,
ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Коломоец Павел Анатольевич
"Обоснование структуры электронной системы измерения параметров качества коровьего молока"
Специальность: "Электронные системы" - 7.090803
Автореферат магистерской выпускной работы
Руководитель: доц. Коренев В. Д.
Донецк 2002
Содержание
1.1 Актуальность темы.
Коровье молоко – незаменимый продукт питания. Питательная ценность его характеризуется высокой калорийностью, многообразием составных частей, хорошей их усвояемостью и высокими вкусовыми достоинствами.
К основным физико-химическим параметрам качества коровьего молока относят его кислотность, плотность, жирность. При приеме молока на предприятиях молочной промышленности необходимо быстро и точно определять эти параметры. Для этого целесообразно использовать электронные системы.
1.2 Цель работы.
Целью магистерской работы является обоснование структуры и разработка электронной системы измерения основных физико-химических параметров качества коровьего молока, а также исследование зависимости названных параметров от различных факторов, влияющих на них.
1.3 Научная новизна.
1.4 Практическая ценность.
Разработанная электронная система позволяет производить с требуемой точностью экспресс-анализ жирности, плотности и кислотности коровьего молока. При использовании данной системы отпадает необходимость в определении перечисленных параметров продукта химическими методами, которые требуют значительных затрат времени.
2.1 Выбор методов измерения параметров качества молока.
В магистерской работе были проведены систематизация и анализ существующих методов измерения жирности, кислотности и плотности коровьего молока. В результате этого были выбраны следующие методы измерения:
В настоящее время используется только ареометрический метод определения плотности коровьего молока, однако, его использование при автоматических измерениях сопряжено с большими практическими трудностями и представляется мало вероятным. Поэтому был выбран гидростатический метод измерения плотности молока.
Гидростатический метод измерения плотности основан на определении разности давлений. Как известно, разность давлений в жидкости между двумя точками, разность глубин которых составляет Δh, в статическом состоянии равна:
,
где r – плотность вещества; g – ускорение свободного падения (константа, g=9,81 м/с2).
Поскольку Δh и g – это величины, которые известны заранее (Δh может выбираться при проектировании измерительной системы), то, измерив разность давлений, можно вычислить плотность продукта. Соответственно получаем искомую плотность:
.
Диапазон изменения плотности нормального коровьего молока при температуре 20ºC, которая требуется по [4], составляет от 1025 кг/м3 до 1036 кг/м3. Этот диапазон составляет всего лишь 1,1% от абсолютного значения плотности молока. Поэтому абсолютное значение плотности необходимо измерять с очень высокой точностью (0,8 кг/м3, как требуется в [4]). В связи с этим применять гидростатический метод измерения плотности в прямом виде не целесообразно. Поэтому, при измерении плотности молока гидростатическим методом, для достижения требуемых показателей точности, необходимо ввести в измерительную систему компенсацию абсолютной величины так, чтобы получать её отклонение от среднего значения. Таким образом, в измерительную систему вводится компенсация абсолютного значения плотности молока на уровне 1030 кг/м3. Благодаря этому достигается требуемая точность измерения.
2.2 Структуры процессорных средств измерений.
Принципы построения и функционирования процессорных измерительных средств (ПрИС) рассмотрим с чисто метрологических позиций. Иначе говоря, типовые структуры измерительных устройств представляются в виде позволяющем развивать методологию анализа погрешностей и характеристик погрешностей результатов измерений без учета вспомогательных и управляющих средств.
Рассмотрим ПрИС, предназначенные для выполнения прямых обыкновенных неитеративных измерений. Типовая структура одноканального ПрИС, предназначенного для прямых обыкновенных неитеративных измерений представлена на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1 – Типовая структура одноканального ПрИС, предназначенного для выполнения прямых обыкновенных неитеративных измерений
Здесь присутствуют следующие обозначения: λ(t) – измеряемая величина; λ*j – результат измерения; ИП – измерительный преобразователь; Ком – коммутатор аналоговых сигналов; АЦП – аналого-цифровой преобразователь; П – процессор.
Для многоканального входа типовая структура ПрИС, предназначенного для прямых обыкновенных неитеративных измерений, может иметь вид, представленный на рисунке 1.2, а или б. Возможен также вариант построения подобного процессорного измерителя, когда в каждый канал вводится не только ИП, но и АЦП, с последующей коммутацией уже не аналоговых сигналов, а кодовых комбинаций. Однако такая структура широкого применения не находит. Устройства, типовые структуры которых представлены на рисунке 1.2, а и б, называют мультиплексорными ПрИС.
Рисунок 1.2 – Типовые структуры многоканального ПрИС, предназначенного для выполнения прямых обыкновенных неитеративных измерений
Типовая структура одноканального ПрИС, предназначенного для выполнения прямых обыкновенных итеративных измерений, представлена на рисунке 1.3.
Рисунок 1.3 – Типовая структура одноканального ПрИС, предназначенного для выполнения прямых обыкновенных итеративных измерений
Отличие типовой структуры ПрИС, выполняющего обыкновенные итеративные измерения, от типовой структуры ПрИС, выполняющего прямые обыкновенные неитеративные измерения, заключается в наличии обратных связей ОС, обеспечивающих требуемую перестройку звеньев измерительной цепи при переходе от цикла к циклу.
Типовые структуры мультиплексорных ПрИС, выполняющих прямые обыкновенные итеративные измерения, тоже отличаются от типовых структур, приведенных на рисунке 1.2, а и б, только наличием обратных связей, обеспечивающих необходимую перестройку звеньев измерительной цепи от цикла к циклу. Они представлены на рисунке 1.4, а и б соответственно.
Рисунок 1.4 – Типовые структуры многоканального ПрИС, предназначенных для выполнения прямых обыкновенных итеративных измерений
То, что типовые структуры ПрИС, выполняющих прямые и косвенные измерения, оказываются одинаковыми, свидетельствует о широких возможностях трансформации за счет изменения программной части при фиксированной аппаратной.
Естественно, множество возможных вариантов аппаратной реализации составляющих измерительную цепь функциональных узлов, а также необходимого программного обеспечения, неисчислимо. Это означает, что ПрИС, типовые структуры которых представлены на рисунках 1.1 – 1.4, могут быть реализованы по-разному в зависимости от характера измеряемой величины, условий измерений, предъявляемых к результатам и средствам измерений требований и накладываемых ограничений. Однако именно указанная общность рассмотренных структур ПрИС составляет основу для унификации аппаратных и программных блоков, используемых при создании требуемых модификаций измерительных устройств.
Перейдем к рассмотрению ПрИС, предназначенных для выполнения измерений с усреднением.
При выполнении косвенных измерений с усреднением структуры ПрИС, изображенные на рисунках 1.1 и 1.2, также представляют собой типовые структуры применительно к неитеративным процедурам, а структуры, изображенные на рисунках 1.3 и 1.4, – применительно к итеративным. Заметим, что в мультиплексорных ПрИС усреднение в аналоговой форме при этом может выполняться как до, так и после коммутации.
Сопоставление обобщенных типовых структур, представленных на рисунках 1.1 – 1.4, показывает что их удается построить с применением всего четырех функциональных блоков – коммутатора (Ком), измерительного преобразователя (ИП), аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и процессора (П). Часть измерительной цепи, выполняющей аналого-цифровое преобразование и преобразование в числовой форме, не требует детализации описания, поскольку выполнение различных числовых преобразований может производится одной и той же аппаратной частью с помощью различного программного обеспечения. Кстати, последовательное соединение АЦП и П представляет собой минимальную структуру ПрИС.
2.3 Уровни интеллекта ПрИС.
По мере развития ПрИС всё чаще стали связывать возможности повышения метрологического качества получаемых с их помощью результатов измерения, а также расширение измерительных функциональных возможностей с интеллектуализацией измерительных устройств. При этом понятие интеллектуальности средства непосредственно связано с наличием процессора и программной части. Очевидно, что именно переход к созданию ПрИС явился главным шагом по формированию предпосылок для появления интеллектуальных измерительных средств.
Однако само наличие процессора и программной части ещё не определяет уровня интеллекта измерительного устройства, который вытекает из комплексного использования аппаратных и программно-алгоритмических возможностей на основе априорной и текущей информации о цели и условиях измерений.
За основу содержательного определения уровня интеллекта ПрИС примем следующее положение: уровень интеллекта ПрИС обуславливается возможностями использования априорной (банк знаний и банк данных) и текущей информации для синтеза и выполнения алгоритмов измерений, характеризующихся наилучшим для принятых условий и ограничений метрологическим качеством результатов измерения. Необходимые предпосылки в ПрИС создаются наличием процессора, памяти и системного программного обеспечения. Иначе говоря, главным признаком при указанном подходе служит способность использовать априорную и текущую информацию для выбора или синтеза алгоритма измерений, а также определения и корректировки параметров и характеристик реализуемых при выполнении алгоритма преобразований.
Введём в рассмотрение следующие виды априорной информации:
При описании характеристик вводятся параметрические данные – λi, βk и γn и функциональные зависимости – fs(t,r), φm(t,l) и ψq(t,u).
Рассмотрим далее с учётом сказанного некоторую последовательность уровней интеллекта ПрИС.
1. ПрИС обеспечивает выполнение установленной измерительной функции по жёсткой программе. Иначе говоря, рассматривается однофункциональное измерительное средство, в котором возможности процессора используются только для реализации в числовой форме заданного алгоритма произвольной сложности.
2. ПрИС обеспечивает выполнение установленной совокупности измерительных функций, для каждой из которых предусмотрена жёсткая программа. В данном случае это – многофункциональное измерительное устройство, в котором предусмотрен выбор программы по идентифицированной функции. Следовательно, в памяти ПрИС должны содержаться данные, необходимые для реализации всех процедур, а также вспомогательное программное обеспечение выбора алгоритма по идентифицированной функции.
3. ПрИС обеспечивает выполнение установленной совокупности измерительных функций, для каждой из которых на основе информации о свойствах объекта измерений, условиях измерений, требованиях и ограничений могут быть выбраны соответствующий алгоритм и значения характеристик и параметров. В данном случае это – многофункциональное измерительное устройство, в котором для выполнения каждой функции предусмотрена совокупность алгоритмов с варьируемыми характеристиками и параметрами, выбор которых производится по установленным правилам {ABS} с использованием массива данных {λi,fs(t,r)}, {βk,φm(t,l)} и {γn,ψq(t,u)}. Устройства подобного уровня представляют собой неитеративные адаптивные измерительные средства. В памяти таких измерителей хранятся данные, необходимые для реализации всех алгоритмов, массивы {λi,fs(t,r)}, {βk,φm(t,l)} и {γn,ψq(t,u)}, а также программы выбора алгоритма и значений характеристик и параметров для данного сочетания функций и априорных данных о свойствах объекта измерений, условиях измерений, требованиях и ограничениях.
4. ПрИС обеспечивает выполнение установленной совокупности измерительных функций, для каждой из которых на основе информации о свойствах объекта измерений, условиях измерений, требованиях и ограничениях может быть выбран соответствующий итеративный алгоритм измерений с варьируемыми в процессе получения одного результата измерения характеристиками и параметрами. Устройства подобного типа представляют собой итеративные адаптивные измерительные средства. В памяти таких устройств хранятся необходимые для реализации возможных алгоритмов массивы {λi,fs(t,r)}, {βk,φm(t,l)} и {γn,ψq(t,u)}, а также программы выбора итеративного алгоритма измерений. Для данного уровня интеллекта ПрИС характерно наличие долее мощного программного обеспечения.
5. Наконец, следующий уровень ПрИС, предусматривающий применение не только итеративных процедур, но и автоматизированное развитие программно-алгоритмического обеспечения за счёт самообучения, можно интерпретировать как средства с открытым множеством алгоритмов {Aui} и {ABS}. Расширение совокупностей {Aui} и {ABS} проводится с помощью программно-алгоритмического обеспечения {Apl}, позволяющего использовать формируемые при эксплуатации ПрИС данные для расширения {Aui} и {ABS} в целях повышения метрологического качества результатов измерения. Таким образом, итеративные адаптивные ПрИС с самообучением, опираясь при решении j-й измерительной задачи (Фuij) на сформированные массивы {λi,fs(t,r)}, {βk,φm(t,l)} и {γn,ψq(t,u)} и программно-алгоритмическое обеспечение, помимо выбора и реализации соответствующего алгоритма измерений Auij, пополняют на основе {Apl} своё программно-алгоритмическое обеспечение, в результате чего после j-го цикла работы имеем {Aui}lI и {ABS}lS, причём Ij>Ij-1 и Sj>Sj-1.
Ограничимся рассмотрением данных пяти уровней интеллекта ПрИС, хотя очевидно, что они не исчерпывают даже возможностей сегодняшнего дня. Так, можно уже говорить о создании ПрИС с самообучением и самоорганизацией, ПрИС с саморасширением не только программно-алгоритмичекого обеспечения {Aui} и {ABS}, но и {Apl} и т. п.
В магистерской работе, используя данные изложенные выше, приводится полное обоснование структуры электронной системы измерения основных параметров качества коровьего молока.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК