Марікуца Уляна Богданівна. Інформаційно-вимірювальна система для оперативного виявлення отруйних хімічних речовин у повітряному середовищі : Дис... канд. наук: 05.13.05 - 2009.
Анотація до роботи:
Марікуца У.Б. Інформаційно-вимірювальна система для оперативного виявлення отруйних хімічних речовин у повітряному середовищі. – Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 – Комп’ютерні системи та компоненти. Національний університет «Львівська політехніка», Львів, 2009.
Дисертацію присвячено розробленню та дослідженню засад побудови та розвитку теорії ІВС для оперативного виявлення у повітряному середовищі хімічних речовин в умовах дії інтенсивних завад і шумів. Створено методику побудови за загальною технологією МЕМС двоканальної ІВС, в якій використання двох ідентичних матриць хімічних сенсорів дає змогу сумістити в часі процес регенерації чутливих елементів однієї матриці з процесом вимірювання сигналів другої матриці та забезпечити високу швидкодію та точність вимірювання. Запропоновано спосіб різницевого вимірювання сигналів хімічних сенсорів, за яким чутливі елементи двох ідентичних МСМ почергово обдуваються повітрям з хімічними речовинами і відновлювальними газами, а вихідні сигнали вимірюються першим та другим вимірювальними каналами. Отримано залежності для визначення впливу випадкових завад на результати вимірювання інформаційно-аналітичних сигналів МСМ та показано, що запропонований спосіб різницевого вимірювання при низьких частотах флуктуації випадкових завад дає можливість суттєво зменшити випадкову похибку. Запропоновано метод ідентифікації багатопараметричних масштабованих нечітких образів, що дало змогу аналізувати сигнали МСМ та проводити розпізнавання хімічних речовин в умовах дії інтенсивних завад. Розроблено імітаційну модель системи, яка дозволяє дослідити її метрологічні характеристики.
У дисертаційній роботі вирішено важливу науково-прикладну задачу - розроблення та дослідження засад побудови ІВС для оперативного виявлення у повітряному середовищі отруйних хімічних речовин в умовах дії інтенсивних завад та шумів.
При цьому отримано такі наукові та практичні результати:
Досліджено особливості, тенденції і перспективи розвитку методів і технічних засобів систем моніторингу навколишнього середовища та показано, що усі компоненти існуючих систем можуть бути інтегровані в одну вбудовану мікроелектромеханічну систему, що забезпечить підвищення ефективності, продуктивності та надійності її роботи. На підставі аналізу електронних чутливих елементів, які використовуються в автоматизованих системах контролю газового середовища, сформулювано вимоги до хімічних сенсорів для виявлення у повітрі отруйних хімічних речовин.
На підставі аналізу методів та засобів моніторингу навколишнього середовища розроблено методику побудови ІВС для виявлення в повітрі хімічних речовин, яка полягає у створенні за загальною технологією МЕМС двоканальної вимірювальної системи з використанням двох ідентичних МСМ, що дало змогу сумістити в часі процес регенерації чутливих елементів однієї матриці з вимірюванням інформаційно-аналітичних сигналів другої матриці та забезпечити високу швидкодію та точність вимірювання в умовах дії інтенсивних завад і шумів.
Вперше запропоновано та обґрунтовано спосіб чотиритактного різницевого вимірювання інформаційно-аналітичних сигналів двох ідентичних МСМ, за яким їх чутливі елементи почергово обдувають повітрям з хімічними речовинами і відновлювальними газами, а вихідні сигнали вимірюють першим та другим вимірювальними каналами, що дало змогу підвищити загальну завадостійкість системи та точність виявлення у повітрі хімічних речовин. Показано, що використання запропонованого способу при низькочастотних випадкових завадах дає змогу позбутися випадкової похибки та зменшити похибку, зумовлену різними коефіцієнтами передавання вимірювальних каналів.
На підставі аналізу процесу вимірювання інформаційно-аналітичних сигналів МСМ запропоновано математичну модель опрацювання вимірювальної інформації та оцінювання отриманих результатів. В залежності від інтенсивності випадкових завад передбачено використання різних підходів до опрацювання результатів циклових вимірювань та дано рекомендації щодо їх вибору.
Запропоновано і обгрунтовано метод ідентифікації багатопараметричних масштабованих нечітких образів, який дає змогу аналізувати сигнали МСМ та проводити розпізнавання хімічних речовин в умовах дії завад і шумів. Проведене моделювання процесу ідентифікації хімічних речовин та аналіз отриманих результатів показали, що відхилення відновленого в результаті фільтрації зашумленого сигналу від середнього значення незашумленого сигналу при співвідношенні сигнал/шум менше 1,0 становить 2,5-3,0%.
На підставі запропонованих способу вимірювання та математичних моделей опрацювання вимірювальної інформації розроблено структуру ІВС та алгоритми роботи вбудованої системи аналізу, які описують роботу системи як у режимі навчання, так і в режимі моніторингу повітряного середовища. Результати моніторингу при цьому аналізують як на наявність заданої хімічної речовини, так і на розпізнавання виявлених у повітрі речовин.
На підставі проведеного аналізу похибок отримано математичну модель для аналізу роботи ІВС, яка враховує вплив на результат вимірювання сигналів МСМ як зовнішніх факторів, так і похибок вимірювальних пристроїв. Дослідження роботи системи з використанням програмно-реалізованої імітаційної моделі підтвердило її високу ефективність при моніторингу повітряного середовища. Показано, що зміна рівня завад мало впливає на точність вимірювання, зокрема при рівності амплітуд завади і корисного сигналу похибка вимірювання не перевищує 2,5 %.
Публікації автора:
Іванців Р.-А. Д. Підвищення точності фазового детектування / Іванців Р.-А. Д., Марікуца У. Б., Антонюк М. П. // Вісник НУ „Львівська політехніка” : Комп‘ютерні системи проектування. Теорія і практика. - 2004. - № 522. - C. 120 - 125.
Іванців Р.-А. Д. Цифровий метод вимірювання зсуву фаз / Іванців Р.-А. Д., Марікуца У. Б. // Вісник НУ „Львівська політехніка” : Комп‘ютерні системи проектування. Теорія і практика. - 2005. - № 548. - C. 77 - 82.
Іванців Р.-А. Д. Побудова вбудованої системи аналізу складу довкілля / Іванців Р.-А. Д., Марікуца У. Б. // Вісник НУ “Львівська політехніка” : Комп‘ютерні системи проектування. Теорія і практика. - 2006. - № 564. - C. 26 - 30.
Марікуца У. Б. Імітаційна модель для визначення метрологічних характеристик вбудованої аналізуючої системи довкілля / Марікуца У. Б. // Вісник НУ “Львівська політехніка” : Комп’ютерні науки та інформаційні технології. - 2007. - № 604. - C. 119 - 124.
Марікуца У. Б. Автоматизована аналізуюча система моніторингу газового середовища / Марікуца У. Б. // Збірник наукових праць Інституту проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України. – К. : 2008. - Випуск 45. – С. 123 - 131.
Марікуца У. Б. Ідентифікація хімічних речовин при моніторингу повітряного середовища мультисенсорною автоматизованою системою / Марікуца У. Б., Лобур М. В., Березюк Б. М. // Збірник наукових праць Української академії друкарства “Комп’ютерні технології друкарства”. – Львів : 2008. - № 19. - С. 83 – 92.
Марікуца У. Б. Технічні системи розпізнавання газів на основі електронних сенсорів / Марікуца У. Б. // Вісник НУ “Львівська політехніка” : Комп‘ютерні системи проектування. Теорія і практика. - 2008. - № 626. - C. 16 - 21.
Lobur M. Perspectives of using of chemical sensors in the embedded system / Mykhaylo Lobur, Ulyana Marikutsa, Tetyana Sviridova // Perspective technologies and methods in MEMS design (MEMSTECH’2005) : Proc. of the Ist international conference of young scientists. Lviv-Polyana, 2005. - P. 72-74.
Bobalo S. The thermomechanical mathematical models of microelectronic devices components at critical models of functioning / Sofia Bobalo, Ulyana Marikutsa, Oleksandr Markelov // Perspective technologies and methods in MEMS design (MEMSTECH’2005) : Proc. of the Ist international conference of young scientists. Lviv-Polyana, 2005. - P. 111 - 113.
Sviridova T. MEMS testing: goals and needs / T. Sviridova, M. Lobur, U. Marikutsa, D. Korpyljov // Modern problems of radio engineering, telecommunications and computer science (TCSET’2006) : Proc. of the International Conference, - Lviv - Slavsko, - 2006. – P. 442 - 443.
Ivantsiv R. Digital method of pfase shift measuring / Ivantsiv R., Maricutsa U., Sviridova T., Lobur M. // Mixed Design of Integrated Circuits and Systems (MIXDES’2006) : Proc. of the International Conference. - Gdynia, Poland, 2006, P. 569 - 572.
Lobur M. Application of the embedded analysing systems for the detection of dangerous substances / Mykhaylo Lobur, Ulyana Marikutsa // Perspective technologies and methods in MEMS design (MEMSTECH’2006) : Proc. of the IIst international conference of young scientists. - Lviv-Polyana, 2006. - P. 32-35.
Ivantsiv R. - A. D. Development of embedded system for mixture analysis of environment / Ivantsiv R.-A., Marikutsa U. CAD in Mashinery Design. Inplementation and Education Problems (CADMD’2006): proc. of XIVth Ukrainian - Polish conference. - Lviv-Polyana, 2006. – P. 62 – 65p.
Marikutsa U. Increasing of the embedded system measuring module accuracy / Marikutsa U. // Perspective technologies and methods in MEMS design (MEMSTECH’2007) : Proc. of the IIIst international conference of young scientists. - Lviv-Polyana, 2007. - P. 81 – 83.
Marikutsa U. B. The usage of mathematical simulation for the optimization of the results processing algorithms of the measuring system / U.B. Marikutsa // The experience of designing and application of CAD systems in microelectronics (CADSM 2007) : Proc. of the IXth International Conference. – Lviv - Polyana, 2007. – P. 320 - 322.
Marikutsa U. Analysis of methods for substance detection in the controlled environment / Ulyana Marikutsa // Perspective technologies and methods in MEMS design (MEMSTECH’2007) : Proc. of the IIId international conference of young scientists. – Lviv - Polyana, 2007. - P. 26 - 28.
Marikutsa U. Design of methods of identification substances / Ulyana Marikutsa, Ihor Farmaha, Bogdan Berezuk // CAD in Mashinery Design. Inplementation and Education Problems (CADMD’2008) : Proc. of the XVI Ukrainian-Polish Conference. - Lviv, 2008. – P. 96 - 97.
Marikutsa U. Development and investigation of analysing system with chemical sensors / U. Marikutsa, R.-A. Ivantsiv, T. Sviridova, M. Lobur // Mixed Design of Integrated Circuits and Systems (MIXDES’2008) : Proc. of the 15th International Conference. - Pozna, Poland, 2008. - P. 593 – 597.
Ivantsiv R. - A. Principals of functioning of two-channel analysing system / Ivantsiv R.-A., Marikutsa U. // Perspective technologies and methods in MEMS design (MEMSTECH’2008) : Proc. of the IVth international conference of young scientists. - Lviv – Polyana, 2008. – P. 88 - 90.
