Введение к работе
Актуальность темы. Хроматографический анализ природной среды, веществ и материалов в настоящее время стал одним из основных методов при анализе сложных смесей, вытеснив во многих случаях другие методы.
В последнее время особое внимание уделяется вопросам совершенствования процесса измерения и обработки данных хроматографического анализа, в том числе улучшению метрологических характеристик химико-аналитических комплексов (ХАК).
Метрологические параметры ХАК зависят от собственно хроматографа и цифровой части, в которой аналого-цифровой преобразователь (АЦП) играет важную роль. Во-первых, из-за сложности конструктивного исполнения хроматографа для повышения точности измерения требуется использовать дорогостоящие приборы в хроматографе. Во-вторых, точность разделения пиков и определения их площади, коррекция базисной линии, фильтрация, вычисление погрешностей и т.п. в значительной степени зависит от точности АЦП. Из-за особенностей сигналов хроматографического анализа правильность выбора АЦП и режима его работы является нетривиальной задачей.
В настоящее время многие разработчики в области хроматографии используют сигма-дельта АЦП (СДАЦП) для регистрации и обработки сигналов хроматографического анализа. Однако', научное обоснование применения такого типа преобразования для их регистрации и обработки остается недостаточным.
Каждый год исследования принципа работы сигма-дельта модулятора (СДМ) и СДАЦП освещаются и представляются на международных конференциях ШЕЕ, «Информационные средства и технологии», «Радиоэлектроника, электроника и энергетика» и др. Большой вклад в решение этих проблем внесли российские Шахов Э.К., Диденко В.И., Солодов Ю.С. и зарубежные учёные Benabes, Alderebt, Kielbasa, Gomes Cama, Bota, Montana, Smitier и др.
СДМ, СДАЦП предоставляют интерес для современной измерительной техники. При этом погрешность квантования информативного сигнала является неотъемлемой частью СДАЦП, она непосредственно влияет на его точность и, следовательно, на точность хроматографического анализа.
Примерами современных хроматографических ХАК служат: комплекс JSC «Lead», содержащий АЦП с линейным динамическим диапазоном преобразования аналогового сигнала в цифровой - не менее 10б (разрядность преобразования - не менее 22 бит) при частоте выдачи данных 5 Гц, комплекс программно-аппаратный хроматографический «Z-XPOM» содержащий СДАЦП, у которого эффективное число разрядов равно 20 при частоте выда-
чи данных 10 Гц и динамический диапазон около 106, отечественные ИНЛАН-ИХ, ИНЛАН-ГХ и др. Приведённые диапазоны не покрывают диапазона сигналов на выходе современных хроматографов. Следовательно, проблема улучшения динамического диапазона АЦП является актуальной для хромато-графического анализа.
Целью диссертационной работы является решение актуальной научно-технической задачи структурно-алгоритмической обработки сигналов хроматографов с сигма-дельта аналого-цифровым преобразованием, заключающейся в исследование сигма-дельта аналого-цифрового преобразования, разработке на этой основе и внедрения устройства сопряжения между хроматографом и компьютером для регистрации и обработки хроматографических сигналов с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.
Основные задачи диссертационной работы. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
разработка математической модели С ДМ и СДАЦП;
исследование и сравнение СДМ первого и второго порядков с целью получения более высокой точности СДАЦП;
анализ параметров хроматографических сигналов (ХС) и их погрешностей;
разработка и создание на основе проведённых исследований устройства сопряжения ПФИ-24;
анализ погрешностей устройства сопряжения ПФИ-24.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы системного анализа, математического моделирования, математические методы обработки результатов (метод скользящего усреднения, наименьших квадратов, полиномиальной фильтрации и т.п.). Для моделирования по разработанным программам, реализующим предложенные методы, использованы пакеты программ MATLAB и Delphi.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту: -структурные схемы СДМ и СДАЦП, обеспечивающие высокую точность преобразования;
математические модели СДМ и цифрового фильтра (ЦФ), анализ погрешностей при формировании ХС;
математические модели сигналов ХС с использованием СДАЦП;
способ улучшения метрологических характеристик СДАЦП в процессе регистрации и обработки ХС.
Научная новизна работы заключается в следующем: -исследована зависимость точности регистрации сигналов хроматографиче-ской информации от свойств и режима работы СДАЦП. Доказано, что режим работы СДАЦП с устройством выборки-хранения (УВХ) даёт меньшую по-
грешность при измерении параметров ХС, но слабее подавляет высокочастотные помехи;
показано, что повышенная точность СДАЦП определяется эффектом отрицательной корреляции между элементами кодов на выходе СДМ; -установлено, что СДМ второго порядка обеспечивает более высокую точность СДАЦП при применении трёхзвенного ЦФ скользящего усреднения вместо однозвенного. Использование ЦФ первого порядка для СДМ первого порядка даёт не намного большую точность, чем для СДМ второго порядка;
предложен способ увеличения динамического диапазона измерений СДАЦП при обработке сигналов хроматографа
Достоверность. Результаты аналитических исследований подтверждаются результатами компьютерного моделирования и физического эксперимента. Эксперименты были проведены на физической установке сигма-дельта АЦП модели ADS1242.
Практическая ценность работы. Практическая ценность работы состоит в разработке математических моделей СДМ и ЦФ, которые могут быть применены для моделирования любого этапа работы АЦП.
Разработано устройство сопряжения ПФИ-24 с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.
Реализация результатов. Результаты данной работы реализованы ООО «ИНФОРХРОМ» и использованы другими предприятиями и организациями, разрабатывающими приборы для газовой и жидкостной хроматографии (НПО «Химавтоматика», ВНИИХром и т.д.).
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены и обсуждены на междунароной нучно-технической конференции «Информационные средства и технологии» (2008 г.), «Радиотехника, радиоэлектроника и энергетика» (2006, 2008, 2009 г.) МЭИ (ТУ), МГУИЭ (2010 г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6 работ, в том числе две статьи в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка литературы и приложений. Общий объём работы составляет 156 страниц, в том числе 39 рисунков и 9 таблиц. Список литературы включает в себя 93 наименования.
