнение;

— наличие световой и звуковой сигнализации;

— возможность комплектования устройством пробоотбора, позволяющим вести измерения в труднодоступных местах, колодцах, цистернах, вентиляционных шахтах на расстоянии до 15 м, не подвергая опасности здоровье персонала.

Комплект поставки: газоанализатор, ЗИП, техническая документация.

Дополнительные характеристики приведены в приложении А.

Переносной газоанализатор «АНГОР» (рис. 2.4)

Рисунок 2.4 — Внешний вид переносного газоанализатора «АНГОР»

Автоматические переносные многокомпонентные газоанализаторы «АНГОР» предназначены для:

— измерения содержания кислорода, оксида углерода, оксида и диоксида азота, диоксида серы в отходящих газах топливосжигающих установок;

— определения расчетным методом содержания диоксида углерода и суммы оксидов азота (NOX);

— измерения температуры и избыточного давления (разряжения) в точке отбора проб, а также индикации температуры окружающей среды;

— измерения перепада давления на пневмометрической трубке (трубке Пито) с целью расчета скорости газового потока в газоходе;

— определения расчетным методом технологических параметров топливосжигающих установок — коэффициента избытка воздуха, коэффициента потерь тепла и КПД сгорания топлива.

Область применения газоанализаторов — контроль содержания загрязняющих веществ в отходящих газах стационарных и передвижных источников промышленных выбросов в целях экологического контроля и оптимизации процесса горения топлива. 5].

Дополнительные характеристики приведены в приложении А.

3 ОБОСНОВАНИЕ АКТУАЛЬНОСТИ ТЕМЫ И ЕЕ ПРАКТИЧЕСКОЙ ЗНАЧИМОСТИ

Научно-техническая деятельность человечества в конце ХХ века стала ощутимым фактором воздействия на окружающую среду. Тепловое, химическое, радиоактивное и другие загрязнения окружающей среды в последние десятилетия находятся под пристальным вниманием специалистов и вызывают справедливую озабоченность, а иногда — и тревогу общественности.

В последние десятилетия общество все шире использует в своей деятельности сведения о состоянии природной среды. Эта информация нужна в повседневной жизни людей, при ведении хозяйства, в строительстве, при чрезвычайных обстоятельствах — для оповещения о надвигающихся опасных явлениях природы.

Уже более 100 лет наблюдения за изменением погоды, климатом ведутся регулярно в цивилизованном мире. Это всем нам знакомые метеорологические, фенологические, сейсмологические и некоторые другие виды наблюдений и измерений состояния окружающей среды. Все шире становится круг наблюдений, число измеряемых параметров, все гуще сеть наблюдательных станций. Все большей сложностью обладают проблемы, связанные с мониторингом окружающей среды. 1].

Для того чтобы обеспечить безопасную для жизни и здоровья производственную среду, не наносить вред окружающей среде (ст. 50. и ст. 16 Конституции Украины) необходимо осуществлять контроль над загрязнением. С этой целью разработан целый ряд нормативных документов и критериев. Для предупреждения отравлений и профессиональных заболеваний вводится контроль, в основе которого положены величины предельно допустимых концентраций (ПДК). 6].

Для контроля одной из жизненно необходимых сред, в которых проживает человек, особое внимание занимает воздух. В воздухе содержится кислород, необходимый для нормального существования подавляющего числа живых организмов.

За состоянием воздуха разработано специальная измерительная аппаратура, которая включает в себя информационно-измерительные системы, информационно-вычислительные комплексы, а так же некоторые другие отдельные приборы.

Огромную роль играют комбинированные системы, объединяющие в себе, часть задачи (напр. СКАПО). Системы, которые сводят процесс к оптимизации и автоматизации. Роль человека сводится к минимуму, как роль простого пользователя, либо просто корректировщика. Их характерной особенностью является необходимость функционирования в автономном режиме длительное время от независимых, ограниченных по ёмкости и мощности батарейных или аккумуляторных источников энергии, что влечёт за собой определённую специфику в принципах построения и методике применения такой техники.

Область применения газоаналитических систем исключительно обширна. С их помощью получают информацию для оценки и прогноза состояния воздушной среды в конкретной области. Как показала практика, только прямые инструментальные наблюдения могут дать достоверные данные о физических процессах, происходящих на объекте загрязнения, и о влиянии этих процессов на его обитателей. И, самое главное — предоставление независимой настоящей информации в точно установленные сроки (интервалы времени приема информации). 3].

4 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА

4.1 Системный анализ

4.1.1 Выбор принципа подхода к системному анализу

Как показывает вся история технического прогресса, создание сложных технических систем и сооружений происходит, как правило, на основе двух принципиально различающихся подходов:

— «нисходящее» проектирование (или проектирование «сверху-вниз», или «декомпозиционное» проектирование), связанное с реализацией «с нуля» некоторого глобального инновационного проекта в рамках единой концептуальной идеи (например, так создавались первые образцы ракетно-космической техники, атомные подводные лодки и др.);

— «восходящее» проектирование (или проектирование «снизу-вверх», или «композиционное» проектирование), основанное на модернизации ранее созданных (унаследованных) технических систем и проектных решений и их агрегировании в виде компонентов в качественно иную, а значит, гораздо более сложную систему (например, создание кластерных архитектур из уже функционирующих автономных серверных платформ).

4.1.2 Выбор и обоснование основных принципов системного анализа исследуемой системы

Принципы системного анализа — это некоторые положения общего характера, являющиеся обобщением опыта работы человека со сложными системами. Различные авторы излагают принципы с определенными отличиями, поскольку общепринятых формулировок на настоящее время нет. Однако, так или иначе все формулировки описывают одни и те же понятия.

Наиболее часто, к системным причисляют следующие принципы: принцип конечной цели, принцип измерения, принцип единства, принцип связности, принцип модульности, принцип иерархии, принцип функциональности, принцип развития, принцип сочетания централизации и децентрализации, принцип учета неопределенности и случайностей. Пренебрежение этими принципами при проектировании любой нетривиальной технической системы, в том числе и программной, непременно приводит к потерям того или иного характера, от увеличения затрат в процессе проектирования до снижения качества и эффективности конечного продукта.

4.1.3 Принцип конечной цели

Представим проектируемую программную систему в виде «черного ящика» (рис. 4.1), тогда входные данные — вектор Х — будут включать в себя описание входных параметров, величины измерений, количество измеряемых величин и непосредственно наличие связи с источником. Управляющие параметры системы — вектор Z — это режим выдачи результатов: сокращенная форма (только сигналы на выходах элементов схемы с указанием времени установления) или полная (с временными диаграммами для всех цепей схемы). Выходные данные — вектор Y — это результаты моделирования, представленные в соответствии с режимом их выдачи, а также библиотека моделей представления результатов, модели представления результатов, сохраненные в отдельные файлы. 7].

Тогда для выполнения равенства Y=F (X, Z) проектируемая система должна выполнять следующие функции (в совокупности, представляющие собой функцию F):

— Качественные и количественные показатели параметров измеряемых компонентов газовой смеси;

— Определения основных параметров окружающей среды (температура, влажность, давление);

— Первичная обработка результатов измерения сетевым микроконтроллером;

— Передача результатов обработки по каналу GSM.

Рисунок 4.1 — Системотехническое представление программной системы в виде «черного ящика»

4.1.4 Принцип единства

Согласно принципу единства, в системе выделяются подсистемы, каждая из которых выполняет полностью или частично некоторые функции проектируемой системы. Совокупность этих систем выполняет все функции системы.

На основании функций проектируемой системы, представленных выше, в ней можно выделить следующие подсистемы:

— Подсистема устройства пробоподготовки УПП;

— Подсистема измерительного преобразователя ИП;

— Подсистема устройств обработки информации УОИ;

— Подсистема выходного прибора ВП.

4.1.5 Принцип связности

Совокупность подсистем проектируемой программной системы и их связей — данными, которыми эти подсистемы обмениваются друг с другом и с внешней средой, — образует ее структуру. Структура проектируемой системы представлена на рис. 5.2.

Рисунок 4.2 — Структура проектируемой системы

4.1.6 Принцип модульности

В проектируемой системе целесообразно выделить следующие модули:

— модуль ПИП (первичной обработки преобразователей);

— модуль обеспечения связности;

— модуль программной обработки.

4.1.7 Принцип иерархии

Согласно этому принципу в сочетании с методологией объектно-ориентированного программирования, в проектируемой системе можно выделить две иерархии объектов:

— семейство объектов, относящихся к аппаратной части;

— семейство объектов, относящихся к программной части.

Иерархия объектов аппаратной части представлена на рис. 4.3.

Иерархия объектов программной части представлена на рис. 4.4.

4.1.8 Принцип функциональности

Функции системы в целом рассмотрены в связи с принципом конечной цели. Рассмотрим функции, входные и выходные данные выделенных подсистем.

Рисунок 4.3 — Иерархия аппаратной части Рисунок 4.4 — Иерархия программной части

1) Основной функцией подсистемы первичных измерительных преобразователей, является сбор данных, снятых с измерителей первичных

2) преобразователей. Выходные данные этой подсистемы являются входными для следующей подсистемы, содержащей блоки обработки, нормирования и коммутации сигналов.

3) Подсистема обеспечения связности передает данные системе, включающей в себя устройства усилителей сигналов, процессоры аналоговых сигналов, для перевода сигналов и информации в уже приемлемой форме системе «Выходного прибора».

4) Основной функцией последней подсистемы, является предоставления результатов обработки информации адресату назначения, в нашем случае это канал GPRS интернет.

4.1.9 Принцип развития

Проектируемая система может быть расширена следующим образом:

— расширение возможностей большего количества измеряемых параметров газовой смеси, путем добавления новых датчиков;

— расширение предметной области, т. е. добавление возможности использования системы не только для комплексного контроля ПДК токсичных газов в рабочей зоне, но и контроля ДВК взрывоопасных газов;

— расширение функционирования системы благодаря объединению подобных газоаналитических систем в единую сеть с шинной архитектурой;

— расширение возможностей системы за счёт добавления исполнительного устройства управления технологическим оборудования объектов контроля (системы вентиляции, звуковые и световые сигнализации):

— обновление адаптера интерфейса USB.

4.1.10 Принцип сочетания централизации и децентрализации

В множестве выделенных подсистем можно выделить несколько подмножеств (возможно пересекающихся), которые будут обладать достаточно высокой степенью автономности от других подмножеств. Например, можно выполнить декомпозицию таким образом:

— {подсистема ПИП};

— {подсистема обеспечения связности};

Связующие элементы, такие как АЦП, аналоговый коммутатор, усилители и преобразователи в целом подчиняются микроконтроллеру независимо от программной части ЭВМ, реализуя с ней двустороннюю связь.

— {подсистема ЭВМ-обработки}.

Здесь ЭВМ только принимает сигналы от газоаналитической системы и интерпретирует их в соответствии с запросами пользователя.

Такое разбиение позволит реализовать полученные подмножества в виде отдельных исполняемых модулей и физически разделить процессы обработки тех или иных сигналов в проектируемой системе.

С другой стороны, все подсистемы можно реализовать в одном исполняемом модуле, регламентируя порядок обращения к каждой из подсистем посредством интерфейса оператора.

4.1.11 Принцип учета неопределенности и случайностей

В проектируемой системе следует предусмотреть возможность реакции на некорректные с точки зрения системы действия оператора, например:

— Переполнение памяти;

— Попытка запроса передачи еще не обработанной информации;

— Попытка создания неверного обращения к системе и т. д.

А так же следует учесть ситуации негативный погодный условий (повышенная влажность, дождь), и предусмотреть наличие полноценного автономного питания.

4.2 Вариантный анализ алгоритмов оптимизации

Вариантный анализ реализации объекта проектирования реализуется методом анализа иерархий с точки зрения критериев, рассматривающихся в следующих принципах системного анализа:

— принцип конечной цели;

— принцип модульности.

Метод анализа иерархий (МАИ) является систематической процедурой для иерархического представления элементов, определяющих суть любой проблемы. Метод состоит в декомпозиции проблемы на всё более простые составные части и дальнейшей обработки последовательных суждений лица принимающего решение (ЛПР) по парным сравнениям. В результате может быть выражена относительная степень (интенсивность) взаимодействия элементов в иерархии. В результате получаются численные выражения этих суждений. МАИ включает в себя процедуры синтеза множественных суждений, получение приоритетных критериев и нахождение альтернативных решений. Полученные знания являются оценками в шкале отношений и соответствуют жёстким оценкам. 8].

Решение проблемы — процесс поэтапного установления приоритетов.

Необходимо сделать выбор одного из трех рассматриваемых вариантов. Предварительный просмотр критериев привел к выбору трех альтернатив:

— Система А. Система, описываемая в данном техническом отчете.

— Система Б. Стационарные газоанализаторы типа ГАММА-100, SWG 200.

— Система В. Переносные газоанализаторы типа АНКАТ-7631М, «АНГОР» .

Детальные характеристики обоих систем для сравнения приведены в приложении А.

Для решения задачи с помощью метода анализа иерархий следует определить критерии, по которым далее будем производить сравнение предложенных систем. Количество критериев должно удовлетворять условию: n=72.

В результате получаем следующие критерии:

А₁ — количество компонентов;

А₂ — обработка МК;

А₃ — передача по GSM;

А₄ — мобильность;

А₅ — стоимость;

А₆ — автоматизация;

А₇ — удобство эксплуатации.

Количество критериев равно семи, что говорит о подходящем наборе критериев, для вывода объективного конечного результата.

Представим проблему выбора в виде трехуровневой иерархии:

Рисунок 4.5 — Трехуровневая схема представления иерархии Производим расчеты относительно метода анализа иерархий: расставляем степени важности критериев относительно друг друга, рассчитываем локальные и глобальные приоритеты. В результате получаем, что система А, предпочтительнее двух остальных, на втором месте система В, на третьем — Б.

Система, А вышла вперед за счет критериев А3 и А4 и А5, которые внесли в победу этой системы соответственно 100%, 67,1825% и 45,481% соответственно.

Таким образом, для индивидуального решения отношение согласованности ОС всей иерархии получилось равно 2,4967% (менее 10%), что, согласно МАИ является допустимым, это говорит о хорошем качестве проведённых суждений.

В ходе рассмотрения вариантного анализа можно сделать вывод о правильном подходе к проектированию системы, так как она превосходит две другие по ряду признаков, так же является более оптимальной и универсальной. Имеется возможность последующего усовершенствования и модернизации и т. п.

5 ОПИСАНИЕ АЛГОРИТМА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ

5.1 Алгоритм работы системы

Подробное изучение предметной области, анализ технического задания на систему, изучение уровня технических и программных средств, позволили предложить структуру алгоритма, управления, преобразования и обработки информации:

1) Работа системы начинается с включения питания на все блоки системы (компрессор, электрический фильтр смеси, стабилизатора температуры, влажности, побудитель расхода, интерфейсного блока, процессора, устройств отображения информации, GSM передатчика). Включение осуществляется подачей питания на контроллер интерфейса, либо программно.

2) Все перечисленные устройства требуют разного времени для выхода на эксплуатационный режим (продувка, прогрев) а также опрос и тестирование всех подключенных компонентов системы (для GSM-передатчика требуется время для подключения к сети и установления связи с сервером). Поэтому команды на включение будем подавать программно с целью уменьшения энергопотребления. Если прибором длительное время не пользуются, желательно отключить питание от устройства.

3) Далее необходимо установить диапазоны измерения газоанализаторов, либо автоматически, либо вручную.

4) После истечения времени подготовки самого инерционного блока, необходимо провести аналого-цифровое преобразование, считать результаты из АЦП в ОЗУ процессора и определить правильность выбранного диапазона газоанализаторов. Если диапазон выбран правильно, можно провести N измерений выбранной компоненты и поместить результаты в ОЗУ процессора.

5) Над полученным массивом данных выполняется статистическая обработка, в которую входят следующие операции:

1) Определение и исключение систематической погрешности;

2) Уменьшение влияния случайной погрешности;

3) Компенсация внутренних шумов;

4) Определение погрешности;

5) Определение скорости и знака изменения концентрации;

6) Сравнение измеренной концентрации газовой компоненты с ПДК.

6) Результаты статистической обработки выводятся на дисплей центрального процессора, а если концентрация превышает предельно-допустимую концентрацию (ПДК) или скорость увеличения превышает допустимую, то производится оповещение оператора.

7) Далее система должна перейти к измерению следующей компоненты газовой смеси по вышеперечисленной последовательности.

8) Если измеренные компоненты остались в памяти до предыдущей проверки, они перезаписываются новыми. По команде оператора происходит считывание всех записанных измерений и передача по каналу GSM.

9) Если по каким-либо причинам передача не удалась, это можно сделать в любое другое время — в выключенном программно состоянии ОЗУ хранит измеренные значения.

Укрупненная структурная схема алгоритма управления преобразования и обработки измерительной информации системы газоанализа представлена на соответствующих чертежах.

Блок схема алгоритма статистической обработки приведена на чертеже 2010. М52.08.01 лист 1.

Блок схема алгоритма работы газоанализатора приведена на чертеже 2010. М52.08.01 лист 2.

6 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

6.1 Разработка и обоснование структурных блоков схемы

Одним из характерных качеств газоаналитической аппаратуры, является возможность анализа газовых смесей, обладающих широким разбросом физико-химических параметров (температуры, влажности, состава, запыленности, давления, наличия вредных и агрессивных сред и др.). Это обстоятельство позволяет создавать большое число элементов пробоподготовки и газовых схем в целом, обладающих более совершенными показателями по надежности и характеру решаемых задач.

Весьма важным в газоаналитической технике также является повышение селективности анализа или уменьшение погрешностей от неинформативных компонентов газовой пробы, что позволит осуществлять надежный анализ многокомпонентных газовых смесей.

Большинство ГА (газоанализатор) в настоящее время построены по типу прямого преобразования с разомкнутой структурной схемой, в которых все преобразования от входной измеряемой величины Х до выходной У имеют одно направление: от входа к выходу ГА (рис. 6.1). 9].

Этот путь представляют следующие устройства:

— устройство пробоподготовки УПП;

— измерительный преобразователь ИП;

— устройство обработки информации УОИ;

— выходной прибор ВП.

УПП предназначены для забора, транспортирования, очистки, осушки, прокачки анализируемой смеси через измерительные камеры ИП, а также стабилизации (при необходимости) ее температуры T, давления P, расхода Q, потребляемой мощности W и других параметров.

ИП осуществляет преобразование параметров, характеризующих состояние газа, в электрический, пневматический (или другой вид) информационный сигнал.

УОИ обрабатывает поступающий из ИП сигнал, выделяя требуемую информацию в аналоговом Y_B или цифровом Y_H виде.

ВП представляет полученную в УОИ информацию в удобном для использования виде (например, в виде массовой концентрации с или объемной доли? компонента анализируемой смеси).

Рисунок 6.1 — Обобщенная структурная схема газоаналитического

УОИ, в зависимости от назначения системы и решаемой задачи, является аппаратура сбора, регистрации (запоминания) и (или) отображения данных, либо вычислительное устройство (центральная или базовая ЭВМ) с периферийным оборудованием, обеспечивающим вывод информации в форме, необходимой для её дальнейшего использования, а также наличие УКВ передатчика для отправки измерений на соответствующий приемник.

Уравнение, связывающее входные и выходные переменные (сигналы) ИИС, можно записать в общем виде (6.1):

{Y} = Ф[{X}], (6.1)

где {Y} - множество выходных переменных системы;

{X} - множество входных измеряемых величин;

Ф — оператор системы, определяющий связь между входными и выходными величинами, в том числе с учётом алгоритма решаемой задачи.

Для нашей системы входными данными являются:

— Сигналы с датчиков (газа, влажности, температуры, расхода газа);

— Органы управления (селектор выбора газа, диапазона измерения, передачи по сети GSM, включения/выключения устройства).

Выходные данные:

— Показания измерений на ЖК-дисплее прибора;

— Файлы результатов измерений, находящихся на сервере, переданные посредством сети GSM.

Тогда множество {X} = {U, I, V} - это входные измеряемые величины. В разрабатываемой системе происходит передача по сети GSM результатов измерения, которые хранятся в ОЗУ, и по запросу пользователя происходит инициализация модема и передача данных.

С учётом поставленной задачи, разработана структурная схема измерительной системы которая представлена на чертеже 2010. М52.08.02.

В структуру входят:

— Блок ПП (Датчики газа, температуры, влажности, расхода газа);

— Усилители ток-напряжние (У1-У2);

— Аналоговый коммутатор (АК), входящий в состав МК;

— Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП);

— Память данных, программ (ОЗУ, ПЗУ);

— Процессор (ЦПУ);

— Асинхронный последовательный интерфейс (USART);

— Порты ввода-вывода (ПВВ);

— Схемы управления нагрузкой (СН1-СН2);

— Насос (НС) и нагреватель (НГ);

— Жидкокристаллический индикатор (ЖКИ);

— Беспроводной модуль передачи данных (GSM-приемоередатчик).

В таком приборе измерения осуществляются по требованию оператора с помощью элементов управления. После окончания измерений значение о концентрации заносятся в память. Организация памяти представляют собой стек, при достижении его верхушки, старые значения вытесняются новыми. Закончив измерения, оператор по желанию отправляет измеренные данные, которые извлекаются из памяти и передаются по каналу мобильной связи.

Для передачи по мобильной связи используется GSM-модем в виде отдельного конструктивного решения. Модем работает через оператора выбранной сотовой сети посредством управления АТ-команд. Структурная схема взаимодействия представлена на рисунке 6.3.

В реализации удаленной передачи на конечный компьютер пользователя, данные передаются посредством GPRS через сеть интернет на промежуточный сервер.

Модуль выступает в качестве Web клиента (Web Client — WCL) обменивающегося данными с некоторым внешним сервером по протоколу HTTP. Сервер должен иметь статический внешний IP адрес и быть доступным в любой момент времени. В качестве сервера используется сервер KernelChip (предоставляемый производителем GSM-модема) круглосуточно обслуживающий запросы всех модулей. То есть в режиме WCL общение с модулем производится не на прямую, а через промежуточный сервер. В конечном итоге компьютер клиента запрашивает необходимую информацию с промежуточного сервера KernelChip и преобразует информацию к требуемому виду.

Рисунок 6.3 — Схема взаимодействия газоанализатора с беспроводной сетью и конечным компьютером

6.2 Описание работы газовоздушной части газоанализатора

Забираемая для анализа проба обладает весьма большим разбросом параметров, например, по запыленности, давлению, температуре, влажности, составу неизменяемых компонент, наличию вредных и химически активных веществ.

В то же время применяемые в газоанализаторах ИП требуют подачи в них, как правило, очищенной, осушенной анализируемой пробы со стабильными физическими параметрами (температура, давление, расход и др.). Вот почему между измеряемым или контролируемым объектом и ИП должны быть включены УПП.

В целом к УПП предъявляются следующие требования:

— эффективная и надежная очистка от механических примесей и аэрозолей;

— уменьшение до требуемых значений влагосодержания (осушка);

— стабилизация давления, температуры, расхода и других параметров;

— отсутствие или минимизация сорбции и десорбции информативного параметра (анализируемого компонента) смеси;

— высокое быстродействие, минимальное время транспортного запаздывания;

— высокая параметрическая надежность.

Одним из основных и трудновыполнимых требований УПП является обеспечение репрезентативности подаваемой в ИП пробы, т. е. гарантированное сохранение ее состава, прежде всего в отношении определяемого компонента (или компонентов). 9].

Чаще всего применяют следующий порядок подготовки пробы для анализа:

1) Отбор анализируемой пробы с помощью входного патрубка;

2) Очистка от механических примесей с помощью фильтра;

3) Транспортирование смеси по линии транспортировки;

4) Дополнительная очистка с помощью фильтра;

5) Прокачка пробы (при необходимости) и коммутация осуществляются побудителями расхода и вентилями;

6) Осушка пробы осушителем;

7) Стабилизация давления и расхода с применением различных регуляторов давлений;

8) Стабилизация температуры пробы, влажности;

9) Блок информационных преобразователей (ИП₁-ИП_n);

10) Выходной патрубок.

Чаще всего пробоотборник или газозаборный зонд представляет собой трубку, обычно из нержавеющей стали определенной длины. К зонду подсоединен шланг с фильтром и блоком осушки газа. В состав блока осушки газа входит термоэлектрический холодильник с блоком питания.

Конденсат накапливается в специальной емкости, откуда периодически сливается вручную. На шланге имеется штуцер для подключения зонда к газоанализатору. Электрический провод с разъемом соединяет датчик термопары со специальным гнездом на передней панели прибора.

7 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ СИСТЕМЫ

7.1 Выбор и обоснование первичных преобразователей

Назначением измерительной части прибора является измерение сигнала на чувствительном элементе газового датчика, его преобразование в цифровой код и дальнейшая передача этого кода в микропроцессор для обработки. Методы анализа газовой пробы рассмотрены далее. Прежде всего, необходимо ознакомится с характеристиками датчиков, для чего нужно знать диапазон измерения ПП для определения ПДК. Согласно гигиеническим нормативам [ГН 2.2.5.2100−06] «Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны» и дополнению N 2 к [ГН 2.2.5.1313−03] а также ГОСТ 12.1.005−88, выведем их в таблицу 7.1:

Таблица 7.1 — Предельно допустимые концентрации (ПДК) в атмосферном воздухе

Примечание. Перевод одних единиц в другие проводился при нормальных атмосферных условиях по ГОСТ 2939–63: (101 325 Н/м², и 20°C).

Для выбора ПП сформулируем основные критерии:

— Измерение требуемого компонента;

— Соответствие диапазону измерения величине ПДК;

— Малые габариты;

— Низкое электропотребление;

— Низкая цена.

Рассмотрим самые распространенные метода анализа содержания веществ в воздухе:

1) Оптический;

2) Полупроводниковый;

3) Электрохимический;

4) Хемилюминесцентный;

5) Атомно-эмиссионная спектроскопия.

У каждого из вышеописанных методов есть свои достоинства и недостатки. Например, оптический детектор может определять только молекулы двухатомного газа, и поэтому непригоден для одноатомного (водорода), в хемолюминесцентных сенсорах подложку с раствором композиции нужно менять с периодичностью от двух дней до 2-х недель (зависит от анализируемого вещества). Для постоянного контроля без участия человека это никуда не годится.

Полупроводниковые датчики для промышленности скорее ненадежны, поскольку недостаточно точны при определении отдельных газов, на них также влияют перепады атмосферной температуры и влажности. Они также медленно реагируют и восстанавливаются после воздействия выброса газа.

Атомно-эмиссионная спектроскопия — это либо очень громоздкие приборы, либо компактное, но очень дорогостоящее оборудование, достаточно сложное в обращении.

В настоящее время наибольшее распространение при решении задач по разработке и изготовлению ГА, получили газоанализаторы, основанные на оптических абсорбционных методах и потенциометрическом методе, который является разновидностью электрохимического. 10].

Для переносного ГА вполне подойдут миниатюрные и дешевые электрохимические датчики. Последние выпускаются серийно многими зарубежными производителями: Alphasense (Великобритания), Dynament (Великобритания), Nemoto & Co. Ltd (Япония), Membrapor (Швейцария), Sixth Sense (Великобритания).

Благодаря надежности и доступности были выбраны электрохимические датчики компании Alphasense. Все газы измеряются только электрохимическими датчиками, что облегчает настройку и подбор необходимых к ним элементов.

Рассмотрим основные преимущества датчиков этой фирмы:

— Линейный выход пропорционален концентрации газа;

— Высокая избирательность;

— Высокая чувствительность;

— Нечувствительность к влажности;

— Стабильная мощность в течение длительного времени;

— Низкое энергопотребление, поскольку нагреватель не используется;

— Маленький и легкий (может использоваться в портативных устройствах);

— Отсутствие механической структуры, значит, устойчив к ударам и вибрациям;

— Невысокая стоимость.

7.2 Физические основы работы потенциометрических датчиков

Суть потенциометрического электрохимического метода состоит в том, что в ячейке, заполненной электрохимическим раствором, электролиз проводится при сохранении определенного потенциала на поверхности электродов и электролитического раствора.

В датчиках на каждый конкретный вид газа устанавливают вполне определенный потенциал, избирательно сдвигающий реакции окисления или восстановления, в результате чего и оказывается возможным производить количественный анализ различных газов. При электролизе какого-либо газа используют измерительный электрод, на котором протекает реакция окисления (или восстановления) и одновременно вспомогательный электрод, на котором протекает реакция восстановления (или окисления).

Для контроля над изменениями потенциала измерительного электрода в процессе электролиза и для поддержания потенциала на определенном уровне, используется ещё один дополнительный электрод внутри датчика. Заданный потенциал для проведения электролиза какого-либо газа выбирается на основе кривых ток-потенциал. Что касается этого потенциала, то определяется собственный окислительно-восстановительный потенциал в отношении газа, и он изменяется в зависимости от различных условий при электролизе.

Для примера приведены значения окислительного потенциала для некоторых газов:

CO + H₂O — CO₂ + 2H⁺ + 2е ^- — 0,12 V (7.1)

SO₂+ 2H₂O — SO₄+ 4H⁺ + 2е ^- + 0,17 V (7.2)

NO + 2H₂O — NO₃ + 4H⁺ + 3е ^- + 0,96 V (7.3)

Если в смеси имеется, например, два электролизирующих газа, А и В, но потенциал для одного, например В выше, чем для газа А, т. е. V_в > V_а, то установив на электроде потенциал V_е < V_в, мы сможем изменять концентрацию газа, А по величине электролитического тока I_а, при этом влияние на этот ток присутствия в смеси газа В будет незначительным.

Зависимость между величиной электролитического тока и концентрацией газа задается формулой (7.1):

где (7.1)

I — электролитический ток (А);

n — количество электронов, образующихся на 1 моль газа;

F — константа Фарадея;

A — размер площади диффузии газа (см²);

D — коэффициент диффузии (см²/с);

b — толщина диффузионного слоя (см);

C — концентрация газа, который электролизуется в электролитическом растворе.

В одном и том же датчике величины n, F, A, D и b — постоянные. Следовательно, электролитический ток I прямопропорционален концентрации газа С.

Конструктивно датчик (рис. 7.1) состоит из геометрической ёмкости из пластика, заполненной электролитическим раствором, и трёх электродов. Измерительный электрод представляет собой тефлоновую пленку малой толщины (0,5 мм или меньше) с отверстиями (40%) и с прикрепленным к пленке катализатором из металла. Для того, чтобы между измерительным и вспомогательным электродами возникла постоянная разность потенциалов, в датчике применяют цепь постоянного напряжения. В зависимости от вида газа, материала катализатора в измерительном электроде, установленный потенциал между электродами нужно менять, определив его по кривым ток — разность потенциалов. Для датчика на СО подходит в качестве катализаторов чёрная платина (Pt), Rh, Ir и Pd .

При использовании потенциометрического электрохимического метода наиболее важным моментом является выбор потенциала и сохранение его на определённом уровне. 11−12].

Рисунок 7.1 — Схема сенсора: 0- электрод сравнения; 1-индикаторный электрод; 2 -вспомогательный электрод Конструкция электрохимического датчика показана на рисунке 7.2.

Рисунок 7.2 — Внутренняя организация сенсора

Измеренное количество воздуха проникает в датчик через диффузионный барьер (трубку) и проницаемую газовую мембрану, при взаимодействии с зондом, присутствующий токсичный газ подвергается электрохимической реакции. В случае если это угарный газ, то мы получаем реакцию согласно химической формуле (7.1).

Образованный углекислый газ диффундирует в воздух, в то время как положительно заряженные ионы водорода попадают в электролит.

Полученные электроны заряжают электрод, но затем уничтожаются, как небольшое количество электрического тока внешней измерительной схемой.

Реакция окисления сбалансируется путем соответствующей реакции сокращения в противоэлектроде:

O₂ + 4H+ + 4e^- => 2H₂O (7.4)

Таким образом, в одном электроде при расходе воды образуются электроны и, наоборот, при расходе электронов образуется вода. При наличии угарного газа ни одна из этих реакций произойти не может. При соединении двух электродов, небольшое количество тока, образованного между ними, измеряется прямо пропорционально концентрации CO в воздухе.

Электрод сравнения контролирует весь процесс. Он полностью погружен в электролит. Если нет наличия газа, то он не позволяет току пройти. Электрод сравнения всегда сохраняет одинаковый электрохимический потенциал (Rest-Air Potential). Зонд связан с электродом сравнения через ток, что не позволяет ему измениться при наличии окислительного газа. 13].

Элементная база для системы, в частности измерители интересующих нас параметров, выбирались с учетом подходящих свойств и требований нашей системы. Данные основных характеристик ПП для удобства сравнения занесены в таблицы и указаны в приложении Б.

7.3 Разработка электрической принципиальной схемы измерительной части прибора

Электролитические сенсоры и на выходе выдают очень слабый аналоговый сигнал, порядка нескольких десятков наноампер, поэтому требуется усиление этого тока. Для этих целей подойдут дифференциальные усилители с большим коэффициентом усиления, но истинный коэффициент определяется схемотехническим видом ОУ и петлей ООС. К тому же их ток потребления чрезвычайно мал, а входы усилителя тока не потребляют. Схема включения датчиков с инвертирующим ОУ приведена на рисунке 7.3. 14].

Рисунок 7.3 — Схема усилителя для датчиков газа Резисторы R5 и R4, устанавливаемые между неинвертирующим входом и землей, уменьшает ошибку, возникающую из-за тока смещения. Так как ОУ имеет емкостную нагрузку, то последняя вместе с выходным сопротивлением усилителя образует инерционное звено, которое дает дополнительный фазовый сдвиг выходного напряжения. Все это уменьшает запас по фазе, и схема усилителя может самовозбудиться уже при незначительной величине нагрузочной емкости.

Для устранения этого явления в цепь обратной связи включается дополнительный конденсатор С1, С2 и С3. В этом случае обратная связь представляет собой интегродифференцирующее фазо-опережающее звено, создающее в окрестности частоты среза положительный фазовый сдвиг, компенсирующий запаздывание, вносимое емкостью нагрузки. 15].