Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Предпосылки к разработке биотехнической системы управления концентрацией легких отрицательных аэроионов 13
1.1. Использование управления параметрами воздушной среды в практике современной гигиены и профилактической медицины 13
1.2. Аэроионы 15
1.2.1. Образование аэроионов 15
1.2.2. Классификация аэроионов и основные характеристики ионизированной воздушной среды 17
1.3. Медико-биологическое значение легких отрицательных аэроионов ...21
1.3.1. Гигиеническое значение ионизации воздушной среды 21
1.3.2. Клиническое применение легких отрицательных аэроионов 22
1.3.3. Развитие представлений о механизмах биологического действия легких отрицательных аэроионов 27
1.4. Классификация, анализ характеристик и перспективы развития современной аппаратуры медицинского и гигиенического назначения для искусственной ионизации воздуха 31
1.5. Анализ биотехнических аспектов осуществления управляемого аэроионного воздействия на биологический объект 36
1.5.1. Проблема транспорта аэроионов из зоны образования в зону воздействия на биологический объект 37
1.5.2. Анализ факторов, воздействующих на биологический объект при работе средств искусственной ионизации воздуха. Формирование требований к техническим элементам системы 39
1.5.3. Обоснование необходимости оперативного измерения концентрации ЛОАИ и поддержания заданного уровня ионизации воздуха. Определение структуры биотехнической системы 42
1.6. Существующие методы измерения концентрации аэроионов 45
1.6.1. Аспирационные методы 46
1.6.2. Методы открытого коллектора 49
1.7. Выводы к главе 1 51
ГЛАВА 2. Разработка метода измерения концентрации лоаи при управляемом аэроионном воздействии на биообъект 53
2.1. Теоретические основы определения концентрации ЛОАИ по комплексной электрической проводимости воздушной среды в зоне воздействия на биообъект 53
2.2. Анализ источников погрешности измерения концентрации ЛОАИ 58
2.3. Выводы к главе 2 65
ГЛАВА 3. Разработка первичного измерительного преобразователя концентрации ЛОАИ 67
3.1. Постановка задачи синтеза первичного измерительного преобразователя 67
3.2. Математическая модель электростатического поля, формируемого в дрейфовом пространстве первичного измерительного преобразователя 74
3.3. Оптимизация геометрических параметров первичного измерительного преобразователя 77
3.4. Исследование взаимного влияния ПИП и внешних объектов 93
3.4.1. Исследование уровня электромагнитных полей, формируемых в ПИП и воздействующих на биологический объект 93
3.4.2. Исследование влияния внешних объектов на точность и чувствительность измерения концентрации ЛОАИ 96
3.5. Выводы к главе 3 98
ГЛАВА 4. Разработка и исследование аппаратных и программно-алгоритмических средств формирования, контроля и автоматического регулирования уровня ионизации воздуха 100
4.1. Разработка ионизирующей системы 100
4.1.1. Выбор метода управления концентрацией ЛОАИ 100
4.1.2. Разработка аппаратно-программных средств ионизирующей системы 102
4.2. Разработка системы измерения концентрации ЛОАИ 104
4.2.1. Анализ возможных схемотехнических решений для определения комплексной электрической проводимости воздушной среды 104
4.2.2. Разработка аппаратных средств системы измерения 108
4.2.3. Разработка алгоритма измерения концентрации ЛОАИ 111
4.2.4. Оценка относительной погрешности измерения ЛОАИ разработанными средствами 119
4.2.5. Апробация системы измерения концентрации ЛОАИ 121
4.3. Разработка и исследование средств автоматического управления уровнем ионизации воздуха 123
4.3.1. Экспериментальная установка 123
4.3.2. Экспериментальное исследование эволюции уровня искусственной ионизации воздуха 125
4.3.3. Идентификация модели системы «ионизатор - воздушная среда». Передаточная функция воздушной среды 128
4.3.4. Синтез алгоритма автоматического регулирования концентрации ЛОАИ в зоне воздействия на биообъект 135
4.4. Выводы к главе 4 139
ГЛАВА 5. Медико-биологическая апробация биотехнической системы управления концентрацией легких отрицательных аэроионов 141
5.1. Контролируемое аэроионное воздействие на группы мушек Drosophila melanogaster 141
5.1.1. Постановка задачи. Разработка экспозиционных камер 141
5.1.2. Медико-биологические исследования воздействия различных уровней ионизации воздуха на Drosophila melanogaster 145
5.2. Управляемое ЛОАИ-воздействие на человека 149
5.2.1. Оптимизация расположения первичного измерительного преобразователя системы измерения концентрации ЛОАИ 149
5.2.2. Оценка эффективности алгоритмов регулирования концентрации ЛОАИ в зоне воздействия на человека 151
5.3. Выводы к главе 5 153
Основные результаты и выводы 154
Литература
- Классификация аэроионов и основные характеристики ионизированной воздушной среды
- Анализ источников погрешности измерения концентрации ЛОАИ
- Оптимизация геометрических параметров первичного измерительного преобразователя
- Анализ возможных схемотехнических решений для определения комплексной электрической проводимости воздушной среды
Введение к работе
Основными задачами медицины труда, сформулированными в рамках современных международных и национальных концепций охраны и укрепления «здоровья здоровых» людей, являются разработка и совершенствование новых профилактических технологий, призванных обеспечивать гигиеническую безопасность, оказывать корректирующее влияние на функциональное состояние организма работающих и уменьшать негативные медико-социальные последствия психоэмоционального стресса на работе. По данным НИИ Нормальной Физиологии (Судаков, 2002 - [80]) до 80% работающих на современных производствах имеют патологические изменения различной выраженности. Согласно проведенным к настоящему времени исследованиям, решение поставленных задач невозможно без учета биологических эффектов одного из важнейших факторов окружающей среды -степени ионизации воздуха, определяемой содержанием аэроионов. Важная биологическая роль прежде всего легких отрицательных аэроионов (ЛОАИ) доказана в работах целого ряда авторов (Васильев, 1953 [9]; Krueger, 1968 [136]; Чижевский, 1957 [94]; Минх, 1963 [48]; Sulman, 1980 [161]; Fornof et al., 1988 [122]; Ливанова и др. 1993 [169]; Скипетров, 1995 [75]; Watanabe et al., 1997 [152]; Terman et al., 1998 [166]; Ryushi et al., 1998 [157]; Дмитриева и др., 1999 [61]; Гольдшгейн, 2000 [16], 2002 [14]; Nakane et al., 2002 [118]; Кондрашова и др., 2000 [168], 2004 [112], 2006 [167] и др.)
Искусственная аэроионизация широко применяется как в клинике, где метод наиболее эффективен при комплексном лечении и профилактике заболеваний, сопровождающихся неспецифической активацией симпатс-адреналовой системы (Зайцева, 1996 [23]; Ставровская, 1997 [77]; Гилинская, 2003 [12] и др.), так и в санитарно-эпидемиологических целях для нормализации свойств воздушной среды (Минх, 1963 [48]; Губернский, 2002 [29]; Гуськов, 2005 [19] и др.).
Согласно современным концепциям, ЛОАИ оказывают неспецифическое адаптогенное влияние, проявляющееся в повышении устойчивости организма к действию различных эндо- и экзогенных факторов. Адаптогенное действие реализуется на физико-химическом, биохимическом и физиологическом уровнях и индуцируется процессами химического взаимодействия входящих в состав ЛОАИ
активных форм кислорода с сенсорными нейрорецепторами кожи и слизистой оболочки носовой полости (Гольдштейн, 2002 [14]).
Накопленные данные позволяют утверждать, что эффект, производимый аэроионами на организм, определяется уровнем воздействия, зависящим от концентрации ЛОАИ. Известные методики ЛОАИ-воздействия используют счетные концентрации в диапазоне от 103 до 106 ион/см3 (Скипетров, 1995 [75], Terman et al, 1998 [166]; Nakane et al., 2002 [118]; Губернский и др., 2005 [29] и др.) при требуемой точности определения не хуже 40-50%.
Установлено наличие выраженной неоднозначности индивидуального восприятия аэроионного потока и необходимости дифференцированного подхода к назначению параметров ЛОАИ-воздействия (Зайцева, 1996 [24, 25]; Кондрашова, 2000 [168]; Червинская, 2001 [85]). Более того, проведенная оценка мутагенных эффектов ЛОАИ (Губернский, Ингель, 2005 [28]) показала потенциальную небезопасность повышенных концентраций ЛОАИ.
Существующая аппаратура для искусственной аэроионизации не обеспечивает реализации функции управления параметрами воздействия, под которой подразумевается не просто насыщение воздуха аэроионами, но и осуществление непрерывного контроля, поддержания, и, возможно, изменения по определенному закону концентрации ЛОАИ. Сложившаяся ситуация сдерживает распространение профилактических технологий, использующих аэроионизацию, т.к. в настоящее время принципиально отсутствует возможность разработки воспроизводимых методик, и делает их применение неэффективным и потенциально небезопасным.
Цель диссертации: разработка методических и технических средств для управления концентрацией легких отрицательных аэроионов.
Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:
Разработка метода измерения концентрации ЛОАИ при управляемом аэроионном воздействии на биообъект.
Разработка первичного измерительного преобразователя концентрации легких отрицательных аэроионов.
Разработка и исследование аппаратных и программно-алгоритмических средств измерения концентрации ЛОАИ.
Разработка и исследование программно-алгоритмических средств автоматического управления уровнем ионизации воздуха.
10
5. Проведение медико- биологических исследований
управляемого аэроионного воздействия на биологический объект.
Научная новизна. В процессе решения поставленных задач получены следующие новые научные результаты.
Для определения концентрации ЛОАИ в условиях управляемого аэроионного воздействия впервые использованы оценки комплексной электрической проводимости объема воздуха в зоне измерения.
Разработана методика проектирования первичного измерительного преобразователя концентрации ЛОАИ, позволяющая оптимизировать его геометрию по критерию максимальной чувствительности при ограничениях, определяемых заданными значениями соотношения «полезный сигнал/помеха» и составляющих инструментальной погрешности, обусловленных процессами в дрейфовом пространстве измерительной камеры.
Разработан помехозащищенный алгоритм измерения концентрации ЛОАИ, обеспечивающий вычисление значений малых переменных ионных токов, переменных токов смещения, индуцированных тестовым сигналом модулирующего напряжения и осуществляющий адаптивное сокращение времени измерения при увеличении концентрации для минимизации погрешности, обусловленной электростатическим рассеиванием.
Исследованы динамические характеристики замкнутой биотехнической системы управления концентрацией ЛОАИ, обоснован вид передаточной функции ионизированной воздушной среды и получены количественные оценки ее параметров.
Практическая ценность.
Разработан комплекс аппаратных и программно-алгоритмических средств управления уровнем ионизации воздуха для обеспечения гигиенических норм концентрации ЛОАИ (по СапПиН 2.2.4.1294-03) на рабочих местах и повышения работоспособности военных специалистов дежурных смэн пуска, работающих в условиях закрытых помещений частей РВСН.
Разработанный метод измерения концентрации ЛОАИ, в отличие от традиционных аспирационных счетчиков ЛОАИ, позволяет максимально совместить зоны измерения и воздействия и корректно учесть влияние внешних
электрических полей и конвективных потоков, что в 2-3 раза повышает точность измерений в условиях ЛОАИ-воздействия на человека.
Реализованный при создании модульный принцип позволяет основные элементы системы (аэроионизатор и измеритель концентрации ЛОАИ) использовать независимо друг от друга, а наличие у каждого устройства открытого аппаратного и программного интерфейса интегрировать их в сложные распределенные системы управления микроклиматом.
Результаты диссертации внедрены в НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А.Н. Сысина РАМН, НИЦ «Обитаемости и медико-психологического сопровождения» В/Ч 25840 и учебный процесс факультета «Биомедицинская техника» МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Апробация работы проведена на базе НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А.Н. Сысина РАМН, НИЦ «Обитаемости и медико-психологического сопровождения» В/Ч 25840 и научном семинаре факультета БМТ МГТУ им. Н.Э. Баумана, научно-учебного комплекса «Радиоэлектроника, лазерная и медицинская техника» МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Российских научно-технических конференциях «Медико-технические технологии на страже здоровья» (Россия, Геленджик 1999, 2000), 3-й, 4-й, 5-й, 6-й и 7-й научно-технических конференциях «Медико-технические технологии на страже здоровья» МЕДГЕХ-2001, 2002, 2003, 2004, 2005 (Турция-Анталия, 2001, 2002 г., Египет -Шарм Эль Шейх, 2003 г., Греция - Ираклион, 2004 г., Греция - Салоники, 2005 г.), Евразийском конгрессе по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика - 2001» (Москва, 2001), 8-ой Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и проблемы измерений» (Москва, 2002), LVTII научной сессии, посвященной дню Радио (Москва, 2003), 5-й международной конференции «Радиоэлектроника в медицине» (Москва, 2003), объединенном научном семинаре факультета «Биомедицинская техника» МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2006).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ, из них 4 в изданиях, рекомендованных ВАК Минобразования и науки РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы из 174 наименований. Основное содержание работы изложено на 169 страницах, содержит 44 рисунка, 18 таблиц.
В первой главе проводится обобщение литературных данных о взаимодействии ЛОАИ с живым организмом и использовании искусственной аэроионизации в современной клинической и гигиенической практике. Рассмотрены основные свойства ЛОАИ и описаны современные представления о механизмах их биологического действия. Показано, что на современном этапе возникает необходимость управления параметрами аэроионного воздействия. Сформулированы основные цели и задачи исследоваїпія.
Вторая глава посвящена разработке теоретических основ метода измерения концентрации ЛОАИ при управляемом аэроионном воздействии. Рассмотрена математическая модель метода и произведен анализ возможных причин возникновения погрешностей измерения концентрации ЛОАИ, произведена оценка методических погрешностей.
Третья глава посвящена разработке первичного измерительного преобразователя ЛОАИ. На основании проведенных исследований разработана методика проектирования первичного измерительного преобразователя. Основной задачей, решаемой при проектировании, является обеспечение максимизации точности измерения и чувствительности, пропорциональной измерительной емкости при ограничении уровня электрических полей, действующих на биологический объект при измерении.
Четвертая глава посвящена разработке и исследованию аппаратных и программно-алгоритмических средств основных технических элементов биотехнической системы управления концентрации ЛОАИ: ионизирующей системы и системы измерения концентрации ЛОАИ. Рассмотрены вопросы разработки алгоритмов автоматического управления концентрацией ЛОАИ в зоне воздействия на биообъект.
Пятая глава посвящена медико-биологической апробации разработанной биотехнической системы управления концентрацией ЛОАИ.
Классификация аэроионов и основные характеристики ионизированной воздушной среды
Основной характеристикой АИ как заряженной частицы является подвижность [35, 65, 82, 92]. Подвижность определяется как коэффициент пропорциональности JX между средней скоростью движения заряженной частицы v и напряженностью поля Ё, вызвавшего это движение [65] v = /i-E. (1-1)
Для наиболее легких ионов соотношение (1.1) сохраняется в нормальных условиях при напряженности поля до 10 кВ/см [65, 82]. Для малоподвижных аэроионов напряженность ограничивается только пробойной напряженностью [82]. Таким образом, в широком диапазоне изменения напряженности поля, включающем значения, характерные для коронного разряда, подвижность не зависит от напряженности [59]. Благодаря этим обстоятельствам, определение подвижности в виде (1.1) оказалось очень удобным. Следует отметить, что в условиях пребывания ионов в собственном и при этом электроотрицательном газе (как в случае ОАИ 0{ в воздухе) основным механизмом перемещения заряда является не непосредственно движение иона, а перезарядка при столкновении с нейтральными частицами [65].
Подвижность аэроионов зависит от газового состава, температуры, давления и плотности воздуха. Размеры и подвижность легких аэроионов сильно зависят от влажности воздуха. При относительной влажности 40% легкие аэроионы представляют собой комплексы в среднем из 13 частиц (12 молекул воды и 1 ион), при влажности 4%- из 3- 4 частиц (2-3 молекулы воды и 1 ион) [97]. При изменении относительной влажности от 0 до 100% подвижность отрицательных аэроионов уменьшается на 18%, в то время как подвижность положительных аэроионов остается практически постоянной. В простейшем случае зависимость подвижности от давления и температуры подчиняется правилу Ланжевена [163] , тл Т 101325 (1.2) 273.15 р где ріц - подвижность при нормальных условиях, р - давление (Па), Т температура (К). Более строгие оценки дают зависимость вида [163] тт (1.3) fi(p,T) = const / где г, - некоторые коэффициенты, изменяющиеся в диапазоне от 0.5 до 1.0.
Различают несколько видов аэроионов, классификация приведена в табл. З в зависимости от размеров и от подвижности [26,35,39,64,92,127,131,132,142,143, 145,146,163,164].
Исследования показали, что спектр подвижности легких положительных и отрицательных аэроионов отличается друг от друга. Подвижность легких отрицательных аэроионов обычно больше подвижности легких положительных аэроионов. По современным оценкам [131,163,164] средние значения подвижностей легких АИ при нормальных условиях равны: Д+ = (1.36±0,06)-10 м /(В-с) ; Д_=(1.53±0.10)-10"4 м2/(В-с).
Обладая всеми свойствами газовых молекул, легкие АИ подчиняются законам диффузии. При наличии слабого внешнего поля подвижность аэроионов К и коэффициент диффузии D связаны соотношением Энштейна [65] М = e-D (1.4) к-Т где к— постоянная Больцмана; е— элементарный заряд; Т — абсолютная температура. Средние значения коэффициентов диффузии для положительных и отрицательных легких АИ в воздухе при нормальных условиях составляют, 2 соответственно, 2,8-Ю"6 и 4,3-Ю-6 —[39].
Величина, характеризующая степень ионизации воздуха называется объемной плотностью электрических зарядов АИ (Кл/м3). Однако традиционно степень ионизации воздуха выражается числом АИ, содержащихся в 1 ал, и называется счетной концентрацией аэроионов. При этом рассматривают концентрацию каждой из условных групп аэроионов, различающихся по подвижности [65,82,164]. Концентрация АИ измеряется в ион/см3, или, принимая во внимание, что каждый АИ, как правило, несет один элементарный заряд е - в е/см .
Наиболее полно ионизированный воздух характеризуется дифференциальной спектральной функцией распределения плотности заряда по подвижиостям п (сокращенно спектральной функцией плотности заряда) [164] , , dn (1.5) где dn - плотность заряда, обусловленная АИ с подвижностями между ц и fi + dft. Частная плотность заряда в диапазоне подвижностей [//;// +Д// определяется интегралом от спектральной функции [82] пмАи= i"fiW tP- (1.6)
Другой важной характеристикой ионизированного воздуха является коэффициент униполярности У, показывающий степень преобладания положительных аэроионов над отрицательными для какой-либо группы АИ. Величина У определяется отношением плотности заряда положительных АИ к плотности заряда отрицательных АИ в определенном диапазоне подвижностей уріЛм _ С1- ) "МАМ где п д - плотность заряда положительных, а ««,Ды - отрицательных ионов воздуха для диапазона подвижностей [//;// + Дц]. Для приземного слоя воздуха в нормальных условиях коэффициент У легких АИ равен 1,1—1,2 [97]. Также большое распространение получил показатель полярности П. Величина П является отношением разности плотностей зарядов АИ положительной и отрицательной полярности определенной подвижности к их сумме: П+ -я" A (L8) ufi,AM - , _
Дня гигиенической оценки аэроионного режима широкое распространение получил электрический показатель загрязненности воздуха 3, который определяется отношением суммы плотностей зарядов NT тяжелых АИ положительной и отрицательной полярности к сумме плотностей зарядов положительных и отрицательных легких «ЛАИ 3 = т я J + "л
Чем меньше величина 3, тем более благоприятен аэроионный режим. Увеличение значения 3 до 50 и более соответствует гигиенически загрязненному воздуху [97].
Наиболее широко характеристики, вычисляемые по формулам (1.7) - (1.9), в настоящее время используются при санитарно-эпидемиологической оценке воздушной среды [51, 60, 67, 51, 69, 71].
Анализ источников погрешности измерения концентрации ЛОАИ
Основным преимуществом аспирационного метода измерения концентрации аэроионов, обусловившим его широкое распространение и использование в подавляющем большинстве известных работ по исследованию характеристик ионизированного воздуха [30, 59, 82,97, 102, 104, 121, 127, 141, 160, 165], является возможность определять не только концентрацию АИ, но и их подвижность. Это позволяет, в частности, при определении концентрации ЛОАИ, провести теоретически корректные измерения, не зависящие от локального распределения АИ по подвижностям.
Однако, как было показано в первой главе, возникающие при искусственной аэроионизации внешние, по отношению к измерительной системе, электрические поля и конвективные потоки вызывают дополнительные погрешности, которые могут превышать 100 %, чем нивелируются все преимущества от возможности определения подвижности. Увеличению погрешностей также способствует необходимость использования замкнутой измерительной камеры, приводящая к пространственному разделению зон измерения и биологического объекта, и аспирация, вызывающая аэроионное обеднение в зоне ЛОАИ-воздействия. При этом результаты исследований физических свойств АД в частности, масс-спектроскопия атмосферных ионов [110, 116, 131, 147, 153] и количественная оценка факторов, определяющих подвижность легких АИ [163, 164, 143, 145], позволяют обосновать возможность определения концентрации АИ без дифференцирования по подвижностям.
Отсутствие необходимости определения подвижности позволяет отказаться от использования количественной информации (объемного расхода) о поле конвективных потоков, и, следовательно, от первичного преобразователя с замкнутой измерительной камерой, типичного для аспирационного счетчика, а использовать конструкцию типа «открытый коллектор». Это не только существенно упрощает и удешевляет систему измерения, но и делает возможными корректный учет внешних полей и конвективных потоков, а также максимальное приближение зоны измерения к зоне воздействия на биологический объект. При этом в работе будет показано, что, используя модуляцию электрического поля, можно учесть локальные условия движения ЛОАИ в зоне измерения, а применяя современные методы аналоговой и цифровой обработки, добиться высоких, соответствующих сформулированным техническим требованиям, чувствительности и помехозащищенности открытой системы. Таким образом, в работе разрабатывается метод измерения концентрации ЛОАИ, у которого сведены к минимуму основные недостатки традиционных аспирационного и метода открытого коллектора.
Основная идея предложенного метода заключается в использовании для повышения точности измерений, помимо ионных токов дополнительной величины, количественно характеризующей локальные условия движения ЛОАИ. Как будет показано, такой величиной является мнимая составляющая комплексной электрической проводимости воздушной среды в зоне измерения. Т.к. данный метод целенаправленно разрабатывается для измерений в непосредственной близости от биологического объекта, то можно говорить об измерении комплексной электрической проводимости системы «измерительный преобразователь -биологический объект».
С целью учета внешних квазипостоянных полей и конвективных потоков при измерениях используется локальное переменное электрическое поле с известными характеристиками. Поле создается в камере измерительного преобразователя, выполненной в виде плоского конденсатора, состоящего из двух обкладок: измерительного электрода и модулятора. При этом модулятор должен обеспечивать беспрепятственный доступ ионов в дрейфовое пространство измерительной камеры.
При разработке математической модели предложенного метода измерения использованы следующие допущения: 1. За время цикла измерения не происходит существенных изменений внешнего электрического поля, конвективных потоков и концентрации ЛОАИ. 2. Ионизация воздуха униполярная отрицательная. 3. Тяжелые аэроионы, образующиеся вследствие зарядки взвешенной в воздухе пыли, вносят пренебрежимо малый вклад в формирование суммарного потока заряженных частиц. 4. Влияние объемного заряда ионов пренебрежимо мало. 5. Значение средней подвижности ЛОАИ полностью определяется температурой, влажностью воздуха и атмосферным давлением, зависимость аппроксимируется дробно-линейной функцией (1.2) [163].
Оптимизация геометрических параметров первичного измерительного преобразователя
Геометрические параметры измерительного преобразователя оказывают сложно зависимое и конкурирующее влияние на чувствительность и точность измерения концентрации ЛОАИ. Поэтому одним из основных этапов проектирования ПИП является оптимизация его параметров.
Критерием оптимизации в этом случае является максимизация чувствительности ПИП. Т.к. чувствительность измерителя концентрации ЛОАИ разрабатываемым методом пропорциональна значению измерительной емкости Сизм (формула 3.1), то целевая функция Ф{Х) может быть сформулирована в виде Ф{Х) = Сиш тах, (3.12) где X - вектор управляемых переменных.
Необходимость решения задачи оптимизации обусловлена наличием целого рада ограничений на параметры ПИП. Можно выделить несколько основных групп ограничений, классификация которых приводится ниже.
Ограничения, связанные с необходимостью минимизации процессов ионного обеднения. Электрическое поле, создаваемое ПИП, должно обеспечивать беспрепятственный доступ ЛОАИ за счет внешних полей и конвективного перемещения воздуха.
Используя модулятор с «вырожденной» геометрией (рис. 3.3) и большими, чем у измерительного электрода, характерными размерами, можно минимизировать погрешность, вызванную адсорбцией аэроионов на модуляторе (рис. 3.3). Но даже такая конфигурация может характеризоваться значительным ионным обеднением из-за выталкивания АИ электрическим полем из дрейфового пространства ПИП.
Действительно, при измерении концентрации ЛОАИ к модулятору прикладывается значительный отрицательный (относительно измерительного электрода) потенциал. Благодаря этому создается поток ЛОАИ, направленный в сторону измерительного электрода и возрастающий с ростом абсолютного значения потенциала. Однако потенциал модулятора может оказаться более отрицательным, чем у областей пространства, из которых осуществляется транспорт ЛОАИ в зону измерения. В этом случае электростатическое поле будет выталкивать ЛОАИ из ПИП, и возникнет погрешность измерения, обусловленная обеднением. Данная ситуация проиллюстрирована на рисунке 3.4. Изолинии составляющей вектора напряженности поля Еу , перпендикулярной поверхности измерительного электрода, изображены в логарифмическом масштабе, что позволяет графически четко выделить зону перехода через нулевое значение (зону изменения направления), ограничивающую дрейфовое пространство ПИП. Под Епт понимается составляющая напряженности поля, формируемая только ПИП и находящимися на конечном расстоянии объектами при включении модулирующего напряжения. Поле, формируемое вне дрейфового пространства (для положительных значений координаты у ), действует против сил, обеспечивающих транспорт ЛОАИ из зоны новообразования.
Для описания процессов выталкивания ЛОАИ использовалась количественная характеристика - скорость выталкивания - Гяыи, определяемая для отрицательных (рис. 3.4) значений составляющей напряженности поля ПИП
Следует отметить, что предложенная методика позволяет получить оценку погрешности «сверху», т.к. имеется возможность поступления ЛОАИ в дрейфовое пространство ПИП по криволинейным траекториям, проходящим вне поверхности А-А.
2. Ограничения максимально допустимой полезной площади измерительного электрода Smax, обусловленные заданным предельным соотношением «сигнал/помеха». Минимизация ионного обеднения достигается использованием «открытой» конфигурации ПИП, т.е. модулятор и другие элементы преобразователя практически не ограничивают доступ ЛОАИ к измерительному электроду.
В указанных условиях исчезает возможность экранирования канала измерения малых ионных токов от влияния внешних электромагнитных помех. Поэтому разрабатываемый метод измерения концентрации ЛОАИ предъявляет более жесткие требования к аппаратно-программным средствам обработки сигналов по сравнению с традиционным аспирационным, при реализации которого используются измерения в закрытой камере.
Анализ возможных схемотехнических решений для определения комплексной электрической проводимости воздушной среды
Из-за использования неэкранированного ПИП концентрации ЛОАИ исключительное ачияние на точность измерений оказывают внешние электромагнитные наводки. Экспериментально установлено, что в основном сигналы наводки представлены составляющими промышленной частоты 50±0.5 Гц, гармониками кратной ей частоты, а также относительно высокочастотными составляющими (порядка 10-20 кГц), определяемыми работой системы формирования высокого напряжения ионизатора. При этом в общем случае амплитуда сигналов наводки более чем на 60 дБ превышает амплитуду сигналов ионного тока (рис. 3.5). Хотя, как уже было отмечено, применение входного интегратора позволяет частично подавить наводки (с учетом нестабильности промышленной частоты при Тщи = 20мс подавление достигает 40 дБ), блоки фильтрации являются необходимыми элементами системы измерения концентрации. При практической реализации фильтрации возможны два подхода: использование комбинации из специально разработанных аналоговых и цифровых фильтров, либо применение стандартных интегрированных решений на базе АЦП с сигма-дельта модулятором. Первый подход наиболее гибкий и универсальный, он позволяет реализовать любые требуемые характеристики фильтров, минимизировать общий период измерения концентрации, применять заведомо большие, удобные для последующего анализа, частоты дискретизации и т.д. Однако указанные преимущества сопровождаются сложностью и громоздкостью схемотехнической реализации. Современные интегральные АЦП с сигма-дельта модулятором обладают высоким разрешением (до 24 бит), большим значением соотношения сигнал/шум (более 90 дБ), высокой линейностью, встроенными программируемыми предусилителями и возможностью автокалибровки. Настройки цифрового фильтра, входящего в состав АЦП, позволяют эффективно (более чем на 60 дБ) подавлять помехи промышленной частоты. Применение таких АЦП существенно упрощает схемотехническую реализацию и дальнейшую программную обработку. В то же время регулирование параметров АЦП ограничено заложенными производителями микросхем диапазонами. Например, время преобразования (и время установления после переключения) обычно жестко привязано к характеристикам цифрового фильтра, что не позволяет одновременно эффективно подавлять помехи и использовать высокую частоту дискретизации. В целом, первый подход больше приемлем на стадии исследований метода измерения концентрации ЛОАИ, второй, как и входной интегратор тока, следует использовать на стадии разработки промышленного образца системы измерения.
Структурная схема системы измерения концентрации ЛОАИ представлена на рис. 4.5. Основными элементами системы являются первичный измерительный преобразователь, канал аналоговой обработки сигналов, поступающих с ПИП, блок формирования модулирующего напряжения, канал аналоговой обработки сигнала измерения модулирующего напряжения, блок датчиков состояния воздушной среды, аналогово-цифровой преобразователь, микропроцессор, блок интерфейса, блок индикации, клавиатура управления.
Первичный измерительный преобразователь состоит из модулятора и измерительного электрода. Методика проектирования ПИП изложена в третьей главе.
Канал аналоговой обработки сигналов, поступающих с ПИП, состоит из преобразователя «ток-напряжение», блока фильтрации и масштабирующего усилителя. Блок фильтрации включает активный режекторный фильтр, настроенный на 50 Гц, и активный НЧ-фильтр, предназначенный дія подавления высокочастотных наводок. Масштабирующий усилитель обеспечивает согласование уровней измеряемых сигналов со входным динамическим диапазоном аналогово-цифрового преобразователя. При практической реализации коэффициент преобразования «ток-напряжение» составлял 100 В/мкА, что при изменении входных токов в диапазоне от 1 пАдо 10 нА соответствует напряжениям от 100 мкВ до 1В.
Режекторный фильтр выполнен на базе мостового дифференцирующего звена [91], НЧ-фильтр - фильтр Бесселя 2-го порядка [91] с частотой среза 180 Гц. Проектирование фильтров производилось исходя из задаваемого времени переходных процессов (50 мс), вызванных скачкообразньш изменением модулирующего напряжения. При этом учитывалась, что в установившемся режиме статическая ошибка, приведенная к выходу преобразователя «ток-напряжение» не должна превышать минимальный уровень полезного сигнала (100 мкВ). Для сигналов токов смещения при измерении емкости, критичных к линейным искажениям, возникающим при фильтрации, предусмотрено их заведение непосредственно на вход маонггабнрующето уситпепя с лреобразо&аівія «гок напряжение». Для расширения динамического диапазона и увеличения соотношения еигаап/шуш при измерении малых сигналов маошт ирующий усилитель выполнен с программируемым в диапазоне от! до 64 коэффициентом усиления.
Блок формирования модулирующего напряжения реализован на базе повышающего импульсного трансформатора с включенным на выходе одшюлупериодньш выпрямителем. Максимальне зиачеше модулирующего ншряжшия определяется напряжением питания, параметрами трансформатора л скважностью и частотой импульсов управления. Для получения различных уровней модулирующего напряжения и формирования экспоненциально щ«е;шощешся сишала, необходимого при измерений емкостной составляющей, истользована схема коммутации выходной емкости выпрямителя на землю через опорное сопротивление. Канал аналоговой обработки сигнала измерения модулирующего ншряжеяия соотоігг из делитеш и согласующего усилителя.
