Радиостатистический метод экспресс-контроля качества веществ (стр. 2 )

Научная новизна. В процессе исследований получены следующие новые результаты:

радиостатистический метод исследования веществ с элементами теории для его описания; результаты экспериментальных исследований различных веществ, позволяющие разработать интегральный показатель качества каждого из них; устройство экспресс-контроля интегрального показателя качества вещества, защищенное патентом на изобретение; подсистема нейро-нечеткого вывода для определения интегрального показателя качества вещества.

Достоверность полученных результатов определяется корректным использованием математического аппарата при построении аналитических выражений, отсутствием противоречий между полученными результатами и выводами исследований, описанных в научной литературе, экспериментальной проверкой радиостатистического метода на метрологичеки проверенной аппаратуре с погрешностью не более 10 %.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

разработано программное обеспечение для определения вероятностных характеристик сигнала, полученных радиостатистическим методом, которое защищено свидетельством о государственной регистрации права на интеллектуальную собственность; разработано устройство контроля интегрального показателя качества вещества, которое защищено патентом на изобретение; разработана методика экспериментальных исследований веществ радиостатистическим методом контроля.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

элементы математической теории радиостатистического метода исследования веществ; интегральный показатель качества и устройство для его контроля; результаты исследования оценок вероятностных характеристик сигнала, полученного при взаимодействии электро-магнитного поля с веществом.

Апробация результатов. Материалы и основные результаты диссертационной работы обсуждались на 4-ой Всероссийской молодежной научно-технической конференции с международным участием «Россия молодая: передовые технологии в промышленность!» (г. Омск, 2011 г.), всероссийской научно-практической конференции «Наука, образование, бизнес» (Институт радиоэлектроники, сервиса и диагностики, г. Омск, 2012-2013 гг.), V всероссийской  научно-практической конференции «Информационные технологии и автоматизация управления» (Омский государственный технический университет, г. Омск, 2013 г.), всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Приборы и методы измерений, контроля качества и диагностики в промышленности и на транспорте» (Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск, 2014 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликована 21 печатная работа, из них 3 статьи в журнале «Омский научный вестник» и 1 статья в журнале «Промышленные АСУ и контроллеры», включенные в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК, 2 доклада в трудах международных конференций, 7 докладов в трудах всероссийских конференций, 3 доклада в трудах региональных конференций, 1 патент на изобретение, 1 положительное решение по заявке на изобретение, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из пяти глав, введения, заключения, списка литературы из 106 наименований, содержит 35 рисунков, 7 таблиц и 3 приложения.

В первой главе проведен аналитический обзор методов контроля качества веществ. Рассмотрены методы аналитической химии, общая схема аналитического контроля, методы элементного анализа, в том числе рентгеноспектрометрия, нейтронно-активационный анализ и атомная спектрометрия. Далее описаны методы неразрушающего контроля: оптические и радиоволновые. Сделано обоснование необходимости разработки метода экспресс-анализа качества веществ.

Вторая глава посвящена теоретическому обоснованию радиостатистического метода контроля веществ. Выдвигается гипотеза о зависимости вероятностных характеристик сигнала, полученного в результате взаимодействия ЭМП с веществом, от свойств вещества. Дается определение радиостатистического метода контроля веществ. Формулируется задача исследования, разрабатывается математическая модель взаимодействия электромагнитного поля с веществом.

Третья главы посвящена определению параметров сигнала на выходе приемника излучения с цилиндрической и конической диаграммами направленности. Выводятся аналитические выражения для расчета энергии и напряжения на выходе приемника излучения. Приводятся графики зависимости энергии электромагнитного поля и напряжения от размеров среды.

В конце главы даются рекомендации по построению преобразователя электромагнитного поля в электрический сигнал.

В четвертой главе описывается методика исследования веществ радиостатистическим методом, в том числе рассматриваются математические свойства и применение характеристической функции случайных процессов, структура лабораторного стенда и методика проведения экспериментов по исследованию веществ, а также приводится метрологический анализ лабораторного стенда. Описывается программное обеспечение радиостатистического метода контроля веществ, алгоритм определения интегрального показатель качества, а также подсистема нейро-нечеткого вывода для повышения достоверности определения интегрального показателя качества. Рассматриваются гибридные сети – объединение аппаратов нечеткой логики и нейронных сетей, приводятся основные понятия и определения, описываются преимущества данного подхода перед классическими нейронными сетями и системами нечеткого логического вывода, приводятся основные архитектурные решения, в том числе адаптивные нейро-нечеткие сети, описывается применение алгоритма обратного распространения ошибки для обучения нейро-нечетких сетей. В конце главы приводится практическая реализация подсистемы нейро-нечеткого вывода для принятия решения о качестве вещества.

В пятой главе даются результаты экспериментального исследования различных веществ радиостатистическим методом, представленные в виде таблиц и графиков. Описывается устройство контроля интегрального показателя качества веществ.

Аналитический обзор методов контроля веществ

В рамках аналитического обзора рассматриваются методы анализа и контроля веществ из различных научных областей: методы количественного и качественного анализа аналитической химии, методы неразрушающего контроля.

Методы аналитической химии [ 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9] позволяют отвечать на вопросы о том, из чего состоит вещество, какие компоненты входят в его состав. Эти методы часто дают возможность узнать, в какой форме данный компонент присутствует в веществе, оценить пространственное расположение компонентов.

Методы и средства анализа постоянно изменяются: привлекаются новые подходы, используются новые принципы и явления, часто привлекаемые из других областей знаний. Так, например, в настоящее время в аналитической химии значительную роль приобрели физические методы анализа – спектроскопические и ядерно-физические.

Аналитическая химия – наука об определении химического состава веществ и, в некоторой степени, химического строения соединений. Аналитическая химия развивает общие теоретические основы химического анализа, разрабатывает методы определения компонентов изучаемого образца, решает задачи анализа конкретных объектов [ 10].

Основная цель аналитической химии – обеспечить в зависимости от поставленной задачи точность, высокую чувствительность, экспрессность и/или избирательность анализа. Разрабатывают методы, позволяющие анализировать микрообъекты, проводить локальный анализ (в точке, на поверхности и т. д.), анализ без разрушения образца (неразрушающий анализ), на расстоянии от него (дистанционный анализ), непрерывный анализ (например в потоке), а также устанавливать, в виде какого химического соединения и в составе какой фазы существует в образце определяемый компонент (фазовый анализ).

Можно выделить три крупных направления аналитической химии:

общие теоретические основы; разработка методов анализа; аналитическая химия отдельных объектов.

В зависимости от цели анализа различают качественный анализ и количественный анализ. Задача первого – обнаружение и идентификация компонентов анализируемого образца, второго – определение их концентраций или масс. В зависимости от того, какие именно компоненты нужно обнаружить или определить, различают изотопный анализ, элементный анализ, структурно-групповой (в т. ч. функциональный анализ), молекулярный анализ, фазовый анализ. По природе анализируемого объекта различают анализ неорганических и органических веществ.

В аналитической химии различают методы разделения, определения (обнаружения) и гибридные, сочетающие методы первых двух групп. Методы определения подразделяют на химические методы анализа (гравиметрический анализ, титриметрия), физико-химические методы анализа (например, электрохимический, фотометрический, кинетический), физические методы анализа (спектральные, ядерно-физические и др.) и биологические методы анализа. Иногда методы определения делят на химические, основанные на химических реакциях, физические, базирующиеся на физических явлениях, и биологические, использующие отклик организмов на изменения в окружающей среде.

Общая схема аналитического определения

В ходе почти любого анализа можно выделить следующие основные этапы [ 11, 12]:

отбор и усреднение пробы и взятие навески; разложение (вскрытие) пробы, растворение; разделение (выделение определяемого компонента) и концентрирование; количественное измерение; расчет результатов анализа.

Конечно, не в каждой методике реализуются все эти этапы. Иногда нет необходимости растворять пробу или проводить предварительное разделение компонентов. Эти этапы нередко исключаются, например, при анализе металлов и сплавов в эмиссионной спектроскопии или в некоторых радиометрических методах.

Усреднение пробы и взятие навески. Нередко задачей химического анализа на производстве является установление среднего состава поступающего сырья, например какой-то руды, вспомогательных материалов, топлива и т. д. Проба, поступающая в лабораторию на анализ, должна быть представительной, т. е. действительно отражать средний состав анализируемых материалов. Представительность пробы позволяет распространить этот результат на всю партию.