Введение к работе
Актуальность работы. Последнее десятилетие характеризуется интенсивным развитием сенсорных технологий. Они ориентированы на создание аналитических устройств, позволяющих получать информацию о составе различных сред в форме электрического сигнала. Сложность тестов и высокая стоимость , точного измерения малых концентраций веществ в жидкости вынуждает искать новые пути решения данной проблемы.
В России измерительные системы для жидких сред на основе пьезоквар-цевых сенсоров отсутствуют, несмотря на их большую привлекательность: низкий предел обнаружения измеряемых веществ, относительно низкая стоимость базового электронного оборудования, использование сенсоров, ориентированных на определение широкого круга соединений, возможность проведения анализа в режиме реального времени и автоматизации измерений. При этом применение пьезокварцевых сенсоров в жидкой среде связано с рядом нерешенных проблем, возникающих из-за усиления демпфирующего воздействия жидкости на пьезокварцевый резонатор: значительное изменение эквивалентных электрических параметров сенсора, повышение уровня помех с ростом плотности и вязкости среды. Поэтому исследования, направленные на разработку и создание информационно-измерительной системы для контроля концентраций веществ в жидкости на базе пьезокварцевых резонаторов, являются актуальными.
Целью диссертационной работы является разработка информационно-измерительной системы, позволяющей осуществлять высокоточные и стабильные измерения малых концентраций химических веществ в жидкости на базе малочувствительных пьезокварцевых сенсоров.
Идея работы заключается в повышении стабильности, точности информационно-измерительной системы, увеличений скорости получения результатов с пьезокварцевых датчиков, работающих при высокой демпфирующей нагрузке жидкости, адаптируя их под низкодобротные резонаторы, с использованием оригинальных высокоточных цифровых методов измерения частотных
ЯОС НАЦИОНАЛЬНАЯ! КИВЛИОТЕКА 1
сигналов, а также в разработке и применении эффективных методов фильтрации помех.
Задачи работы:
- создать информационно-измерительную систему, позволяющую опре
делять малые концентрации компонентов при проточно-инжекционном анали
зе методом пьезокварцевого микровзвешивания;
исследовать и разработать методы повышения разрешающей способности измерительной системы;
построить математические модели кварцевых генераторов для исследования устойчивости их работы при изменении эквивалентных параметров пье-зокварцевых резонаторов;
исследовать методы обработки сигналов с пьезокварцевых сенсоров и определить возможность минимизации вычислительных затрат при обработке сигналов в мультисенсорной системе;
исследовать влияния демпфирующего воздействия жидкости на диапазон изменений параметров пьезокварцевых резонаторов;
исследовать режимы работы генераторов с пьезокварцевыми резонаторами в качестве стабилизирующих элементов;
исследовать и разработать схемотехнические решения, обеспечивающие устойчивую работу генераторов в широком диапазоне характеристик используемых пьезокварцевых резонаторов;
исследовать на устойчивость генераторы с пьезокварцевыми резонаторами в качестве стабилизирующих элементов.
Методы исследования. В работе использованы методы классической теории сигналов и цепей, математической статистики, математического моделирования на базе современных вычислительных и программных средств, экспериментального подтверждения.
Научная новизна:
- предложены математические модели кварцевых измерительных генера
торов, отличающиеся от известных возможностью учета демпфирующих фак-
5 торов среды, позволившие определить номиналы элементов и оценить диапазон устойчивой работы в условиях контакта пьезокварцевого резонатора с жидкостью;
установлено, что разработанные оригинальные схемотехнические решения измерительных автогенераторов, отличающиеся от известных положительным суммарным коэффициентом передачи и возможностью перехода через ноль фазочастотной характеристики в трехкратном диапазоне, обеспечивают устойчивое функционирование измерительной системы в необходимом промежутке изменения эквивалентных параметров пьезокварцевых резонаторов;
показано, что новый метод измерения частоты на основе рекурсивных фильтров второго порядка обладает большей вычислительной эффективностью (порядка 70%), чем интерполяционный метод Грандке;
предложен новый оригинальный способ определения сдвига частоты сигнала, вызванного изменением присоединенной массы, отличающийся возможностью одновременного измерения присоединенной массы и свойств жидкости при наличии двух измерительных каналов - амплитудного и частотного, обладающий высокой эффективностью по точности и времени определения концентрации химических элементов в жидкостях;
по материалам разработок поданы две заявки на предполагаемые изобретения (приоритеты № 2004113719 от 12 мая 2004 г. и №2004114355 от 13 мая 2004 г.).
Практическая значимость:
на основе пьезокварцевого микровзвешивания создана первая в России установка для измерения концентраций веществ проточно-инжекционным способом, обеспечивающая точность измерения на уровне нг/мл;
создана полностью цифровая система измерения частоты, способная с точностью до 0,1 Гц с и интервалами в несколько десятков миллисекунд измерять частоту сигнала при минимальных вычислительных затратах;
создана программа обработки сигналов с пьезокварцевых датчиков, позволяющая производить получение и обработку данных на персональной ЭВМ
без применения дорогостоящих и крупногабаритных измерительных приборов.
Реализация результатов работы. Измерительная система определения концентраций химических соединений в жидкости массочувствительными пье-зокварцевыми сенсорами внедрена в учебный процесс Липецкого государственного технического университета и используется в научной деятельности ряда кафедр.
На защиту выносятся:
конструкция, состав информационно-измерительной системы и программное обеспечение, позволяющие производить высокоточные измерения малых концентраций химических соединений в жидкости.
схемные реализации автогенераторов, обеспечивающие измерения параметров пьезокварцевых резонаторов в условиях демпфирующего воздействия жидкости;
метод измерения частоты, обладающий наибольшей вычислительной эффективностью среди интерполяционных методов измерения частоты;
способ выделения частотного сигнала, вызванного изменением присоединенной массы, при одновременном изменении присоединенной массы и свойств жидкости.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на международной конференции по современным сложным системам управления (Воронеж, 2003), на шестнадцатой международной конференции по системному проектированию ICSE 2003 (Ковентри, Англия, 2003), на международной научно-практической конференции по активным системам (Москва, 2003), на научно-практической отраслевой конференции по системам автоматизированного управления (Старый Оскол, 2003), на фестивале студентов, аспирантов и молодых ученых (Иваново, 2003), на четвертой международной конференции по современным сложным системам управления (Тверь, 2004).
Публикации По теме диссертационного исследования опубликовано 10 научных работ.
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка (78 наименований работ отечественных и зарубежных авторов) и приложения. Общий объем работы - 128 страниц. Основная часть изложена на 126 страницах машинописного текста, содержит 62 рисунка и 10 таблиц.
