Программный комплекс "Тепловой взрыв" (стр. 33 )

Программный комплекс TSS ориентирован для использования в исследованиях кинетики химических реакций, происходящих в жидкой и твердой фазах, с применением следующих экспериментальных методов, традиционно используемых в области термической безопасности:

дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) и калориметрии теплового потока; псевдоадиабатической калориметрии; реакционной калориметрии; манометрии; термогравиметрии (ТГА).

В дальнейшем все эти методы будут подробно рассмотрены. Здесь же кратко остановимся на общей характеристике методов кинетического исследования.

Общим для всех методов кинетического исследования, рассматриваемых в TSS, является то, что в условиях эксперимента проводится исследование влияния только температуры на кинетику химической реакции. Важность проведения именно таких исследований для решения проблем термической безопасности достаточно очевидна и, по нашему мнению, не требует дальнейшего обсуждения. Все прочие переменные, оказывающие влияние на скорость химической реакции, рассматриваются как факторы, т. е. являются переменными, которые в ходе эксперимента контролируются как постоянные и целенаправленно не изменяются.

Общей чертой для всех этих методов исследования является использование в эксперименте программированного нагрева, что значительно повышает информативность кинетического исследования и резко снижает время эксперимента. Для реализации программированного нагрева в каждой кинетической системе имеются соответствующая система управления и исполнительное устройство.

Датчики, используемые в кинетическом исследовании, позволяют собирать, фиксировать и передавать в виде отклика для дальнейшего использования информацию о текущем состоянии химического процесса в реакторе. Такой информацией может быть информация о химическом составе реакционной массы, тепловыделении и газовыделении, сопровождающими химический процесс, потери массы и т. д. Принципиально в качестве отклика химической реакции может быть использовано ее любое наблюдаемое (измеряемое) свойство, для которого установлена функциональная связь с параметрами состояния химической реакции, что отражается в соответствующей модели наблюдения, присущей методу исследования.

Таблица 5.1

Выходные сигналы для различных методов кинетического эксперимента

Метод эксперимента	Измеряемый отклик	Измеряемый сигнал
ДСК и калориметрия теплового потока	Скорость тепловыделения	Тепловой поток
Псевдоадиабатическая калориметрия	Скорость тепловыделения	Температура
Реакционная калориметрии	Скорость тепловыделения	Тепловой поток
Манометрия	Давление в реакционном объеме	Давление
Волюмометрия	Объем выделившихся газов	Объем неконденсируемых газов
ТГА	Потеря массы	Потеря массы

Свойство наблюдаемого (измеряемого) отклика химической реакции определяет метод выполнения кинетического исследования и вид датчика, используемого для его измерения (табл. 5.1).

Датчики, используемые при кинетических исследованиях весьма разнообразны. Существует множество явлений и эффектов, видов преобразования свойств и энергии, которые можно использовать для этого [16-19]. При этом, большинство свойств химических реакций, используемых при кинетических исследованиях, имеют неэлектрический характер (температура, давление, тепловой поток, концентрации и т. д.). Поэтому большинство современных датчиков помимо измерения осуществляют также преобразование измеряемой неэлектрической величины в электрическую.

Основное для датчиков, используемых при кинетических исследованиях – наличие функциональной связи между величиной, измеряемой датчиком, с параметрами, входящими в кинетическую модель исследуемой химической реакции. Эта связь, как указывалось ранее, определяется моделью измерений, специфичной для каждого типа датчиков.

Для получения оперативной информации о ходе эксперимента, управления им, сохранения данных и их обработки любая современная кинетическая система включает в себя измерительно – вычислительную систему (далее ИВС), работающую в режиме реального времени (режиме on-line). В следующем разделе применение ИВС в экспериментальных кинетических исследованиях будет рассмотрен более подробно.

5.3. Информационно – измерительная система кинетической установки

Появление ИВС в составе кинетических систем обусловлено, в первую очередь, необходимостью решения конкретных задач экспериментальных исследований, требующих получения, обработки, отображения и хранения относительно больших объемов измерительной информации и подготовки ее к использованию на этапе решения сложных задач кинетического анализа. Сегодня практически любой прибор (или установка) для экспериментального исследования химических реакций содержит в своем составе ИВС. Это связано с резким удешевлением технических средств, входящих в ИВС, при одновременном самом существенным повышением их быстродействия и объемов памяти, надежности, миниатюризацией, наличием развитой периферии и устройств связи с объектами, мощных операционных систем. Возможности современных ИВС обеспечивают реализуемость самых сложных измерительных задач, в том числе, создание распределенных систем с использованием Интернет.

ИВС, особенно встраиваемые непосредственно в состав приборов, многообразны по своей технической реализации, но весьма близки по выполняемым функциям.

ИВС представляет собой совокупность программно – управляемых измерительных, вычислительных и вспомогательных технических средств, функционирующих на основе единого программного обеспечения, реализующего алгоритмы измерения, сбора, первичной обработки, хранения и отображения измерительной информации. ИВС обеспечивают измерение входных сигналов, поступающих от различных типов датчиков, первичную обработку результатов измерений, получение результатов косвенных, совокупных и совместных измерений в темпе поступления данных (режиме on-line), управление функционированием отдельными узлами и операциями в ходе эксперимента, включая организацию запросов, очередей, установление приоритетов, диалоговый режим с экспериментатором, хранение и отображение информации, выработку управляющих воздействий на исследуемый объект и т. д. В современных ИВC на промышленном уровне реализована системная совместимость всех функциональных элементов, входящих в ее состав, унификация и нормирование видов и параметров входных сигналов, однотипность метрологических характеристик средств измерений. Сегодня ИВС – один из основных видов вычислительной техники, детально представленный в многочисленных учебниках и иной литературе, например, [8–13, 15]. Конечно, вряд ли имеется необходимость экспериментатору, проводящему кинетическое исследование, погружаться в дебри устройства ИВС. За него это сделали разработчики приборов, включившие ИВС в их состав. В большинстве случаев они, являясь профессионалами в области приборостроения, оптимизировали использование ИВС в кинетических приборах как в части технических средств, так и программного обеспечения. Однако экспериментатору для успешного планирования и выполнения исследования, эффективного использования имеющегося оборудования весьма полезно понимать принципы построения автоматизированных приборов, их возможности и ограничения, понимать используемые аппаратные и программные средства, входящие в ИВС, на уровне исполняемых функций. Иметь этот объем знаний экспериментатору, проводящему исследование, весьма полезно, поскольку слепая работа с автоматизированным прибором на уровне его использования как "черного ящика" методом "нажатия кнопок" чревата возможностью появления принципиальных ошибок, переоценки и недооценки возможностей прибора.

Для интересующихся проблемой ИВС можно рекомендовать практическое руководство [15], охватывающее все аспекты систем сбора данных и всю необходимую информацию для быстрого ознакомления с ней.

Вряд ли экспериментатор, использующий современный прибор, оснащенный ИВС, сумеет что-либо изменить в них, включая программное обеспечение, не привлекая профессионалов в области вычислительной техники. В большинстве случаев возможность доступа к соответствующему программному обеспечению ИВС (программам on-line) для его изменения экспериментатору не предусмотрена, да и в этом возникает необходимость достаточно редко. При возникновении такой необходимости экспериментатор должен уметь своевременно ее выявить и поставить соответствующую задачу перед специалистом – профессионалом в области вычислительной техники (или перед разработчиком прибора).

В данном случае мы рассматриваем только вариант, когда экспериментатор использует в своих исследованиях готовый прибор, разработанный и изготовленный в промышленных условиях, снабженный ИВС с необходимым программным обеспечением, а не прибор, который он сам разработал и изготовил. Сегодня рынок насыщен различными современными приборами, пригодными для использования в кинетических исследованиях. Создать такой прибор самостоятельно в кустарных условиях, без специальной профессиональной подготовки, без использования сложных и часто уникальных технологий требует огромного труда, времени и средств, и поэтому это вряд ли вообще возможно и целесообразно как в техническом, так и экономическом плане. Изменить аппаратную часть промышленно изготовленного кинетического прибора и его ИВС также обычно весьма сложная задача. Даже интеграция ИВС, выполняющей функцию измерительного прибора, с соответствующим источником сигнала, возникающего в эксперименте, является непростой задачей, заставляет решать множество вопросов: подбор схемы подключения, экранирование, борьба с помехами, согласование блоков системы по интерфейсу и т. д. Конечно наличие на рынке развитых систем автоматизации эксперимента типа LabView [13] облегчает этот процесс, но не меняет ситуацию принципиально.

Согласно современным представлениям, ИВС — совокупность определенным образом соединенных между собой средств измерений и других технических средств (компонентов измерительной системы), образующих измерительные каналы, реализующая процесс измерения и обеспечивающая автоматическое (автоматизированное) получение результатов измерений (выражаемых с помощью чисел или кодов) физических величин, изменяющихся во времени и пространстве и характеризующих определенные свойства (состояния) объекта измерений [8, 14].