Інформаційно-вимірювальна система для оперативного виявлення отруйних хімічних речовин у повітряному середовищі

Abstract

The dissertation is devoted to the design and research of the principles of development and evolution of IMS theory for the operative detection of toxic chemicals in the ambient medium under the intensive interferences and noises. The methodology of two-channeled IMS design based on the MEMS general technology is developed. The use of two identical matrices of chemical sensors in the developed methodology allows overlapping the process of sensitive elements regeneration of one matrix with the signals measuring process of the second matrix. It provides high speed of operation and high accuracy of measurement. The method of the differential signal measurement of the chemical sensors is proposed. According to this method the sensitive elements of two identical sensor matrices are blown over by air containing chemical agents and renewable gases and output signals are measured alternatively by the first and second measuring channels. Dependences to determine the influence of casual interferences on the results of measuring of information and analytical signals of sensor matrices are derived. The proposed method of the differential measurement under the low frequencies of fluctuation of casual interferences enables to decrease substantially a random error. The method of identification of multiparametrical scaled unclear patterns that enables to analyze the signals of multisensor matrices and to recognize chemical agents under the conditions of intensive interferences is proposed. The imitation model of the system that allows studying its metrological characteristics is developed. Диссертация посвящена разработке новых методов построения информационно-измерительной системы для оперативного поиска в воздушной среде химических веществ при условии действия интенсивных помех и шумов. Исследовано основные особенности, тенденции и перспективы развития методов и технических средств мониторинга окружающей среды. Показано, что все компоненты существующих систем мониторинга могут быть интегрированы в одну микроэлектромеханическую систему (МЕМС), что обеспечит повышение эффективности, продуктивности и надежности их работы. Разработано методику построения за общей технологией МЕМС двухканальной ИИС, в которой использование двух идентичных матриц химических сенсоров дало возможность совместить во времени процесс регенерации чувствительных элементов одной матрицы с процессом измерения информационно-аналитических сигналов второй матрицы и обеспечить высокое быстродействие и точность измерения. Предложен способ разностного измерения сигналов химических сенсоров, согласно которому чувствительные элементы двух идентичных сенсорных матриц поочередно обдуваются воздухом с химическими веществами и восстановительными газами, а выходные сигналы попеременно измеряются первым и вторым измерительными каналами. Получены зависимости для определения влияния случайных помех на результаты измерения сигналов сенсорных матриц и показано, что предложенный метод разностного измерения при низких частотах флуктуации случайных помех обеспечивает существенное уменьшение погрешности измерения. Предложен метод идентификации многопараметрических масштабированных нечетких изображений, что позволило распознавать химические вещества в условиях действия интенсивных помех. Разработаны методы работы и обучения системы, согласно которым предложены два вида мониторинга окружающей среды, которые могут быть реализованы одним из трех режимов измерения при использовании разных методов обработки измерительной информации. Разработана математическая модель системы, позволяющая исследовать ее работу при различных режимах работы. Проведенное имитационное моделирование работы двухканальной системы на разных уровнях влияния дестабилизирующих факторов подтвердило эффективность и высокую помехоустойчивость предложенных алгоритмов измерения сигналов сенсорных матриц и методов математической обработки измерительной информации. Дисертацію присвячено розробленню та дослідженню засад побудови та розвитку теорії ІВС для оперативного виявлення у повітряному середовищі хімічних речовин в умовах дії інтенсивних завад і шумів. Створено методику побудови за загальною технологією МЕМС двоканальної ІВС, в якій використання двох ідентичних матриць хімічних сенсорів дає змогу сумістити в часі процес регенерації чутливих елементів однієї матриці з процесом вимірювання сигналів другої матриці та забезпечити високу швидкодію та точність вимірювання. Запропоновано спосіб різницевого вимірювання сигналів хімічних сенсорів, за яким чутливі елементи двох ідентичних МСМ почергово обдуваються повітрям з хімічними речовинами і відновлювальними газами, а вихідні сигнали вимірюються першим та другим вимірювальними каналами. Отримано залежності для визначення впливу випадкових завад на результати вимірювання інформаційно-аналітичних сигналів МСМ та показано, що запропонований спосіб різницевого вимірювання при низьких частотах флуктуації випадкових завад дає можливість суттєво зменшити випадкову похибку. Запропоновано метод ідентифікації багатопараметричних масштабованих нечітких образів, що дало змогу аналізувати сигнали МСМ та проводити розпізнавання хімічних речовин в умовах дії інтенсивних завад. Розроблено імітаційну модель системи, яка дозволяє дослідити її метрологічні характеристики.