УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭКСПРЕСС-КОНТРОЛЯ СОСТАВА ГАЗОВОЙ СРЕДЫ

Устройство для экспресс-контроля состава газовой среды
Полезная модель относится к области газового анализа, а именно к устройствам распознавания состава многокомпонентных газовых смесей. Распознавание состава газовой среды осуществляется на основе сигналов, генерируемых массивом полупроводниковых сенсоров, путем обработки их совокупного векторного сигнала с помощью искусственных нейронных сетей (ИНС), выполненных на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС).
Известно устройство контроля газовой среды, включающее блок питания, систему напуска анализируемой газовой среды, состоящую из электромагнитного натекателя, вакуумметра и блока управления напуском газа, микроконтроллера, блока обработки данных с аналого-цифровым преобразователем, форвакуумный и турбомолекулярный насосы, вакуумную измерительную камеру, содержащей один газовый сенсор, соединенный с зарядочувствительным усилителем, датчик температуры, фотонный усилитель и устройство регулирования потока квантов. При этом газовый сенсор, фотонный излучатель и датчик температуры установлены на рабочей поверхности элемента Пельтье (Патент РФ на изобретение №2383012, МПК G01N 27/12, опубл. 2010.02.27).
Недостатками устройства являются продолжительное время распознавания (анализа) состава газовой среды, дорогостоящее и сложное измерительное оборудование.
Известен газоанализатор, содержащий тонкопленочный полупроводниковый газовый сенсор известной конструкции, контроль газовой среды в котором осуществляют путем измерения ЭДС, величина которой при постоянной разности температур между контактами зависит от концентрации и/или природы анализируемого газа. По значениям ЭДС определяют природу и состав анализируемого газа (Патент РФ на полезную модель 8805, МПК 6 G01N 27/00, опубл. 1998.12.16).
Недостатками устройства являются низкая чувствительность и деградация параметров чувствительного элемента со временем эксплуатации.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является устройство, включающее в себя блок питания, газочувствительный датчик (сенсорный модуль), блок обработки и передачи информации с аналого-цифровым преобразователем, микроконтроллер (вычислительный модуль) (Патент РФ на полезную модель 70992, МПК G01N 27/00, опубл. 2008.02.20 - прототип).
Недостатком данного устройства является то, что параметры определения концентрации и идентификация самого газа, закладываются на стадии проектирования (производства) устройства, и в процессе эксплуатации не поддаются изменениям, что снижает качество распознавания и достоверность информации.
Задачей настоящей полезной модели является создание устройства,
предназначенного для анализа газовой среды, в котором обеспечивается возможность его оперативного переобучения.
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для экспресс-контроля состава газовой среды применяется мультисенсорный модуль, блок обработки и передачи информации с аналого-цифровым преобразователем и вычислительный модуль. Новым является то, что вычислительный модуль, в котором реализован алгоритм ИНС, выполнен на основе ПЛИС, к которой подключена энергонезависимая флэш-память и устройство отображения информации со светодиодным индикатором и переключателями, задающими режим работы. Мультисенсорный модуль может состоять из линейки датчиков, например, хеморезистивного типа на основе полупроводниковых структур.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами: фиг. 1 - общая блок-схема всего устройства для экспресс-контроля состава газовой среды; фиг. 2 - принципиальная электрическая схема подключения полупроводникового газового сенсора, входящего в мультисенсорный модуль; фиг. 3 - фотография развитого макета устройства для экспресс-контроля состава газовой среды; фиг. 4 - представление результатов распознавания газов с помощью устройства на фазовой диаграмме метода главных компонент (плоскость 1-й и 2-й компонент); фиг. 5 - сигналы газовых сенсоров, входящих в мультисенсорный модуль в виде лепестковой диаграммы. Обозначения:
1 - мультисенсорный модуль;
2 - блок обработки и передачи информации с аналого-цифровым преобразователем;
3 - блок питания;
4 - вычислительный модуль;
5 - ПЛИС;
6 - светодиодный индикатор;
7 - энергонезависимая флэш-память для хранения весовых коэффициентов сети;
8 - драйвер RS-232 интерфейса;
9 - переключатели, задающие режим работы устройства;
10 - драйвер VGA интерфейса;
11 - персональный компьютер (ПК);
12 - монитор.
Устройство для экспресс-контроля состава газовой среды содержит мультисенсорный модуль (линейку хеморезисторов) 1 и блок обработки и передачи информации с аналого-цифровым преобразователем 2, подключенные к блоку питания 3, к которому также подключен вычислительный модуль 4 (фиг. 1, фиг. 3). Мультисенсорный модуль 1 представляет собой электрическую плату, на которой расположены несколько, например, пять посадочных мест для 4-х выводных корпусов полупроводниковых сенсоров (TGS 26** серии) и три посадочных места для 6-ти выводных корпусов (TGS 8** серии). Принципиальная электрическая
схема подключения одного сенсора представлена на фиг. 2. Также на плате сенсорного модуля имеется разъем для подключения блока питания 3, через который подается напряжение питания Vп=5 В (фиг. 2) и напряжение нагревателя Vн=5 В. Напряжение нагрузки Vнаг от каждого сенсора заводится на разъем. Нагрузочное сопротивление Rнаг выполняется на переменном резисторе номиналом 10 кОм. Для каждого сенсора оно составляет около 1 кОм. В ходе работы сенсоров величина напряжения нагревателей не меняется. Селективность к разным газам достигается за счет применения сенсоров, имеющих отклик к разным газам, путем расчета и построения векторного образа газа по всей системе сенсоров согласно принципам функционирования биологической обонятельной системы [Persaud К. Analysis of discrimination mechanisms in the mammalian olfactory system using a model nose / K. Persaud, G. Dodd // Nature.- 1982.- V. 299.- P. 352-355.; Газоаналитические приборы «электронный нос» / В. В. Сысоев, В.Ю Мусатов. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2011.- 100 с] Для этого аналоговый сигнал от мультисенсорного модуля 1 поступает через соединительный кабель на блок обработки и передачи информации с аналого-цифровым преобразователем (БОПИ) 2.
БОПИ 2 выполнен на 8-ми разрядном микроконтроллере. Питание блока осуществляется напряжением 5 В от блока питания 3. Интегрированный в микроконтроллер 10-ти разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) последовательного счета позволяет производить оцифровку по 8 аналоговым каналам. Для уменьшения скачков входного сигнала используется только 8 старших разрядов АЦП. Таким образом, входной сигнал меняется в диапазоне от 0 до 255 отсчетов АЦП. Данные на модуль вычислителя 4 передаются в цифровом виде по синхронному последовательному интерфейсу через соединительный кабель.
Вычислительный модуль 4 представляет собой плату, на которой расположены ПЛИС 5, например, фирмы Altera серии Cyclone II, к которой подключены светодиодный индикатор 6, энергонезависимая флэш- память 7, драйвер RS-232 интерфейса 8 для подключения компьютера 11 и драйвер VGA для подключения монитора 12, а также набор переключателей 9, задающих режим работы устройства.
Устройство работает следующим образом. После подачи сетевого напряжения на блок питания 3, мультисенсорный модуль 1, БОПИ 2 и вычислительный модуль 4 готовы к работе. Мультисенсорный модуль 1 генерирует аналоговые сигналы, число которых равно числу сенсоров в модуле (в данном примере равно 8) на БОПИ 2, который с частотой 1 Гц опрашивает аналоговые входы, соответствующие сенсорам, и передает оцифрованные данные на вычислительный модуль 4.
В предлагаемом устройстве экспресс-контроль состава газовой среды осуществляется вычислительным модулем 4 при помощи ИНС, реализующей, например, метод главных компонент (МГК) (Мусатов В.Ю., Сысоев В.В., Мащенко А.А. ПЛИС-реализация нейросетевого алгоритма идентификации газа по векторному отклику хеморезистивной
мультисенсорной микросистемы // Мехатроника, Автоматизация, Управление. - 2012. - №10. - С. 21-25.). ИНС состоит из 2-х нейронов, имеющих 8 входов и 2 выхода. Выход ИНС рассчитывается по формуле:
j
i
ij
где x, y, w - входы, выходы и веса сети, соответственно. Также модуль вычислителя позволяет производить обучение ИНС; уточнение весов выполняется по правилу Сенгера (Хайкин С.Нейронные сети: полный курс, 2-е изд. / Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильяме», 2006. - 1104 с.) согласно формуле:
ij
i
где i - номер нейрона (i=0…1); j - номер веса (j=0,2,…7); w - j-вес i-го нейрона; y - выход i-го нейрона.
Блоком переключателей 9 задается один из 4-х режимов работы вычислительного модуля 4:
1. Расчет первой и второй главных компонент посредством ИНС по данным, получаемым с БОПИ 2;
2. Расчет первой и второй главных компонент посредством ИНС по данным, получаемым с ПК 11;
3. Уточнение весов ИНС по данным, получаемым с БОПИ 2;
4. Уточнение весов ИНС по данным, получаемым с ПК 11.
При этом в каждом режиме на ПК 11 через драйвер интерфейса RS-232 8 передаются данные с БОПИ 2, веса ИНС, и значение выходов ИНС. Режим работы устройства отображается на светодиодном индикаторе 6. Блок переключателей 9 позволяет: 1) сохранить текущие значения весов ИНС в энергонезависимую флэш-память 7; 2) считывать ранее сохраненные значения весов ИНС из энергонезависимой флэш-памяти 7, 3) задавать веса ИНС случайными числами.
Устройство функционирует следующим образом. На первом этапе выходной сигнал устройства калибруется на воздействие тестовых газов и/или газовых смесей. Затем при подаче неизвестного газа устройство сравнивает полученные значения с ранее записанными и принимает решение об отнесении неизвестного газа к одному из калиброванных или принятии решения, что газ является неизвестным (в случае, если на данный газ не была проведена калибровка устройства).
Возможны следующие действия оператора при работе с устройством. К устройству подключают ПК 11 через драйвер интерфейса RS-232 8 и запускают оригинальное программное обеспечение (ПО). Подают питание на устройство. Выбирается первый режим работы устройства при помощи блока переключателей 9. Затем, при помощи того же блока, считываются ранее сохраненные веса ИНС. Мультисенсорный модуль 1 помещают в анализируемую газовую среду. При этом на мониторе ПК отображаются в графическом виде на декартовой плоскости значения первой (по оси абсцисс)
и второй (по оси ординат) главных компонент (пример представлен на фиг. 4, тестовые газы даны с концентрацией, близкой к насыщенным парам), показания сенсоров в виде лепестковой диаграммы (пример представлен на фиг. 5, тестовые газы даны с концентрацией, близкой к насыщенным парам), а так же записывается в файл информация о сигнале каждого сенсора из мультисенсорного модуля, весовые коэффициенты ИНС, значение выходов ИНС (например, значения первой и второй главных компонент).
Во 2-м режиме работы устройство функционирует описанным способом, но в ПО на ПК указывается файл с ранее сохраненными показаниями сенсоров.
3-й режим работы заключается в обучении ИНС устройства. При получении новых значений сенсоров от БОПИ происходит уточнение весов ИНС по формуле (2). При этом на мультисенсорный модуль 1 необходимо поочередно подавать те газы, на которые предполагается калибровать устройство. Оператор при помощи блока переключателей 9 может задать веса ИНС случайным образом, если необходимо обучить ИНС к сигналам на новый набор газов.
4-й режим работы совпадает с 3-м, но информация о сигналах сенсоров поступает с ПО на ПК.
К устройству через драйвер VGA интерфейса 10 может быть подключен монитор 12. При работе устройства в 1-м и во 2-м режимах на мониторе будут отображаться на декартовой плоскости значения первой главной компоненты по оси абсцисс и второй главной компоненты по оси ординат.
Таким образом, обеспечение оперативного переобучения устройства, предназначенного для анализа газовой среды в процессе эксплуатации к воздействию различных газовых смесей, осуществляется применением специализированного вычислительного модуля, выполненного на основе ПЛИС с энергонезависимой флэш-памятью, в котором для решения задачи распознавания газов реализован алгоритм ИНС, который позволяет оперативно в процессе эксплуатации производить переобучение на различные составы газовых смесей.