КОМПАКТНОЕ УСТРОЙСТВО ТИПА "ЭЛЕКТРОННЫЙ НОС"
COMPACT DEVICE OF "ELECTRONIC NOSE" TYPE

Изобретение относится к аппаратно-программным средствам обнаружения, формирования образа и распознавания на его основе многокомпонентных парогазовых сред для дальнейшей их идентификации и сравнения, и может быть использовано во всех отраслях промышленности.
Толкование терминов, используемых в заявке.
Под газоанализатором понимается устройство, измеряющее содержание (концентрацию) одного или нескольких компонентов в газовых смесях (www.pribor-r.ru).
Под достоверностью понимается верность полученных значений, не вызывающая сомнений (Ожегов С.И., Шведова Н.Ю. Толковый словарь русского языка: 80000 слов и фразеологий выражений / РАН; Российский фонд культуры; - 2-е изд., испр. и доп. - М.: АЗЪ, 1994. - 928 с. стр. 173)
Последействие - явление, состоящее в том, что действие чего-нибудь на что-нибудь обнаруживается не только в момент применения, но и в последующие стадии (Толковый словарь русского языка / Под. Ред. Д.Н. Ушакова. - М.: Гос. Ин-т «Сов. Энцикл.»; ОГИЗ; Гос. изд-во иностр. И нац. Слов., 1935-1940 с. (4 т.)).
Чувствительность - способность улавливать, отражать внешние воздействия, изменения (Ожегов С.И., Шведова Н.Ю. Толковый словарь русского языка: 80000 слов и фразеологий выражений / РАН; Российский фонд культуры; - 2-е изд., испр. и доп. - М.: АЗЪ, 1994. - 928 с. стр. 876).
Селективность - свойство одного объекта подбирать свойства другого объекта под свои нужды и качества, для дальнейшего совместного использования и распределения ресурсов как первого объекта так и его пары (в предлагаемом устройстве: способность различать различные вещества одним детектором или системой первичных преобразователей) (www.dic.academic.ru) .
Специфичность - особенный, отличительный, свойственный только данному предмету, явлению (Ожегов С.И., Шведова Н.Ю. Толковый словарь русского языка: 80000 слов и фразеологий выражений / РАН; Российский фонд культуры; - 2-е изд., испр. и доп. - М.: АЗЪ, 1994. - 928 с. стр. 744).
Известно техническое устройство, реализованное в изобретении «Мультисенсорная акустическая решетка для аналитических приборов «Электронный нос» и «Электронный язык», патент РФ № 2533692, G01N 29/02, опубл. 20.11.2014, Бюл. № 32. Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано для физико-химического анализа жидких и газообразных сред с использованием акустических волн.
Известно техническое устройство, реализованное в изобретении «Многоканальный «электронный нос» на пьезосенсорах», патент РФ № 2327984, G01N 33/00, опубл. 27.06.2008, бюл. № 18. Изобретение относится к технике проведения анализа многокомпонентных газовых сред, жидких и твердых тел, содержащих легколетучие органические и неорганические соединения, и может быть применено для увеличения селективности, чувствительности и экспрессности анализа многокомпонентных смесей при сохранении простоты детектирования.
Известно техническое устройство, реализованное в изобретении «Газоанализатор», патент РФ № 2138799, G01N 27/406, опубл. 27.09.1999. Изобретение относится к области промышленной теплоэнергетики, в частности, к топкам котельных агрегатов и промышленных печей.
Известно техническое устройство, реализованное в изобретении «Газоанализатор», патент РФ № 2249203, G01N 27/417, опубл. 27.03.2005 Бюл. № 9. Изобретение относится к средствам контроля газов на основе твердоэлектролитных ячеек и может быть использовано для измерения концентрации газов в атмосфере помещений промышленных предприятий и концентрации газов в жидкостях, в том числе водяных и жидкометаллических теплоносителях.
Известно техническое устройство, реализованное в изобретении «Газоанализатор для измерения концентрации компонентов в анализируемой среде с относительной влажностью от 0 до 98%», патент РФ № 2309399, G01N 27/28, опубл. 27.10.2007 Бюл. № 30. Изобретение относится к измерительной технике, в частности к газоаналитическим измерениям, и может быть использовано во всех отраслях промышленности для измерений концентрации компонентов (например, хлора, аммиака, диоксида серы) в воздухе рабочей зоны.
Известно техническое устройство, реализованное в изобретении «Газоанализатор», патент РФ № 2513660, G01N 21/00, опубл.  20.04.2014 Бюл. № 11. Изобретение относится к измерительному оборудованию, а именно к оптическим инфракрасным газоанализаторам, и может быть использован для непрерывного контроля довзрывоопасных концентраций паров углеводородов, продуктов нефтепереработки и т.д.
Известно техническое устройство, реализованное в изобретении «Газоанализатор», патент РФ № 2528129, G01N 21/61, опубл. 10.09.2014 Бюл. № 25. Изобретение относится к области аналитического приборостроения и может быть использовано для определения концентрации газообразных веществ.
Наиболее близким по своей технической сущности и выполняемым функциям аналогом-прототипом к заявленному, является устройство, реализованное в изобретении «Газоанализатор», патент РФ № 2260181, G01N 27/416, опубликованный 10.09.2005 Бюл. № 25.
Устройство-прототип содержит датчик концентрации измеряемого компонента, усилитель сигнала, микроконтроллер, блок питания, генератор частоты, элемент сигнализации, элемент памяти, причем, выход датчика соединен с входом усилителя сигнала, выход которого соединен с входом микроконтроллера, входы и выходы которого соединены с элементом сигнализации и элементом памяти, вход микроконтроллера соединен с выходом генератора частоты.
Технической проблемой в данной области является низкая достоверность формирования образа запаха, вследствие перекрестной селективности, характерной для многокомпонентных сред, низкой чувствительности, низкой стабильности измерений, низких временных характеристик (быстродействие и последействие сенсоров). Кроме того, требуется значительное количество применяемых сенсоров при использовании известных алгоритмов формирования и распознавания образов.
Техническая проблема решается созданием компактного устройства типа «электронный нос», позволяющего повысить достоверность формирования образа запаха, в том числе характерного для многокомпонентных сред за счет повышения селективности, чувствительности, стабильности измерений, временных характеристик (быстродействие и последействие сенсоров) а также, снизить количество сенсоров при использовании предлагаемого алгоритма  формирования образов.
Техническая проблема решается тем, что компактное устройство типа «электронный нос», в составе: микроконтроллера, блока питания, причем, первый выход блока питания соединен с входом микроконтроллера, согласно изобретению дополнено: блоком отбора и доставки проб, аналитическим блоком, блоком управления и первичной обработки, причем второй выход блока питания соединен с первым входом блока отбора и доставки проб, второй вход которого соединен с первым выходом блока управления и первичной обработки, выход блока отбора и доставки проб соединен с первым входом аналитического входа, выход и второй вход которого соединен с входом и вторым выходом блока управления и первичной обработки, включающего микроконтроллер с широтно-импульсным модулятором, формирователь обмена данными, формирователь параметров, блок управления внешними устройствами, причем входы и выходы формирователя обмена данными, формирователя параметров, блока управления внешними устройствами соединены с соответствующими входами и выходами микроконтроллера.
Перечисленный состав оборудования компактного устройства типа «Электронный нос» обеспечивает возможность повышения достоверности формирования образа запаха, в том числе характерного для многокомпонентных сред за счет повышения селективности, чувствительности, стабильности измерений, временных характеристик (быстродействие и последействие сенсоров), а также, снижение количества сенсоров при использовании предлагаемого алгоритма формирования образов.
Проведенный анализ уровня техники позволяет установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие изобретения условию патентоспособности «новизна».
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
«Промышленная применимость» введенных элементов обусловлена наличием элементной базы, на основе которой они могут быть выполнены.
Заявленное устройство поясняется чертежами, на которых показаны:
фиг. 1 - блок-схема компактного устройства типа «электронный нос»;
фиг. 2 - алгоритм обработки результатов измерений;
фиг. 3 - временные этапы работы полупроводниковых сенсоров;
2
фиг. 4 - сравнительный анализ распознавания образов паров и газов с использованием известных технических устройств (8 сенсоров) и предлагаемого устройства (16 сенсоров) при анализе «сложных» органических веществ (НДМГ, АЦЭ, АЦГ, CH3S, AsCl, НCN, АЦН, ЛГК);
4
2
2
2
2
2
2
фиг. 5 - сравнительный анализ распознавания образов паров и газов с использованием известных технических устройств (8 сенсоров) и предлагаемого устройства (16 сенсоров) при анализе «простых» неорганических веществ (NH, NO, CO, CO, SO, HS, F, Сl).
Заявленное устройство реализовано в виде функциональных узлов, представленных на фиг. 1, а именно:
3
Блок отбора и доставки проб (1) - известное устройство. Состоит из побудителя расхода, клапанов, осуществляющих переключение аэродинамических каналов подачи воздуха через встроенный фильтр и воздуха с примесями определяемых (целевых) веществ. Управление работой побудителя расхода и клапанами подачи воздуха осуществляется микроконтроллером по встроенному в программу алгоритму. Блок предназначен для отбора аликвоты анализируемой среды - воздуха и доставки в аналитический блок. Блок выполнен на базе побудителя расхода, обеспечивающего значения воздушного потока от 1,5 до 12 дм/мин, одного двухходового или двух одноходовых клапанов переключения воздушных потоков. В качестве базовых элементов могут быть использованы: побудители расхода производства (как вариант побудитель расхода может быть выполнен на базе безсмазочного пластично-роторного насоса А-01-М2 или А-01-Д4), клапаны производства (как вариант клапан может быть выполнен на базе клапана газ-контроля D = 8 мм). Стабилизатор напряжения (1.1), входящий в блок (1) обеспечивает стабильность питания побудителя расхода для повышения точности объема аликвоты.
Аналитический блок (3) - известное устройство, состоит из мультиканальной системы, составленной из полупроводниковых сенсоров, размещенных в аналитической камере. Мультиканальная система сформирована из сенсоров, минимальное количество которых составляет 16 независимых каналов, максимальное - 64. С помощью технологических приемов достигается высокая стабильность электрофизических и теплофизических характеристик применяемых полупроводниковых структур, составляющих основу газочувствительного слоя. Синтез газочувствительного материала и последующая термическая обработка позволяет получать кластеры, обладающие полупроводниковыми свойствами с наиболее вероятными размерами 2, 5, 7 и 9 нм. Разброс значений по размерам не превышает ± 10 % от наиболее вероятного размера. Селективность обнаружения соединений, составляющих запах задается количеством сенсоров, входящих в матрицу и вводимыми каталитическими примесями. Как вариант полупроводниковые сенсоры в зависимости от вещества могут быть выполнены на базе GS-08, TGS2610-С00 (горючие газы), TGS2444 (аммиак), TGS2600-В00 (воздух), TGS2611, TGS2611-Е00 (метан), TGS2620-С00 (пары органических растворителей), TGS3830 (фреон) и другие (www.sensorgas.ru).
Блок управления и первичной обработки (2) построен на основе микроконтроллера и предназначен для управления работой сенсоров, формирования параметров измерений, к которым относятся мощности нагревания каждого сенсора, кроме того, позволяет задавать и корректировать пороговые установки и времена исполнения этапов работы. Блок управления и первичной обработки (2) состоит из микроконтроллера (2.1), формирователя обмена данными (2.2), формирователя параметров (2.3),
Микроконтроллер (2.1) приводит первичные данные к виду, позволяющему провести специальные спектральные преобразования, на основании которых проводится предварительное обучение и построение образа, соответствующего анализируемому запаху. Как вариант может быть выполнено на базе STM32. (www.compel.ru). Нагрев сенсоров осуществляется с помощью широтно-импульсного модулятора (ШИМ) (2.1.1), являющийся составной частью микроконтроллера и предназначенного для управления и нагрева сенсоров, размещенных в аналитическом блоке.
Формирователь обмена данными (2.2) - известное устройство. Обеспечивает передачу первичной и преобразованной информации для выполнения расчетов и хранения на встроенном или внешнем устройстве. Кроме того, обеспечивает трансляцию образа для сравнения с результатами измерения и обработки для идентификации запаха, сформированного по текущим измерениям по протоколам UART, RS 485, TCP/IP (Ethernet), I2C, USB.
Формирователь параметров (2.3) - известное устройство. Задает параметры текущих измерений, принимает внешние конфигурации работы с учетом перечня обнаруживаемых веществ и образов запахов (например, без смены сенсоров блока (3) изменение конфигурации параметров измерения позволяет обнаруживать различные вещества и группы веществ для построения образа запаха).
Блок управления внешними устройствами (2.4) - известное устройство. Блок представляет собой группу переключателей с управлением от микроконтроллера. Предназначен для управления исполнительными устройствами (побудитель расхода, одно и двух ходовые клапаны, внешняя индикация и другие механические устройства).
Блок питания (4) предназначен для силового обеспечения блоков, входящих в заявленное устройство, подключение к сетям переменного и постоянного напряжения, стабилизации значений напряжения, распределения питания для функциональных узлов и блоков, контроль разряда и заряда применяемых АКБ.
Устройство работает следующим образом (фиг. 1). Устройство работает как в автономном, так и в режиме внешнего управления, например, от персонального компьютера (ПК). Формирование условий измерений, функционального режима обработки осуществляется с помощью внешних программ, установленных на внешнем устройстве (например, ПК).
На вход устройства подается воздушный поток, содержащий парогазовые примеси (целевые вещества), с помощью встроенного или, в ряде случаев, внешнего устройства блока отбора и доставки проб (1), вещество из газовой фазы доставляется в зону расположения полупроводниковых сенсоров аналитического блока (3). Сенсоры работают в одном из задаваемых оператором режимах для обнаружения, идентификации и формирования образа запаха. Режимы работы могут задаваться как оператором, так и автоматически. Обработка текущих измерений и расчетов проводится с помощью блока управления и первичной обработки (2) по программе и алгоритму обработки результатов измерений как автономно, так и с помощью внешнего ПК (фиг. 2).
Алгоритм обработки результатов измерений, построенный на основе физических свойств широкозонных полупроводников в дисперсной форме, позволяет посредством изменения вещественного состава и температуры нагрева газочувствительного слоя, достичь динамической вариации ширины запрещенной зоны и обеспечить условия измерения паров и газов, принадлежащих различным группам и классам веществ, без замены сенсоров (фиг. 3). Выход устройства подключен к внешним устройствам (например, ПК), позволяющему управлять, конфигурировать, проводить первичные преобразования, принимать и передавать информацию, необходимую для формирования образа того или иного запаха с дальнейшим хранением в интерактивной базе данных.
Программа позволяет выполнять операции управления, визуализации результатов измерений и расчетов в реальном масштабе времени, рассчитывать параметры целевых сред по анализу целевых веществ, при необходимости определять концентрации целевых компонент анализируемых целевых объектов.
Алгоритм обработки результатов измерений (фиг. 2) сформирован в виде блок-схемы и представляет собой взаимосвязанную последовательность действий при обработке результатов измерений.
Для работы алгоритма заявляемого устройства формируется база данных «чистых» (эталонных) веществ, необходимых для идентификации полученного образа. В блоке 1 реализовано измерение отобранных проб эталонных образцов и неизвестных объектов. При этом микроконтроллер управляет работой клапана (клапанов) и побудителя расхода, входящих в блок отбора и доставки проб. В блоке 2 осуществляется первичная обработка результатов измерений в реальном масштабе времени. В процессе первичной обработки проводится дисперсионный анализ текущих значений измеряемого напряжения. Блок 3 осуществляет первичные преобразования для проведения спектрального анализа формирования спектров определяемых паров и газов. При необходимости полученные результаты заносятся в сформированную ранее базу данных. Блок 4 формирует образы целевых веществ на основе проведенной первичной обработки и первичных преобразований в блоках 2 и 3. При этом, в блоке 4.1 формируется Вейвлет и Фурье спектр (WT и FFT), на основании которых формируется динамическая матрица (блок 4.2). Элементы сформированной матрицы являются динамическими переменными (элементами) применяемым нейросетевым алгоритмом (блок 4.3). Расчетные значения сравниваются с элементами базы данных (блок 4.4) и, в случае соответствия значениям базы данных осуществляется их отображение (блок 5). В противном случае проводится анализ погрешностей методом главных компонент (блок 4.5). Если полученная погрешность находится в допустимых пределах (блок 4.6), то результат измерений отображается на мониторе (блок 5). В противном случае WT и FFT преобразования (блок 4.1) повторяются.
Оценка эффективности предлагаемого технического решения производится методом сравнения результатов измерений с использованием известных технических решений, таким как газовая хроматография (8 сенсоров), позволяющих идентифицировать многокомпонентные смеси  и предлагаемого устройства (16 сенсоров).
Достоверность результатов заявляемого устройства достигается применением расширенной системы аналитических каналов - сенсоров (в примере, 16  сенсоров), работающих в различных режимах (фиг. 4, фиг.5). Система, составленная из различных сенсоров, проводит идентификацию целевых веществ с вероятностью 0,95 - 0,99 в зависимости от воздушной среды и концентраций.
Например: токсиканты НДМГ и АЦЭ при использовании известных технических решений (8 сенсоров) обнаруживают, но не идентифицируют. При использовании предлагаемого устройства (16 сенсоров), сенсор S15 обнаруживает и идентифицирует АЦЭ и S16 обнаруживает и идентифицирует НДМГ (фиг. 4).
На основе проведенных исследований установлено, что с увеличением количества независимых аналитических каналов (сенсоров) достоверность идентификации повышается.