Основы автоматики і управления

МОСКОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ИНСТИТУТ.

РАДІОТЕХНІКИ, ЕЛЕКТРОНІКИ І АВТОМАТИКИ.

(ТЕХНІЧНИЙ УНИВЕРСИТЕТ).

ОСHОВЫ АВТОМАТИКИ І УПРАВЛЕHИЯ.

РЕФЕРАТ.

Використання самого персонального комп’ютера фірми IBM для збирання та опрацювання даних у газовій хроматографии.

СТУДЕHТ: Кормилкин А. А. ГРУПА: 210 100 Ф-Т: ЭИ і УС.

1998 год.

Основним критерієм для збирання цих у газовій хроматографії є здатність устрою вимірювати вихідний сигнал хроматографа при відносно високих швидкостях прямування тимчасових дискрет. Додатковим умовою обробки даних у газовій хроматографії (текстом ГХ) необхідно здійснення простого збирання та опрацювання даних при проведенні складних поділів. Останні досягнення у галузі обчислювальної техніки сприяли появи різноманітних пристроїв, істотно які полегшують збирання та аналіз даних ГХ. У цій статті описаний досвід застосування самого персонального комп’ютера (ПК) для збирання та опрацювання даних у газовій хроматографии.

Спочатку трохи теорії. Газова хроматографія — це метод визначення якісного і кількісного складу речовини, заснований на поділі проби на складові компоненти. У цьому ГХ на відміну з інших методів аналізу речовини (масс-спектрография, рентгенографія, інфрачервона спектроскопія та інших.) має таким негативним якістю як деструктивність введеної проби. Hо таким чином чиннику даний метод дає змогу виробляти аналіз речовини, що складається з трудноразделяемых компонентів. У ГХ поділ речовини відбувається за нагріванні проби в протягом часу й, у своїй поділ проби на індивідуальні компоненти буває у відповідність до триванням кожного компонента хроматографічної колонкою. Час, необхідне элюирования компонента з колонки визначає зване час утримування, яке всіх компонентів аналізованого речовини різне, у результаті стає можливим проведення якісного аналізу. Вихід речовини визначається детектором, який генерує зміна струму чи напруги пропорційно кількості виходу. У ГХ кожному виходу відповідає свій пік (рис. 1). [pic] рис. 1 Приклад хроматограммы.

В подальшому нас цікавитимуть такі терміни і позначення: а) початок і поклала край піка — відповідно початок і поклала край виходу компонента з проби; б) вершина піка — максимум виходу речовини; в) висота піка — максимальний рівень сигналу у цьому виході; р) площа піка; буд) ширина піка біля підніжжя — відстань між початком і кінцем пика.

Для проведення якісного аналізу необхідно визначення кількості піків та палестинці час початку, кінця так і вершини кожного. При кількісному аналізі нам також необхідно знайти ширину біля підніжжя або майдан піка (використання площі піка дає понад точні результати). Визначення площі піка є процес інтегрування вихідного сигналу за часом. Для реєстрації сигналу хроматографа можна використовувати різні прилади: від самописів до інтеграторів з урахуванням мікропроцесорів, проте застосування ПК в ролі реєстратора і оброблювача сигналів хроматографа більше виправдано в силу своєї простоти, дешевизни і універсальності. Для отримання й опрацювання даних необхідний програмно-апаратний комплекс, який використали і використовують за час одному з хімічних підприємств. Цей комплекс складається з плати (чи) аналого-цифрового перетворювача (АЦП) і самого персонального комп’ютера зі спеціалізованим програмним забезпеченням. Далі коротко розглянемо пристрій застосовуваного АЦП. Через те, що це АЦП застосовується у умовах сильних електромагнітних перешкод, було вирішено зупинитися на схемою АЦП подвійного інтегрування, який ефективно «фільтрує «короткі викиди напруги. З цією самі цілі частота дискретизації вхідного сигналу було обрано пропорційної частоті струму в електричної мережі - 25 гц. Hа цієї частоті вдається з досить великою надлишком одержувати інформацію із виходу хроматографа. 1] Далі під час виборів схеми АЦП було вирішено використовувати від чотирьох до максимально восьми вхідних каналів, що дозволяє одночасно виробляти аналіз даних на чотирьох хроматографах (по дві колонки на хроматограф). Через фізично віддаленого розташування комп’ютера та хроматографов було вирішено виконати АЦП як окремого блоки і з'єднати його з комп’ютером по послідовному інтерфейсу RS-232. За такої рішенні виконується найбільш важливе завдання і при отриманні даних за умов сильної зашумленості - ослаблення перешкод. Зблизька схеми АЦП слід сказати про дозвіл застосованої АЦП. Воно становить 16 біт чи 65 536 градацій опорного напруги, що було вибрано буде в діапазоні від однієї до п’яти вольт. При даному вирішенні маємо великий запас по перевантаження, що позитивно проявляється під час аналізу деяких речовин, де розкид між рівнем сигналу дуже високий (рис. 2).1 [pic] Рис. 2 Через війну розгляду всіх технічних вимог до АЦП ми маємо таку структурну схему. [pic] Рис. 3 Схема АЦП.

Нині ми приділимо увагу програмному забезпеченню (ПО) щодо хроматографічного аналізу. Дане ПЗ має задовольняти наступним умовам: а) можливість збирання цих з кількох хроматографов одночасно; б) можливість проведення якісного і кількісного аналізу; у провадження архіву аналізів; Досягнення найбільшої ефективності застосування ПК необхідно забезпечити можливість одночасного обслуговування кількох хроматографов. За виконання даного умови маємо потужну систему збору даних, і проведення аналізів. Рішення практично цього питання ускладнюється двома чинниками: перший із — це асинхронність проведення аналізів, другий — необхідність наявності великий оперативної пам’яті. Перший чинник випливає з те, що проведення аналізів різними хроматографах відбувається незалежно друг від друга, через що програмне забезпечення має забезпечувати можливість динамічної реконфигурации і динамічного виділення буфера пам’яті під прийняті дані. Це означає, таке: через застосування послідовного інтерфейсу для зв’язку комп’ютера та АЦП, необхідно реалізувати механізм забезпечення сталого прийому інформації. На виконання даного умови було вирішено оформити програму прийому інформації, як процедуру обробки переривань послідовного порту. З способу розв’язання першого завдання і чинника «обмеженості «застосовуваної ОС (вважають MS-DOS) стало очевидним неможливість використання режиму безпосередньої записи на диск.1 Ця, друга, проблема подолано використанням всієї наявної оперативної пам’яті. За такого підходу маємо від однієї до восьми локальних буферів пам’яті, виділених на запит, задля збереження прийнятої інформації. Після закінчення всіх аналізів отримані дані записуються на диск. Недоліки такий підхід очевидні, але з те, що таке рішення було використане тільки до проведення лабораторних аналізів, знайдений компроміс виявився цілком задовільним. Отже: те що ПО вміє ухвалювати й зберігати дані, далі треба їх обробити. Першим кроком по дорозі реалізації качественно-количественного аналізу (ККА) була розробка системи фільтрації даних. Нині в ПО використовується кілька методів фільтрації даних, які користувач може вибирати на власний розсуд. З реалізованих методів найбільш цікаві «медианный», зміни кроку дискретизації (заснований на экстраполяции-интерполяции даних) і статечних полиномов. Використання фільтрів дозволяє кардинальним способом підвищити якість прийнятих даних: позбутися сильної зашумленості, згладити сплески напруги, виправити форму піків тощо. Далі була реалізований механізм кількісного аналізу, що полягає в написанні процедури пошуку піків, визначення їхніх початку, кінця, ширини і вершини. За основу пошуку вершин піка (максимуму сигналу) було взято методи просування «вікна» і половинного розподілу. Перший метод — метод просування «вікна» є спосіб пошуку экстремума функції, заснований на обчисленні різниці значень функції на межах тимчасового вікна з послідовним просуванням вперед по тимчасової осі. Другий метод (половинного розподілу) досить висвітлений у літературі і було реалізовано для уточнення экстремума сигналу, знайденого з допомогою першого методу. Слід зазначити, що реалізовані методи пошуку максимуму дозволяють ефективно знаходити вершину піка та її початок і кінець, а як і виявляти піки — «наїзники» (коли початок наступного піка іде з рівня базової лінії, а трохи вище, на мал.1 це піки сьомий і восьмий). Для проведення кількісного аналізу виробляється розрахунок площ виявлених піків. Далі виявляється питому вагу площі кожного піку загальному сумі, що й становить кількість речовини в пробі. Для можливості проведення порівняльних аналізів програма дозволяє вести архів аналізів, у якому збережено всі необхідні дані. Невід'ємною частиною ПО є здатність автоматично проводити зіставлення даних з які у архіві й добирати, що відповідають деяким заданим умовам. [pic] Рис. 4 Хроматограмма этилсалицилата отримано з допомогою описаного програмноапаратного комплекса.

В висновок хотілося б вирізнити, що описана тут система має не обмежується наведеними можливостями, нині ведуться активні роботи з її вдосконаленню. Як із найцікавіших напрямів його розвитку слід зазначити створення інтелектуальної системи автоматичного розпізнавання компонентів аналізованих речовин і застосування цієї системи під управлінням технологічним процесом предприятия.

1. Хайвер До. І ін. «Высокоэффективная газова хроматографія» М.: Світ 1993 2. J.L. Excoffier / G. Guiochon «Automatic Peak Detection in Chromatography», Chromatographia, Vol. 15, No.9, September 1982 3. C.E. Reese «Chromatographic Data Acquisition and Processing. Part 2. Data Manipulation», Journal of Chromatographic Science, Vol. 18, June 1980 ———————————- [1] Є через те, що враховуючи щодо велику інерційність хроматографических датчиків у часі, практично достатньої буває частота дискретизації вхідного сигналу близько 20 гц (враховуючи теорему Котельникова). 1 Іноді, при недостатньому запасі АЦП по перевантаження відбувається втрата даних, виражену в недостатньо точному визначенні площі піка як і слідство призводить до неправильним результатам кількісного аналізу. 1 Слід відразу обмовитися, що застосовуючи в ПК порти послідовного інтерфейсу з буфером FIFO і вдаючись до деяких хитруванням з MS-DOS (як наприклад, використання прапорця зайнятості системи), за комп’ютерами від AT-286 і від можна домогтися реалізації способу безпосередньої записи даних на диск.