Содержание к диссертации
Введение
1. Базовые информационно-измерительные системы физико-химического состава и свойств веществ 13
1.1. Краткие сведения о системах 13
1.2. Классификация систем 17
1.3. Обобщенные структурные схемы базовых систем 19
1.3.1. Обобщенная структурная схема систем прямых измерений 21
1.3.2. Обобщенные структурные схемы систем косвенных и совокупных измерений 24
2. Математическое описание технико-экономических характеристик базовых информационно-измерительных систем физико-химического состава и свойств веществ 28
2.1. Математическое описание статических функций преобразования базовых систем 28
2.1.1. Математическое описание статических функций преобразования систем -
прямых измерений 28
2.1.2. Математическое описание статических функций преобразования систем косвенных измерений 31
2.1.3. Математическое описание статических функций преобразования систем совокупных измерений 32
2.2. Математическое описание показателей погрешностей базовых систем 33
2.2.1. Математическое описание показателей погрешностей систем прямых измерений 36
2.2.2. Математическое описание показателей погрешностей систем косвенных измерений 40
2.2.3. Математическое описание показателей погрешностей систем совокупных измерений 41
2.3. Математическое описание показателей надежности базовых систем 43
2.3.1. Математическое описание показателей надежности систем прямых измерений 45
2.3.2. Математическое описание показателей надежности систем косвенных и совокупных измерений 47
2.4. Математическое описание показателей быстродействия базовых систем 50
2.4.1. Математическое описание показателей быстродействия систем прямых измерений 51
2.4.2. Математическое описание показателей быстродействия систем косвенных и совокупных измерений 53
2.5. Математическое описание показателей материалоемкости базовых систем 55
2.5.1. Математическое описание показателей материалоемкости систем прямых измерений 55
2.5.2. Математическое описание показателей материалоемкости систем косвенных и совокупных измерений 57
2.6. Математическое описание показателей энергопотребления базовых систем 58
2.6.1. Математическое описание показателей энергопотребления систем прямых измерений 58
2.6.2..Математическое описание показателей энергопотребления систем косвенных и совокупных измерений 59
2.7. Математическое описание стоимостных показателей базовых систем 59
2.7.1. Математическое описание стоимостных показателей систем прямых измерений 62
2.7.2. Математическое описание стоимостных показателей систем косвенных и совокупных измерений 65
3. Синтез информационно-измерительных систем физико-химического состава и свойств веществ 68
3.1. Задачи синтеза систем 68
3.2. Классификация задач синтеза систем 74
3.3. Алгоритмы решения типовых задач синтеза систем 76
3.3.1. Алгоритмы решения задач синтеза первого рода 78
3.3.2. Алгоритмы решения задач синтеза второго рода 85
3.3.3. Алгоритмы решения задач синтеза третьего рода 89
4. Применение общих принципов синтеза информационно-измерительных систем физико-химического состава и свойств веществ 93
4.1. Синтез автоматизированных систем высокоскоростного анализа почв 93
4.1.1. Задачи синтеза систем 93
4.1.2. Синтез системы анализа почв по методу ЦИНАО 96
4.1.3. Синтез системы анализа почв по методу Чирикова 103
4.1.4. Синтез системы анализа почв по методу Мачигина 105
4.1.5. Синтез системы анализа почв по методу Кирсанова 109
4.2. Синтез информационно-измерительных систем физико-химического состава и свойств природного газа 111
4.2.1. Синтез лабораторной системы 111
4.2.2. Синтез промышленной системы 121
4.3. Синтез хемилюминесцентных газоаналитических устройств 127
4.3.1. Теоретическое исследование газофазного хемилюминесцентного метода 127
4.3.2. Разработка устройств определения оксидов азота, аммиака и озона 135
4.3.3. Разработка устройств определения арсина, фосфина и моногермана 144
4.4. Синтез рентгенофлуоресцентных химико-аналитических комплексов 151
4.5. Синтез системы контроля кислорода в воздухе 164
4.6. Схема измерения газов в топливе 177
Основные выводы 189
Библиография 192
Приложение 213
- Обобщенные структурные схемы базовых систем
- Математическое описание показателей погрешностей базовых систем
- Классификация задач синтеза систем
- Синтез информационно-измерительных систем физико-химического состава и свойств природного газа
Введение к работе
В диссертации систематизированы и обобщены результаты теоретичес-ких и экспериментальных исследований в области разработки и внедрения средств физико-химических измерений, полученные соискателем в период с 1982 по 2009 год.
В результате указанных работ решена научная проблема, имеющая важ-ное хозяйственное значение – сформирована методология синтеза информа-ционно-измерительных систем физико-химического состава и свойств ве-ществ (ИИСФХ), обеспечивающая создание систем, удовлетворяющих тре-бованиям к их назначению, условиям применения и технико-экономическим характеристикам.
Актуальность темы. Синтез систем, в частности ИИСФХ, связан с определением схем, обусловливающих соответствие систем предъявленным требованиям, установлением условий их технической реализуемости и про-ведением работ по реализации этих схем. Названные вопросы обсуждаются на протяжении не одного десятка лет и являются составной частью теории систем. Основы данной теории заложили известные зарубежные (Р. Калман, М. Месарович, И. Такахара и др.) и отечественные (А.А. Богданов, В.М. Глушков, Н.Н. Моисеев и др.) ученые. Круг рассматриваемых вопросов постоянно расширяется и детализируется. Вместе с тем применение подхо-дов, не учитывающих особенности ИИСФХ, с одной стороны, и относитель-ная частность или односторонность изучения вопросов их синтеза, с другой, довольно часто 1) приводят к использованию не всех потенциальных воз-можностей методик выполнения измерений (МВИ) и технических средств для их реализации; 2) сдерживают развитие и совершенствование методи-ческого обеспечения и средств физико-химических измерений; 3) вызывают необоснованное занижение технико-экономических характеристик синтези-руемых систем. При этом методология синтеза ИИСФХ, включая общие принципы их синтеза, резюмирующие данные методологические вопросы, продолжает находиться на стадии становления, оставаясь крупной научной проблемой.
До 1992 года работы по формированию указанной методологии соиска-тель проводил в рамках научно-технических проблем, постановлений и про-грамм государственных органов СССР:
– Научно-техническая проблема 0.18.04, утвержденная Постановлением ГКНТ и Госплана СССР № 491/244;
– Постановление Совета Министров СССР № 910;
– Программы работ Минхимпрома СССР по созданию газоанализаторов, систем автоматизированного контроля загазованности воздуха и их метроло-гическому обеспечению;
а с 1992 года при выполнении Федеральных и Государственных научно-технических программ, научных проектов и опытно-конструкторских работ, проводившихся по заданиям Миннауки, Госкомэкологии и Минобороны России.
Объектом исследования являются ИИСФХ, в том числе МВИ и техни-ческие средства, используемые для их реализации.
Цель исследования заключается в формировании методологии синтеза ИИСФХ, обеспечивающей создание систем, удовлетворяющих требованиям к их назначению, условиям применения и технико-экономическим характе-ристикам.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1) провести классификацию ИИСФХ и выделить базовые системы; 2) проанализировать и систематизировать структурные схемы базовых систем; 3) исследовать технико-экономические характерис-тики базовых систем; 4) провести классификацию задач синтеза ИИСФХ и разработать алгоритмы решения типовых задач синтеза; 5) систематизиро-вать полученные результаты и сформировать общие принципы синтеза ИИСФХ.
Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы математического моделирования, экспериментального исследова-ния, системного анализа и синтеза.
Научную новизну работы составляют:
1. Результаты исследований, полученные при формировании общих принципов синтеза ИИСФХ, в частности:
– результаты классификации указанных систем;
– обобщенные структурные схемы базовых систем;
– математическое описание технико-экономических характеристик (стати-ческих функций преобразования, показателей погрешностей измерений, надежности, быстродействия, материалоемкости, энергопотребления, стои-мости) базовых систем;
– результаты классификации задач синтеза ИИСФХ;
– математическое описание типовых задач синтеза этих систем и алгоритмы их решения.
2. Общие принципы синтеза ИИСФХ, конкретизирующие вопросы разра-ботки промышленных изделий применительно к системам названного класса.
Практическую ценность работы составляют результаты применения общих принципов синтеза ИИСФХ при разработке различных технических устройств, в том числе:
– структурные схемы, совокупности технических средств и значения режим-ных параметров систем анализа почв, обеспечивающие наименьшую стои-мость получения измерительной информации при погрешностях и произво-дительности измерений, удовлетворяющих предъявленным требованиям;
– МВИ, структурные схемы и совокупности технических средств измери-тельных систем состава и свойств природного газа, обеспечивающие наи-меньшую стоимость систем при погрешностях измерений, соответствующих предъявленным требованиям;
– МВИ, структурные схемы, технические средства, значения конструктив-ных и режимных параметров хемилюминесцентных устройств для определе-ния оксидов азота, аммиака, озона, арсина и фосфина в атмосферном возду-хе, воздухе рабочей зоны и газовых выбросах, обеспечивающие наимень-шую стоимость устройств при погрешностях измерений, удовлетворяющих предъявленным требованиям;
– МВИ, структурные схемы и совокупности технических средств рентгено-флуоресцентных химико-аналитических комплексов для определения тяже-лых металлов в природной и сточной воде, газовых выбросах и почве, обес-печивающие наименьшую стоимость комплексов;
– структурная схема и совокупность технических средств системы контроля концентрации кислорода в воздухе рабочей зоны, обеспечивающие требуе-мые погрешность, надежность и быстродействие измерений;
– схема получения измерительной информации и структурная схема уста-новки для определения азота и гелия в компонентах жидкого ракетного топ-лива, обеспечивающие получение информации непосредственно в процессе заправки образцов ракетно-космической техники.
Реализация научно-технических результатов. Опытные образцы авто-матизированных систем высокоскоростного анализа почв АСВА-П(Ц), АСВА-П(Ч), АСВА-П(М) и АСВА-П(К) введены в эксплуатацию в Центра-льном институте агрохимического обслуживания. В середине 1980-х годов потребность Государственной агрохимической службы СССР в названных системах составляла 50 штук в год. В 1986 году на головном заводе-изготовителе «Тбилприбор» начат серийный выпуск систем.
Система измерения и контроля физико-химических параметров природ-ного газа АСИК «Метан» введена в эксплуатацию в Госкомгазе Армянской ССР. Система АСК «Бентонит», являющаяся первой в СССР автоматизиро-ванной системой контроля расхода природного газа, поставлена в Произ-водственное объединение «Армгазпром». Комплекс измерения расхода природного газа АКР «Севан» внедрен в Производственном объединении «Мострансгаз».
Газоаналитические устройства для определения оксидов азота Клен-1, Клен-2, Клен-1-01, Клен-1-02, Клен-2-01, Клен-2-02, аммиака и оксида азота Клен-3, озона Клен-4, арсина Платан-1, Платан-8 и фосфина Платан-2, Платан-8-01 являются одними из первых хемилюминесцентных средств газового анализа, которые были разработаны в СССР и Российской Федерации.
Рентгенофлуоресцентные химико-аналитические комплексы ИНЛАН-РФ внедрены в специализированных инспекциях государственного экологичес-кого контроля (Курганская, Нижегородская, Челябинская, Калужская об-ласть и др.), на объектах Министерства обороны Российской Федерации (Экологический центр Минобороны России, космодром Плесецк), промыш-ленных предприятиях (АМО ЗИЛ и др.). МВИ концентраций тяжелых ме-таллов в водных средах и почве, реализуемые комплексами ИНЛАН-РФ, включены в Федеральный реестр природоохранных нормативных докумен-тов (ПНД Ф 14.1:2:4.133-98, ПНД Ф 16.1.9-98) и регламентируют порядок проведения государственного экологического контроля. Комплексы ИНЛАН-РФ являются составной частью концепции «Российские экоанали-тические технологии», которая удостоена премии Правительства Российской Федерации в области науки и техники (2000 г.).
Система 13Ш34.01, предназначенная для контроля объемной доли кисло-рода в воздухе рабочей зоны, заменила систему аналогичного назначения при модернизации станции заправки образцов ракетно-космической техники космодрома Байконур.
Установка автоматического измерения концентраций азота и гелия в компонентах жидкого ракетного топлива УК-РГ.05 разрабатывается для многоцелевой заправочной станции космодрома Плесецк.
Достоверность полученных результатов. Технико-экономические ха-рактеристики устройств, разработанных с использованием общих принципов синтеза ИИСФХ, проверены экспериментально, в том числе при проведении Государственных испытаний.
Апробация результатов исследования. Основные результаты работы обсуждались на Всесоюзных конференциях «Измерительные информацион-ные системы – 85» (г. Винница, 1985 г.), «Аналитическое приборостроение. Методы и приборы для анализа жидких сред» (г. Тбилиси, 1986 г.), «Теоре-тические основы разработки интенсивных процессов» (г. Дзержинск, 1986 г.), «Моделирование систем автоматизированного проектирования, автоматизированных систем научных исследований и гибких автоматизиро-ванных производств» (г. Тамбов, 1989 г.), международной конференции «Development & Environmental Impact Conference» (г. Эр-Рияд, 1997 г.), семинаре по проблемам реализации новых конкурентоспособных отечест-венных технологий (г. Нижний Новгород, 2002 г.), научно-практических семинарах «Экологические проблемы разработки и эксплуатации ракетно-космической техники» (г. Юбилейный, 2005-2008 г.г.) и др.
Публикация результатов исследования. Результаты работы изложены в 108 публикациях, в том числе 41 публикация – в отечественных ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях; 4 публикации – в зарубеж-ных научных журналах и изданиях, включенных в систему цитирования Web of Science – Science Citation Index Expanded (перечень ВАК РФ).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа содержит введение, 4 главы, основные выводы, библиографию и приложение. Общий объем работы – 242 страницы, в том числе 85 рисунков и 36 таблиц. Библио-графия включает 291 наименование литературы.
Обобщенные структурные схемы базовых систем
Представленные сведения, с одной стороны, иллюстрируют разнообразие класса ИИСФХ, а с другой, позволяют установить отличительные особенности, которые могут служить основой для их классификации.
Настоящее исследование посвящено разработке общих вопросов методологии синтеза ИИСФХ, поэтому при классификации названных систем в качестве отличительных особенностей не могут выступать: 1) область применения (лабораторная практика, промышленные объекты, объекты сферы обороны и т.д.); 2) назначение (экологический мониторинг, санитарно-гигиенический контроль и т.п.); 3) уровень автоматизации (автоматизированные или1 автоматические системы); 4) режим функционирования (непрерывный, циклический); 5) исследуемое вещество (вода природная, воздух рабочей зоны и др.); 6) измеряемый параметр (концентрация компонента или физико-химический показатель вещества).
Наиболее целесообразной представляется классификация, которая основывается на объеме функций, выполняемых системами [7, 11-13, 20, 22-24]. В соответствии со сказанным рассматриваемый класс систем может быть разделен на три подкласса: 1) ИИСФХ первого уровня; 2) ИИСФХ второго уровня; 3) адаптивные ИИСФХ [7, 8, 10-16,18-26].
Адаптивные ИИСФХ характеризуются наличием функций получения и обработки измерительной информации, а также изменения объема и порядка ее получения в ходе анализа веществ. Эти системы состоят из ИИСФХ второго уровня и подсистем управления (рис. 2) [7, 8, 10-16, 18-26].
В отличие от адаптивных ИИСФХ системы второго уровня осуществляют получение и обработку измерительной информации по неизменному алгоритму. Названные системы состоят из ИИСФХ первого уровня и подсистем обработки измерительной информации (рис. 2). Обработка заключается в формировании и представлении информации в виде документов заданного образца, программных продуктов, звуковой и (или) световой сигнализации [7, 8, 10-16, 18-26].
ИИСФХ второго уровня можно разделить на две главные группы — системы с основной и комплексной обработкой информации. Системы с основной обработкой информации распадаются на три основные группы - ИИС с регистрацией информации в виде документов заданного образца, ИИС с представлением информации в виде программных продуктов и ИИС с отображением информации средствами сигнализации. Системы с комплексной обработкой информации могут быть разделены на четыре основные группы, соответствующие ИИС, использующим комбинации перечисленных видов обработки измерительной информации [7, 8, 10-16, 18-26].
ИИСФХ первого уровня (рис. 2) выполняют только получение измерительной информации, поэтому их также называют измерительными системами. В этом подклассе ИИСФХ можно выделить две главные группы - ИИС одного и нескольких веществ. ИИС нескольких веществ представляют собой, объединения ИИС одного вещества [7, 8, 10-16, 18-26].
ИИС одного вещества можно разделить две основные группы - одно- и многоточечные системы. При этом многоточечные системы могут быть подразделены еще на две группы — системы с переключением и без переключения точек измерений. Если в многоточечных системах не используется переключение точек измерений, то они являются объединением одноточечных систем. При применении названного переключения многоточечные системы содержат одну одноточечную систему или являются объединением многоточечных систем с переключением меньшего числа точек измерений и (при необходимости) одной одноточечной системы [7, 8,10-16, 18-26].
Одноточечные системы могут получать измерительную информацию по МВИ, основанным на выполнении только прямых, косвенных или совокупных измерений (группа базовых систем), или по методикам, объединяющим выполнение этих видов измерений (группа комбинированных систем). В соответствии с этим базовые системы можно разделить на три подгруппы - системы прямых, косвенных и совокупных измерений, а среди комбинированных систем выделить четыре подгруппы, соответствующие системам, применяющим комбинации перечисленных видов измерений. Естественно, что системы, входящие в подгруппы комбинированных систем, являются объединением систем, входящих в подгруппы базовых систем [7, 8, 10-16, 18-26].
Представленные результаты указывают на то, что все виды ИИСФХ связаны между собой. Помимо этого получение любой измерительной информации о физико-химическом составе и свойствах веществ осуществляется системами, являющимися или содержащими в своем составе базовые системы [7, 8, 10-16, 18-26]. Одним из показателей, характеризующих ИИСФХ, является структурная схема, определяющая функциональные части систем, их назначение и взаимосвязи [218].
Математическое описание показателей погрешностей базовых систем
Под погрешностью базовой системы понимают расхождение между результатом измерений и истинным значением информативного параметра вещества. Погрешности классифицируют по следующим признакам: единица измерения; характер связи между величиной погрешности и значением информативного параметра; причины появления погрешности измерений; закономерность появления погрешности при многократных исследованиях вещества [115, 219, 224-235].
В зависимости от единицы измерения выделяют абсолютную, относительную и приведенную погрешность. Абсолютную погрешность выражают в единицах измерения информативного параметра вещества. Относительная погрешность равна отношению абсолютной погрешности к истинному значению информативного параметра. Приведенная погрешность является отношением абсолютной погрешности к нормирующему значению. В качестве нормирующего значения обычно выбирают диапазон измерений информативного параметра вещества [115, 226-228].
Сказанное математически описывается следующими выражениями: АХио... —Хцо,. абсолютная погрешность измерений параметра вещества;
По характеру связи между величиной погрешности и значением информативного параметра вещества выделяют аддитивные и мультипликативные погрешности. Аддитивной называют погрешность, величина которой не зависит от значения информативного параметра, а мультипликативной — погрешность, величина которой зависит от него [115,226-228].
В соответствии с причиной появления различают методические, инструментальные и субъективные погрешности. Возможными источниками методической погрешности могут являться- несоответствие параметров исследуемого вещества, пробы или преобразованной пробы требованиям. МВИ, а также неточное задание вида расчетных зависимостей (уравнений) и (или) значений их параметров при проведении косвенных (совокупных) измерений. Среди источников появления инструментальных погрешностей выделяют медленно изменяющиеся внешние и внутренние факторы, влияющие на состояние технических средств (например, параметры окружающей среды, «старение» электронных компонентов и т.п.), ограниченную разрешающую способность и инерционность применяемых средств измерений, искажение информации при ее передаче и др. К источникам появления субъективных погрешностей относятся действия обслуживающего персонала; несоответствующие МВИ, а также неправильное считывание или обработка результатов измерений [Ы5, 125].
По закономерности появления- (при многократных измерениях), выделяют систематические и случайные погрешности. Составляющую- погрешности, от исследования к исследованию вещества остающуюся постоянной или закономерно изменяющейся, называют систематической, а составляющую, изменяющуюся случайным образом - случайной погрешностыо. Погрешности измерений базовых систем могут быть представлены в виде суммы этих погрешностей [115, 226-228],
Коэффициент доверительной вероятности зависит от вида распределения погрешностей систем. В случае, когда это распределение соответствует нормальному закону (закону Гаусса): при к = 1 доверительная вероятность составляет 68 %, при к = 2 -95 %, а при к = 3 - 99,7 % [115].
Согласно приведенным сведениям все формы представления погрешностей измерений - абсолютная, относительная и приведенная погрешность - связаны между собой. При этом исходной формой представления погрешностей является абсолютная погрешность. В связи с этим математическое описание показателей погрешностей базовых систем было разработано только для показателей их абсолютных погрешностей.
Классификация задач синтеза систем
Приведенные сведения позволяют классифицировать задачи синтеза ИИСФХ. Так, задачи синтеза систем, заключающиеся в определении структурных схем, совокупностей технических средств и их режимных параметров, будем называть задачами синтеза первого рода. Задачи синтеза, состоящие в определении структурных схем и совокупностей технических средств систем, предназначенных для реализации МВИ с заданными режимными параметрами - задачами синтеза второго рода. Задачи синтеза, состоящие в определении структурных схем и совокупностей технических средств систем, предназначенных для реализации МВИ техническими средствами, не имеющими режимных параметров - задачами синтеза третьего рода.
С учетом требований, которым должны удовлетворять технико-экономические характеристики синтезируемых систем, среди задач синтеза первого рода можно выделить пять типов, а среди задач синтеза второго и третьего рода - три типа задач (табл. 6) [8,10,14-16,18, 19,21,25,26].
В обозначениях типов задач синтеза первая цифра отражает принадлежность к задачам синтеза первого, второго или третьего рода, а вторая (после двоеточия) -порядковый номер задачи синтеза соответствующего рода.
Выделенные типы задач синтеза связаны между собой. Задачу синтеза типа 2:1 или 3:1 можно рассматривать как частный случай задачи типа 1:1. Задачу синтеза типа 2:2 или 3:2 - как частный случай задачи типа 1:2, а задачу синтеза типа 2:3 или 3:3 - как частный случай задачи типа 1:3. Вместе с тем задачи синтеза типов 1:3, 2:3 и 3:3 могут быть представлены как объединение задач соответственно типов 1:1 и 1:2, 2:1 и 2:2, 3:1 и 3:2. Помимо этого задачи синтеза типов 1:3 и 1:4 можно рассматривать как частные случаи задачи типа 1:5, а задачу синтеза типа 1:2 — как частный случай задачи типа 1:4.
Аналогично обстоит дело и с математическим описанием задач синтеза ИИСФХ. Действительно, математические записи задач-синтеза типов 2:1 и 3:1 (выражения (3.7) и (3.10)) можно рассматривать как частные случаи математической записи задачи типа 1:1 (соотношения (3.1)). Математические записи задач синтеза типов 2:2 и 3:2 (выражения (3.8) и (3.11)) - как частные-случаи математической записи задачи типа 1:2 (соотношения
(3.2)). Математические записи задач синтеза типов 2:3 и 3:3 (выражения (3.9) и (3.12)) -как частные случаи математической записи задачи типа 1:3 (соотношения (3.4)). Математические записи задач синтеза типов 1:3, 2:3 и 3:3 (выражения (3.4), (3.9) и (3.12)) можно представить как объединение математических записей задач типов 1:1 и 1:2, 2:1 и 2:2, 3:1 и 3:2 (соотношения (3.1) и (3.2), (3.7) и (3.8), (3.10) и (3.11)). Математические записи задач синтеза типов 1:3 и 1:4 (выражения (3.4) и (3.5)) - как частные случаи математической записи задачи типа 1:5 (соотношения (3.6)), а математическую запись задачи синтеза типа 1:2 (выражения (3.2)) — как частный случай математической записи задачи типа 1:4 (соотношения (3.5)).
Согласно данным табл. 6 синтез ИИСФХ заключается в определении структурной схемы, совокупности технических средств и режимных параметров технических средств системы (задачи первого рода) или в определении ее структурной схемы и совокупности технических средств (задачи второго и третьего рода), обеспечивающих соответствие назначения, условий применения и технико-экономических характеристик системы предъявленным требованиям. В соответствии с этим синтез должен сопровождаться разработкой возможных структурных схем и формированием возможных совокупностей технических средств системы, а также оцениванием технико-экономических характеристик возможных вариантов ее построения с целью нахождения приемлемого варианта.
Основой для разработки возможных структурных схем являются результаты анализа МВИ (обработки, информации), удовлетворяющих требованиям к назначению системы. Анализ МВИ может состоять в изучении методик, оформленных в виде документов или, реализованных в системах аналогичного назначения. Приемлемыми могут представляться не одна, а несколько МВИ. В случае не соответствия известных методик предъявленным требованиям могут быть разработаны новые МВИ [64-77, 94-100].
Возможные структурные схемы системы, отражают функции по получению-(обработке) измерительной информации. Структурные схемы могут содержать элементы, являющиеся- общими или индивидуальными- [30, 31]. При этом общность элементов структурных схем оказывает различное влияние на технико-экономические характеристики синтезируемой системы, [9, 27-29].
Формирование возможных совокупностей технических средств- обусловливает техническую реализацию разработанных структурных схем. системы. Технические средства, входящие в указанные совокупности, должны реализовать функции, предусмотренные процессами измерений (обработки информации), быть совместимыми и соответствовать требованиям к условиям, применения системы (например, иметь взрывобезопасное исполнение). При не выполнении» названных условий может быть сокращено число разработанных структурных схем или появиться необходимость в разработке новых технических средств. Результатом работ по формированию возможных совокупностей технических средств являются возможные варианты построения системы, отражаемые ее функциональными схемами [69-72, 77, Л 01, 102].
Оценивание технико-экономических характеристик вариантов построения системы позволяет сравнить их величины с требуемыми значениями. Оценивание технико-экономических характеристик может проводиться расчетным путем или с использованием экспериментальных и (или) экспериментально-расчетных методов [3, 4, 60-82, 86-91, 94-102, 107].
Синтез информационно-измерительных систем физико-химического состава и свойств природного газа
Экспериментальное изучение МВИ концентраций углеводородов групп С1-С5 в природном газе показало, что метан и воздух часто регистрировались суммарным пиком. При обеспечении удовлетворительного разделения метана и воздуха резко снижалась чувствительность к бутанам и пентанам, а при объемных долях пентанов ниже 0,05 % они не регистрировались. Помимо этого не всегда удавалось получить индивидуальный пик диоксида углерода. Изучение МВИ концентраций углеводородов групп С(,-С% в природном газе указало на плохое разделение компонентов, затруднявшее их идентификацию и количественное определение [64-77].
Стандарт [249] устанавливал, что концентрации сероводорода и меркаптанов в природном газе не должны превышать соответственно 20 и 26 мг/м3. Для измерения концентраций сероводорода и меркаптанов рекомендовалась методика, излагавшаяся в стандарте [250]. Данная методика основывалась на йодометрическом методе анализа и позволяла определять концентрацию сероводорода в природном газе от 10 до 200 мг/м3 с относительной погрешностью до 20 %. Вместе с тем результаты исследований в области аналитического контроля серосодержащих соединений, накопленные к середине 1980-х годов [251-256], говорили о целесообразности измерения концентраций сероводорода и меркаптанов в природном газе методом газовой хроматографии с пламенно-фотометрическим детектором [64-77]. Для определения влажности природного газа перспективным представлялся сорбционно-кулонометрический метод, характеризовавшийся высокой чувствительностью и низкой стоимостью [115, 257]. Однако опыт применения сорбционно-кулонометрических влагомеров в газовой промышленности [258] показал, что при круглосуточном режиме работы срок службы их чувствительных элементов, использовавших в качестве гигроскопического вещества пентаоксид фосфора, обычно не превышал двух недель [64-77].
В данной ситуации с целью унификации и соответственно снижения стоимости системы бьшо предложено определять все указанные компоненты природного газа методом газовой хроматографии. Одновременно с этим возникла необходимость разработки МВИ, позволявших проводить газохроматографический анализ в близких условиях разделения [64-77].
Совместно с Кироваканским Научно-производственным объединением «Промавтоматика» были разработаны газохроматографические МВИ концентраций углеводородов групп С1-С5, Сб-С , диоксида углерода, серосодержащих соединений и влажности природного газа. МВИ концентраций углеводородов групп C\-Gs в природном газе использовала детектор по теплопроводности. Колонка имела длину 7 ми внутренний диаметр 3 мм. Наполнитель колонки — трепел Зикеевского карьера, модифицированный вазелиновым маслом (5 5 % вес). Температура термостата колонки составляла 70 С, газом-носителем являлся гелий (объемный расход — 25 см3/мин). Объем пробы природного газа соответствовал 2 см3.[64-69, 72-75].
В МВИ концентраций углеводородов групп Сб-СУ в природном газе применялся пламенно-ионизационный детектор. Объемные расходы водорода, и: воздуха для этого детектора-соответственно равнялись 38 и 300 см3/мин. Длина, и внутренний диаметр колонки; составляли 7 ми 3 мм; Наполнителем колонки также являлся.трепел Зикеевского карьера, модифицированный вазелиновым маслом (5 5 % вес). Температура термостата колонки поддерживалась на уровне. 70 С,, а газом-носителем служил гелий с объемным расходом 25 см /мин. Объем пробыприродного газа соответствовал 0,5 см [64-69; 72-75].
МВИ концентрации диоксида углерода:в.природиом тазе использовала детектор по теплопроводности: Колонка-, имела длину 4 ми внутренний диаметр 3 мм. Наполнителем: колонки являлся силикагель марки КЕС-3і модифицированный % диоктилсебацинатом: Температура термостата колонки также составляла 70 Є, а газом-носителем служил гелий с объемным расходом 25 см /мин. Объем пробы природного газа; соответствовал 2. см [64-69,72-75]:
При разработке методики для выполнения газохроматографических измерений» концентраций серосодержащих компонентов: природного газа- особое внимание было» обращено на выбор наполнителя колонки; обеспечивавшего; удовлетворительное разделение серосодержащих соединений и углеводородов; Данное обстоятельство объяснялось тем, что чувствительность пламенно-фотометрического детектора: к-серосодержащим компонентам резко уменьшалась изтза повышения «его температуры в присутствии-углеводородов [115]. В результате экспериментальных работ в качестве наполнителя; колонки был/выбран полихром-1, модифицированный тритоном Х-305 (10 % вес). Указанный наполнитель позволял проводить регистрацию пика сероводорода при; температуре термостата колонки 70 С, а пиков меркаптанов при температуре 110 С [64-69,72-75].
Разработка: МВИ влажности природного газа сопровождалась рядом: сложностей. Первая сложность заключалась в низкой чувствительности газохроматографических детекторов: к: парам воды: В связи с этим для их определения бьш опробован: метод реакционной хроматографии с использованием колонки, содержавшей: карбид кальция {CaCi) [134, 259]. Схема измерений выглядела следующим образом. Влажный природный газ непрерывно,поступал в реакционную колонку, где проходила химическая реакция СаС2 + 2 НгО — Са(ОН)г + СгНг- Образовывавшийся ацетилен (СгНг) вместе с остальными компонентами природного газа подавался в дозирующее устройство, которое вводило часть природного газа, содержавшего ацетилен, в поток газа-носителя (гелия), направлявшегося в аналитическую колонку. Регистрация пика ацетилена осуществлялась пламенно-ионизационным .детектором. Полнота протекания химической реакции обеспечивалась временем пребывания влажного природного газа в реакционной колонке (не менее 20 мин при объемном расходе природного газа не более 5 см3/мин) [64-69, 72-75].
