Программный комплекс "Тепловой взрыв" (стр. 41 )

Передача данных из файла эксперимента для дальнейшей обработки в других программах требует, чтобы формат файла эксперимента был "понятен" программе - приемнику, в которую необходимо передать данные. Поскольку формат файла эксперимента не стандартизован, то он у различных производителей экспериментального оборудования различен, что создает проблемы для ввода данных эксперимента в другие программы.

Программы всегда хранят данные таким способом, какой выбирает программист. Все файлы в зависимости от способа представления данных условно можно разделить на два вида – текстовые и двоичные. Все текстовые файлы используют единообразное наиболее простое представление информации с использованием кодировки ASCII. Читать такие файлы можно с использованием многочисленных программ – текстовых редакторов. Однако возможности текстового представления ограничены. Оно не может передать рисунки, форматирование текста и т. д., что доступно для двоичных файлов. При этом, представление информации в двоичных файлах сугубо специфично для каждой программы. Подробнее об этом в [1].

Возможности ASCII – файлов вполне достаточны для передачи основной части информации эксперимента. Поэтому производители экспериментального оборудования, заинтересованные в возможности использования результатов эксперимента другими различными программами, практически всегда обеспечивают вывод экспериментальных результатов в текстовом формате. В этом случае задача обеспечения приема файла эксперимента от приборов различных производителей оборудования для дальнейшей обработки целиком ложится на программу – приемник. Такая задача решается использованием специальной программы – конвертора данных из формата данных ASCII в формат программы – приемника. Именно такая схема ввода исходной экспериментальной информации реализована в системе TSS с помощью специальной программы - конвертора TFC, а также наличием возможности конвертирования файлов ASCII непосредственно в программах первичной обработки экспериментальных данных TDPro, ADPro (и ее последней версии ADAExpert), RCPro. Таким способом автоматически вводится основная часть информации из файла эксперимента - числовая информация, отражающая основной объем эксперимента. Часть информации, например, комментарии к эксперименту, может быть введена оператором в диалоговом режиме вручную.

TFC работает с любой информацией, представленной в виде ASCII файлов, а также в виде листов программы MS Excel. Эта программа позволяет прочесть файл, выполнить его анализ и выбрать из него только необходимую информацию. Кроме того, возможно выполнение некоторых простых операций преобразования данных, например, изменение размерности входной информации. В зависимости от вида эксперимента программа TFCавтоматически определяет исходные данные, подлежащие конвертированию. Использование специальных шаблонов позволяет обеспечить сохранение методов обработки файлов эксперимента различных типов (в зависимости от их расширения) или файлов любого вида. Если шаблон ассоциирован с расширением файла, тогда необходимый для выполнения конвертации сохраненный шаблон вводится автоматически или выбирается вручную из списка доступных шаблонов.

Для конвертации исходных ASCII данных в форматы данных TSS конвертор TFC может быть запущен в одном из двух вариантов:

как самостоятельная программа; при запуске любой из программ первичной обработки TDPro, ADPro (ADAExpert), RCPro.

Различие между этими системами запуска в том, что в первом случае пользователь должен определить и задать в TFC тип эксперимента (адиабатический, ДСК, ДТА или реакционная калориметрия). Результатом выполнения конвертации является двоичный файл с расширением, соответствующим методу проведения эксперимента: ad – для адиабатического эксперимента, td – для ДТА, ДСК, микрокалориметрии, rc - для реакционной (проточной) калориметрии.

В полном объеме возможности программы TFC и работа с ней представлены в руководстве пользователя, находящемся в свободном доступе в Интернет [2]. Там же имеются примеры, демонстрирующие работу конвертора TFC.

7.2. Процедуры первичной обработки экспериментальных данных ДСК

7.2.1. Введение

Конечной целью экспериментального кинетического исследования является определение значений наблюдаемых откликов химической реакции в условиях контролируемого воздействия на нее. Исходной информацией для этого являются наблюдаемые выходные сигналы датчиков (обычно в виде электрических аналоговых сигналов), собранные и соответствующим образом обработанные в режиме реального времени с использованием ИВС. Эти сигналы, в общем случае, включают в себя три составляющих:

полезный сигнал – сигнал, несущий полезную информацию, для получения которой собственно и проводится эксперимент; сигнал базовой (нулевой) линии – выходной сигнал, существующий в системе в условиях эксперимента, но при отсутствии в ней исследуемого процесса (явления, образца); шумы – помехи, создаваемые флуктуациями всех устройств, принимающих участие в образовании сигнала детектора.

В связи с этим исходные экспериментальные сигналы требуют для использования в кинетическом анализе выполнение предварительной обработки далее называемой первичной обработкой исходных данных кинетического эксперимента. Ее цель – выделение полезного сигнала в экспериментально наблюдаемом сигнале и его преобразование в физически содержательный отклик химической реакции.

Первичная обработка исходных данных кинетического эксперимента специфична для каждого вида кинетического исследования и выполняется соответствующей программой первичной обработки для данного вида эксперимента: TDPro – для ДСК и ТГА, ADPro – для адиабатического эксперимента, RCPro - для реакционной калориметрии.

Цель настоящей главы – изложение принципов первичной обработки ДСК, используемые в программе TDPro. В этом случае (как и в случае других программ) мы не будем рассматривать технику работы с программой, поскольку для каждой программы комплекса TSS существуют подробные руководства, находящиеся в свободном доступе на сайте разработчикаTSS [2].

Дадим определение основных терминов, используемых при первичной обработке ДСК (рис. 7.2) [3]:

Нулевая линия прибора– сигнал, измеренный с пустым прибором (т. е. без образца и без контейнера образца) или с пустым контейнером образца. Нулевая линия показывает собственно термическое поведение прибора и степень влияния существующих в приборе асимметрий.

Базовая линия прибора – сигнал, возникающий при отсутствии химической реакции и фазовых превращений в образце. Базовая линия - это сумма нулевой линии и теплового потока, обусловленного разностью теплоемкостей образца и эталона (вместе с соответствующими контейнерами, держателями и т. д.) в режиме сканирования по температуре.

Пик – измерительный сигнал, который появляется, когда стационарное состояние образца нарушается из-за превращений (физических или химических), происходящих в нем. Пик начинается при начальной температуре (первое отклонение от базовой линии) и заканчивается при температуре Tf.

Виртуальная базовая линия – линия, которая в области пика конструируется таким образом, что 1) соединяет кривую измерения до и после пика и 2) проходит в предположении отсутствия термических превращений в образце.

Для ДСК физически содержательными откликами являются скорость тепловыделения (дифференциальный отклик) или интегральное тепловыделение (интегральный отклик), целевое воздействие на химическую реакцию при кинетическом исследовании – температура. В комплексе TSS компонент, выполняющий первичную обработку - программа TDPro.

Рис. 7.2. Определение нулевой и базовой линий, пика и характерных температур ДСК: Ti - начальная температура пика, Те - экстраполированная начальная температура пика, Тр – максимальная температура пика, Тс – экстраполированная конечная температура пика, Tf – конечная температура пика.

До начала целевого экспериментального исследования проводится предварительное исследование, имеющее своей целью определение вида экспериментальной кривой, температурного диапазона исследований, подбор оптимальных условий эксперимента. Для температурного диапазона и режимов проведения исследования должны быть выполнены температурная, статическая и динамическая калибровка приборов, описанные ранее и определение базовой линии прибора.

7.2.2. Фильтрация данных

Начальным этапом обработки всегда являются процедуры фильтрации и сглаживания экспериментальных данных, рассматриваемые далее. Эти процедуры могут выполняться как в режиме реального времени непосредственно в ходе эксперимента, так и обработкой данных, сохраненных в файле эксперимента

Сигнал ДСК (как сигнал от любого прибора, используемого для кинетических исследований) - это информационная функция, несущая сообщение о состоянии химической реакции. Целью обработки таких сигналов является извлечение из них целевой информации и преобразование этих сведений в форму, удобную для восприятия и дальнейшего использования при построении кинетической модели.

При детектировании таких сигналов, несущих целевую для данного вида измерений информацию, в сумме с основным сигналом одновременно регистрируются и мешающие сигналы - шумы и помехи самой различной природы. Выделение полезных составляющих из общей суммы зарегистрированных сигналов и максимальное подавление шумов и помех в информационном сигнале при сохранении его полезных составляющих является одной из основных задач первичной обработки сигналов (результатов наблюдений). Для ее решения используются методы фильтрации и сглаживание сигналов, направленные на уменьшение уровня случайных шумов и импульсных помех на экспериментальной кривой.

Случайные шумы являются малыми сигналами по сравнению с полезным сигналом. Они имеют нормальное распределение своих амплитуд и частотный спектр, сдвинутый в высокочастотную область по сравнению со спектром полезного сигнала. В отличие от случайных шумов для импульсных единичных помех характерны кратковременность действия (малые длительности импульсов) и значительные амплитуды. Подавление случайных шумов в дальнейшем называется фильтрацией, импульсных помех –сглаживанием. Методы фильтрации и сглаживания сигналов существенно различны [4-7].