Программный комплекс "Тепловой взрыв" (стр. 34 )

Это определение отражает основные свойства ИВС:

ИВС является средством измерений; ИВС предназначена для автоматического сбора и обработки больших массивов измерительной информации; ИВС построена по системному принципу, при котором отдельные компоненты, образующие систему, обладают конструктивной и функциональной автономностью.

Сбор данных в общем случае является процессом, в ходе которого физические явления реального мира трансформируются в электрические сигналы, которые измеряются и преобразуются в цифровой формат, подходящий для обработки, анализа и сохранения компьютером и осуществления действий с этими данными [15]. Специфика метода кинетического исследования определяется физическим явлением, которое используется для отображения состояния химического процесса с помощью соответствующего датчика. Датчик обеспечивает интерфейс между кинетической системой и системой сбора данных путем преобразования физических или химических явлений, сопровождающих химическую реакцию, в электрические сигналы, которые могут быть восприняты ИВС. Этот вопрос будет рассматриваться подробно далее применительно к каждому методу исследования. Здесь же основным для нас будет то, что вне зависимости от метода исследования используемый датчик создает электрический сигнал, отображающий значение наблюдаемого в эксперименте параметра.

Выходные аналоговые электрические сигналы датчиков часто нуждаются в определенных преобразованиях для обеспечения их оптимального ввода в ИВС. Речь идет о предварительной фильтрации входного сигнала от внешних помех и его усилении для увеличения точности измерений до уровня, при котором максимальное значение входного сигнала должно быть равно входному диапазону аналого-цифровой преобразователя (далее АЦП) системы сбора данных.

Нормализованный входной аналоговый сигнал в виде напряжения поступает в АЦП, где преобразуется в цифровые коды, подаваемые на ЭВМ. АЦП, как и датчики, являются обязательными компонентами ИВС. АЦП обычно работают под управлением ЭВМ, обеспечивающей необходимый алгоритм сбора первичной информации. АЦП могут быть индивидуальными для каждого канала, однако чаще один АЦП используется для всех или нескольких каналов, работая в мультиплексном режиме. В этом случае в системе присутствует только один АЦП и коммутатор, управляемый ЭВМ. Последовательность преобразователей и каналов связи, обеспечивающая преобразование измеряемой физической величины в цифровой код, образует измерительный канал (ИК). Коды, выдаваемые АЦП, подаются для обработки на вход ЭВМ, в качестве которой в кинетической системе обычно используется персональный компьютер (ПК). Функции ЭВМ могут заключаться не только в обработке первичной измерительной информации, но и в управлении самим процессом эксперимента, например, управлением программным нагревом (при наличии специальных исполнительных устройств). Различные варианты организации конкретизируют построение измерительных каналов, но не изменяют функциональной структуры системы.

Современные ПК обладают весьма широкими функциональными возможностями, достаточными для решения большинства практических задач, имеют развитую систему органов управления и отображения, организации хранения данных. Здесь мы говорим об ЭВМ, входящей в состав ИВС, обеспечивающей основную обработку и хранение измерительной информации, и выдачу ее пользователю. В различных узлах ИВС также могут использоваться микропроцессорные устройства для первичной обработки измерительной информации.

При дальнейшем рассмотрении мы не включаем датчики в состав ИВС. Такое выделение датчика (или датчиков) как самостоятельного устройства кинетической системы делает ИВС функционально и алгоритмически одинаковой для различных по принципу исследования кинетических систем. При этом, ИВС выполняет следующие функции:

управление процессом сбора первичной измерительной информации путем подачи соответствующих команд на АЦП, вторичные преобразователи и устройства, оказывающие воздействие на исследуемый объект; обработку первичной измерительной информации; отображение результатов обработки в форме, удобной пользователю; организацию хранения массивов первичной измерительной информации; передачу массивов первичной измерительной информации в другие системы для дальнейшей обработки при постановке задач более высокого уровня (в нашем случае, задач кинетического анализа).

Реализация этих функций с применением современной техники не вызывает каких – либо принципиальных трудностей и достаточно успешно решена в любом промышленно производимом кинетическом приборе.

Во всех случаях в ИВС формируется временной массив значений информативного параметра Y(t) (или вектор множества информативных параметров ) соответствующих используемому методу исследований в результате преобразования временного массива значений выходного сигнала датчика S(t) (или датчиков) с использованием экспериментально определяемой градуировочной характеристики (или функции преобразования) датчика:

               (5.4)

При завершении эксперимента формируется выходной файл эксперимента, формат которого определяется спецификой экспериментального прибора и методом проведения экспериментального исследования. Выходной файл эксперимента содержит информацию об исследуемом образце вещества или химической реакции, об эксперименте (название, условия эксперимента), выходной массив сигналов отклика. В большинстве случаев выходной файл эксперимента имеет кодировку ASCII, что обеспечивает простоту импорта экспериментальной информации в другие системы. В частности, в TSS имеется специальная программа – конвертор TFC для выполнения такого импорта. Более подробно этот вопрос рассмотрен далее.

Ограничиваясь этим кратким описанием общей структуры и функций ИВС, отсылаем интересующихся более подробным рассмотрением этого вопроса к специальной литературе [15].

5.4. Проблема корректности экспериментального кинетического исследования

Для создания кинетических моделей химических реакций, применяемых для анализа термической опасности химических процессов и объектов, наиболее часто используются экспериментальные данные по тепло - и газовыделению. Корректность проведения экспериментального исследования, в результате выполнения которого они получены, самым существенным образом определяет качество полученных кинетических моделей и, соответственно, качество и надежность конечных результатов исследований термической безопасности в целом.

Основная задача настоящей главы дать исследователю сведения, необходимые ему при использовании программного комплекса TSS в экспериментальном кинетическом исследовании.

Цель проведения кинетического эксперимента – получить экспериментальные данные, необходимые для построения кинетической модели химической реакции в результате решения "обратной" задачи химической кинетики с использованием экспериментально – статистического подхода. О методологии такого подхода к решению "обратной" задачи подробно будет говорится далее. Здесь же только укажем, что в этом случае поиск кинетической модели производится в результате сопоставления наблюдаемых в эксперименте откликов химической реакции с их значениями, полученными в результате расчета с использованием кинетической модели химической реакции и определенной модели кинетического реактора. Именно здесь возникает проблема, которая определена нами как проблема корректности кинетического исследования, суть которой требует своего разъяснения.

В дальнейшем, рассматривая проблему корректности кинетического исследования, мы будем говорить о двух факторах, специфических для кинетических исследований, определяющих корректность их выполнения:

корректности определения значения отклика химической реакции, используемого в дальнейшем для кинетического анализа – далее будем называть его корректностью отклика; близостью (адекватностью) "реального" кинетического реактора, в котором выполняется эксперимент, к "идеальной" модели реактора, используемой при расчетном определении отклика химической реакции при кинетическом анализе – далее будем его называть корректностью кинетического реактора.

Конечно, правильность результатов экспериментального кинетического исследования определяется не только его "кинетической" корректностью, но и правильностью всей техники его выполнения. Это общее требование к любому эксперименту, но в этом разделе мы не будем его рассматривать, предполагая, что исполнитель эксперимента при его выполнении не допускает технических ошибок. Далее речь пойдет только о "кинетической" корректности эксперимента, специфичной для кинетического исследования.

Появление проблемы корректности отклика связано с тем, что для ряда методов экспериментального исследования экспериментальный отклик - отклик, измеряемый в эксперименте, отличен от отклика химической реакции, используемого для кинетического анализа. Так, например, если для метода ДСК экспериментальный отклик – тепловой поток между исследуемым образцом и эталоном, то отклик химической реакции, необходимый для кинетического анализа – скорость тепловыделения (или интегральное тепловыделение). Переход от экспериментального отклика ui(t) к отклику, необходимому для кинетического анализа yi(t), определяется моделью наблюдения – математической зависимостью, устанавливающей функциональную связь между этими величинами:

               (5.5)

Поэтому корректность модели наблюдения, используемой для такого перехода, составляет суть проблемы корректности отклика. Модель наблюдения (вид функции F в (5.5)) специфична для каждого метода эксперимента и определяется в результате теоретического анализа. Так, например, для ДСК такой моделью наблюдения является уравнение Тиана – Кальве (см. далее). Поэтому вопрос модели наблюдения рассматривается далее применительно к каждому методу экспериментального исследования отдельно.