Устройство для определения состава газовой среды

Полезная модель относится к области газового анализа, а именно к устройствам распознавания состава многокомпонентных газовых смесей.

Распознавание состава газовой среды осуществляется по данным, получаемых от набора полупроводниковых сенсоров путем обработки их совокупного сигнала как вектора с помощью искусственных нейронных сетей, выполненных на мультиклеточном процессоре.

В устройстве для определения состава газовой среды, состоящем из блока питания, мультисенсорного модуля, блока обработки и передачи информации с аналого-цифровым преобразователем и вычислительного модуля, новым является то, что к блоку обработки и передачи информации с аналого-цифровым преобразователем подключено устройство отображения информации, а вычислительный модуль выполнен на основе мультиклеточного процессора, к которому дополнительно подключена флеш-память, блок переключателей, задающих режим работы устройства и персональный компьютер через USB интерфейс.

Мультисенсорный модуль может состоять из линейки (набора) сенсоров, например хеморезистивного типа. Вычислительный модуль может быть подключен к персональному компьютеру через USB интерфейс для сохранения и визуализации результатов работы устройства.

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 мультиклеточном процессоре (МКП).

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.

Задача настоящей полезной модели заключается в повышении качества распознавания и достоверности информации устройства, предназначенного для анализа газовой среды, и обеспечении его оперативного переобучения в процессе эксплуатации к воздействию различных газовых смесей.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для определения состава газовой среды применяется мультисенсорный модуль, блок обработки и передачи информации с аналого-цифровым преобразователем (БОПИ) и вычислительный модуль. Новым является то, что вычислительный модуль, в котором реализован алгоритм искусственных нейронных сетей (ИНС), выполнен на основе мультиклеточного процессора (МКП). Также вычислительный модуль имеет ряд переключателей, задающих режим работы. Мультисенсорный модуль может состоять из линейки датчиков, например, хеморезистивного типа на основе полупроводниковых структур. В качестве устройства отображения информации используется символьный дисплей. Через USB интерфейс возможно подключение к персональному компьютеру (ПК) для сохранения и визуализации результатов работы устройства.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами: фиг. 1 - общая блок-схема устройства для определения состава газовой среды; фиг. 2 - принципиальная электрическая схема подключения полупроводникового газового сенсора; фиг. 3 - фотография макета устройства для определения состава газовой среды; фиг. 4 - принципиальная электрическая схема МКП; фиг. 5 - представление результатов распознавания газов с помощью устройства на фазовой диаграмме метода главных компонент (плоскость 1-й и 2-й компонент); фиг. 6 - сигналы газовых сенсоров, входящих в мультисенсорный модуль, в виде лепестковой диаграммы. Обозначения:

1 - мультисенсорный модуль;

2 - БОПИ;

3 - блок питания;

4 - МКП;

5 - устройство отображения информации (символьный дисплей);

6 - персональный компьютер (ПК);

7 - энергонезависимая флеш-память;

8 - блок переключателей режимов работы.

Устройство для определения состава газовой среды содержит мультисенсорный модуль 1 и БОПИ 2, подключенные к блоку питания 3, к которому также подключено вычислительное устройство в виде МКП 4 (фиг. 1, фиг. 4). 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 в БОПИ 2.

БОПИ 2 выполнен на 8-разрядном микроконтроллере. Питание блока осуществляется напряжением 5 В от блока питания 3. Интегрированный в микроконтроллер 10-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 в МКП 4 передаются в цифровом виде по асинхронному последовательному интерфейсу через соединительный кабель. Так же к БОПИ подключено устройство отображения информации (символьный дисплей) 5.

На одной печатной плате расположены МКП 4, например, производства фирмы MultiClet со светодиодным индикатором, энергонезависимая флеш-память 7, блок переключателей 8, задающих режим работы устройства. Через соответствующие интерфейсы к МКП 4 подключаются БОПИ 2, ПК и энергонезависимая флеш-память 7.

Устройство работает следующим образом. После подачи сетевого напряжения на блок питания 3, мультисенсорный модуль 1, БОПИ 2 и МКП 4 готовы к работе. Мультисенсорный модуль 1 генерирует аналоговые сигналы, число которых равно числу сенсоров в модуле (в данном примере равно 8) в БОПИ 2, который с частотой 1 Гц опрашивает аналоговые входы соответствующие сенсорам, и передает оцифрованные данные в МКП 4.

В предлагаемом устройстве определение состава газовой среды осуществляется МКП 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:

где x_j, y_i, w _ij - входы, выходы и веса сети, соответственно. Так же вычислительный модуль 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:

где i - номер нейрона (i=0..1); j - номер веса (j=0,2,..7); w_ij - j - вес i-го нейрона; y_i - выход i-го нейрона.

Блоком переключателей 8 задается один из 3-х режимов работы МКП 4:

1. Расчет первой и второй главных компонент при помощи ИНС по данным с БОПИ 2;

2. Расчет первой и второй главных компонент при помощи ИНС по данным, получаемых с ПК 6;

3. Уточнение весов ИНС по данным, получаемым с ПК 6.

При этом в каждом режиме на ПК 6 через USB интерфейс передаются данные с БОПИ 2, веса ИНС и значения выходов ИНС. Блок переключателей 8 позволяет: 1) сохранить текущие значения весов ИНС в энергонезависимую флэш-память 7; 2) считывать ранее сохраненные значения весов ИНС из энергонезависимой флеш-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 6 через драйвер USB интерфейса и запускают оригинальное программное обеспечение (свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ 2013617080). Подают питание на устройство. Выбирается первый режим работы устройства при помощи блока переключателей 8. 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. 5, тестовые газы даны с концентрацией, близкой к насыщенным парам), показания сенсоров в виде лепестковой диаграммы (пример представлен на фиг. 6, 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 принцип функционирования устройства тот же, что и в первом режиме, только в программном обеспечении на ПК указывается файл с ранее сохраненными показаниями сенсоров.

3-й режим работы заключается в обучении ИНС устройства. При получении новых значений сенсоров с ПК через USB интерфейс происходит уточнение весов ИНС по формуле (2). Оператор при помощи блока переключателей может задать веса ИНС случайным образом, если необходимо обучить ИНС на новый набор газов.

Повышение качества распознавания и достоверности информации данного устройства для анализа газовой среды осуществляется применением специализированного вычислительного модуля, выполненного на основе МКП с флеш-памятью, в котором для решения задачи распознавания газов реализован алгоритм искусственных нейронных сетей, который позволяет оперативно в процессе эксплуатации производить переобучение на различные составы газовых смесей.

1. Устройство для определения состава газовой среды, состоящее из блока питания, мультисенсорного модуля, блока обработки и передачи информации с аналого-цифровым преобразователем и вычислительного модуля, отличающееся тем, что к блоку обработки и передачи информации с аналого-цифровым преобразователем подключено устройство отображения информации, а вычислительный модуль выполнен на основе мультиклеточного процессора, к которому дополнительно подключены флеш-память, блок переключателей, персональный компьютер через USB-интерфейс.

2. Устройство для определения состава газовой среды по п. 1, отличающееся тем, что мультисенсорный модуль состоит из линейки полупроводниковых хеморезисторов.