1.4 Исследование прохождения оптического излучения через биоткань, и исследование оптических свойств веществ, загрязняющих контролируемые водные среды

1.4.1 Исследование оптических свойств веществ, загрязняющих контролируемые водные среды

На данном этапе практически вся работа проводилась с целью определения погрешности измерений на стенде. В качестве оценки возможности стенда рассмотрена его работа при внесении в воду меловой взвеси четырех концентраций. Результаты работы представлены на рисунках 60 и61.

Рисунок 60 - Разность сигналов с измерительного датчика для водной среды при внесении в неё меловой взвеси различной объемной концентрации

Рисунок 61 - Изменение оптической плотности водной среды при внесении меловой взвеси

различной концентрации

1.4.2 Исследование прохождения оптического излучения через биоткань

Датчики, применяемые в экспериментах

При проведении экспериментов были использованы датчики двух типов:

1. датчик №1 – датчик, разработанный специалистами ИжГСХА с возможностью изменения расстояния между источником и приемником излучения, а также возможностью изменения угла наклона источника и приемника излучения;

2. датчик №2 – усовершенствованный датчик с возможностью изменения расстояния между источником и приемником излучения без внесения изменений в геометрию биоткани.

Устройство датчика №1 состоит из корпуса прямоугольного сечения, в котором имеются два подвижных и вращающиеся вокруг оси основания, где расположены источник и приемник излучения (рисунок 62).

Рисунок 62 - Общий вид датчика №1 для фотоплетизмографии с возможностью изменение расстояния между источником и приемником, а также изменения угла наклона источника и приемника: 1 - подвижное основание для светодиода; 2 - подвижное основание для фотодиода; 3 - корпус датчика

Грубость конструкции не позволяет использовать датчик №1 для исследования величины сигнала в зависимости от расстояния с малым шагом. Увеличение расстояния между приемником и источником приводит к провалу между ними, что сильно изменяет геометрию биоткани. Также механизм фиксации подвижного основания для свето- и фотодиода не обеспечивает отдельной фиксации угла и расстояния, что приводит к изменению условий эксперимента.

Вид усовершенствованного датчика №2 представлена на рисунке 63. Светодиод и фотодиод находятся в латунных тонкостенных трубочках, сами трубочки находятся в корпусе из текстолита и располагаются близко друг к другу. Выходной торец каждой из трубок имеет вставку, выполняющую роль диафрагмы диаметром 1,5 мм. При вращении трубочек, внешний диаметр которых составляет 3,8 мм, получаем увеличение (уменьшение) расстояния между центрами диафрагм, тем самым регулируем расстояние между приемником и источником с шагом порядка 0.1 мм.

Данная конструкция (датчик №2) не имеет возможности изменять угол источника и приемника излучения, поэтому эксперименты с измерением амплитуды от угла наклона приемника и источника проводились на датчике №1.

Рисунок 63 - Вид датчика №2 для измерения зависимости амплитуды пульсовой компоненты фотоплетизмограммы от расстояния между источником и приемником

В качестве источника излучения в датчиках использован светодиод BIR-BO0731 фирмы American Bright (таблица 8), в качестве приемника кремневый фотодиод SFH 229 FA фирмы Siemens (таблица 9) [40]. Источник и приемник выбирались исходя из рабочего спектрального диапазона и возможности приобретения.

Таблица 8 – Характеристики светодиода BIR-BO0731 [41]

Спектральный диапазон излучения, нм	745…950
Длина волны максимального излучения, нм	850
Постоянное прямое напряжение, В	1,5…3
Прямой постоянный ток, мА	100
Размер активного элемента, мм	0.3x0.3

Таблица 9 – Характеристики фотодиода SFH 229 FA [41]

Спектральный диапазон чувствительности, нм	730 ... 1100
Длина волны максимальной чувствительности, нм	900
Темновой ток, пА	50
Постоянное прямое напряжение, В	1,3
Время переключения, нс	10
NEP (V=10В , λ=850 нм),	6.5x10-15
Размер фоточувствительного элемента, мм	0.56x0.56

Схема стенда первого типа

Схема стенда первого типа для снятия фотоплетизмограмм с использованием лабораторной станции NI ELVIS и фотоплетизмографа ФПГ-02 представлена на рисунке 64.

Рисунок 64 - Схема стенда первого типа для снятия фотоплетизмограмм с возможностью изменения параметров датчика и анализа сигнала с фотоплетизмографа

1. Персональный компьютер (ПК) с многофункциональной картой сбора данных PCI NI. Именно на ПК происходит окончательное преобразование сигнала, с графическим отображением его на виртуальном приборе NI. С помощью ПК так же осуществляется возможность сохранения результатов.

2. Лабораторная станция NI ELVIS подключенная к многофункциональной карте сбора данных PCI, служащая для согласования сигналов, подаваемых с многофункционального устройства сбора данных на схемы, разработанные на макетной плате. При проведении экспериментов был задействован BNC разъем лабораторной станции.

3. Фотоплетизмограф ФПГ-02 – служит для получения аналогового сигнала фотоплетизмограммы.

4. Фотодиод – кремневый фотодиод SFH 229 FA фирмы Siemens (пик чувствительности 900 нм). Служит для преобразования светового потока в электрический сигнал.

5. Инфракрасный светодиод BIR-BO0731 фирмы American Bright с пиком излучения на длине волны 850 нм. Служит для создания потока излучения в инфракрасном диапазоне, которым облучается исследуемая ткань.

6. Исследуемая биоткань – участок биоткани крайней фаланги указательного пальца. По отклику от ткани и благодаря всем компонентам системы получаем фотоплетизмограмму. Благодаря тому, что мы имеем возможность изменять расстояние между светодиодом (5) и фотодиодом (4), а также менять их угол, возможно, определить условия, при которых сигнал имеет максимальное значение.

7. Источник электропитания 220 вольт, напряжение переменное. Служит для питания (1-3), (4-5) получают питание от (3).

8. Элементы 4 и 5 образуют оптический датчик. В качестве датчика использовался датчик №1.

Для проведения экспериментов, а также при их планировании использовалась настольная рабочая станция NI ELVIS производства американской фирмы NATIONAL INSTRUMENTS.

NI ELVIS – это полный набор приборов для лаборатории, включающий аппаратное и программное обеспечение.

В качестве программного обеспечения используются программы-приборы пакета LabVIEW. LabVIEW – это графический язык программирования, часто используемый для создания программ, предназначенных для измерения, автоматизации и тестирования.

Программные средства LabVIEW, используемые для взаимодействия с настольной рабочей станцией NI ELVIS и прибором DAQ, обеспечивают высокоуровневую среду программирования, в которой возможна простая реализация мощных возможностей технологии виртуальных приборов по отображению и анализу данных [42].

При проведении измерений в работе был использован осциллограф. Осциллограф системы NI ELVIS обеспечивает реализацию всех функциональных возможностей стандартного настольного прибора, который можно найти в любой учебной лаборатории (рисунок 65).

Рисунок 65 - Изображение виртуального прибора NI используемого для получения фотоплетизмограмм

В качестве преобразующего прибора, в котором происходит преобразование полученного светового сигнала в электрический и последующее его направление на регистрирующий прибор, используется фотоплетизмограф модели ФПГ-02. Подключение ФПГ-02 к измерительной станции проводилось через BNC разъем. Данный прибор обеспечивает формирование выходных сигналов:

• аналогового сигнала пульсового кровенаполнения, формируемого по двум независимым каналам и характеризующего изменение кровотока биообъекта, вызванное прохождением пульсовой волны;

• аналогового сигнала суммарного кровотока, формируемого по двум независимым каналам и характеризующего изменение кровенаполнения ткани.

Эксперименты, проведенные с использованием стенда первого типа, свидетельствовали, что независимо от угла наклона приемника уровень сигнала с увеличением расстояния между приемником и источником увеличивается, при этом сигнал снимался в автоматическом режиме. Данный факт стал вызывать сомнения в результате того, что, достигнув расстояния 13 мм, уровень резко пропадал до нулевого уровня (рисунок 66).

Рисунок 66 - Зависимость уровня сигнала от расстояния между приемником и источником излучения (датчик №1). Угол наклона приемника и источника нормальный к поверхности

Дополнительные эксперименты выявили, что высокий уровень сигнала был обусловлен конструкционными особенностями фотоплетизмографа.

С увеличением расстояния, замерялась не амплитуда сигнала, отвечающая за изменение кровотока, а амплитуда этого сигнала с артефактами (рисунок 67).

Визуальный осмотр фотоплетизмограмм выявил, что увеличение расстояния приводит к появлению гармоник, не связанных с человеческим организмом, именно высокий уровень этих гармоник и приводит к искажению экспериментальных данных.

б а

Рисунок 67 - Сигнал с фотоплетизмографа ФПГ-02: (а) – расстояние 11 мм; (б) – расстояние 8 мм

Кроме приведенных осциллограмм, иногда в процессе измерений появлялась гармоника с частотой ~50 Гц. Попытки устранить эту гармонику привели к выводу, что данная помеха возникает из - за конструкционных особенностей фотоплетизмографа.

Попытка устранения посторонних гармоник другого рода в исследуемом сигнале привела к написанию дополнительной программы в среде LabVIEW. Благодаря данной программе стало возможным отфильтровывать помехи из исследуемого сигнала (рисунок 68). Результатом проведения экспериментов с данной программой было принято решение отказаться от использования ФПГ-02 для дальнейших исследований, в виду того, что введение фильтров не решило проблемы. Частоты помех располагались в районе от 2 Гц до 50 Гц, поэтому попытки их устранить приводят к потере части полезной информации, заключенной в высших гармониках измеряемого сигнала.

Рисунок 68 - Вид фотоплетизмограммы на виртуальном приборе, разработанном в среде LabVIEW

Стенд первого типа позволяет измерять различные параметры сигнала, анализировать его спектральный состав и проводить его математическое преобразование. К недостаткам данного стенда можно отнести большое количество компонентов и узлов, каждый из которых приводит к появлению помех и, следовательно, погрешностям измерений. Стенд первого типа не подходит для проведения экспериментов с изменением расстояния между источником и приемником.

Схема стенда второго типа

На рисунке 69 представлена схема стенда второго типа для снятия фотоплетизмограмм с использованием фотоплетизмографа разработки ИжГТУ и ИжГСХА.

Рисунок 69 - Схема стенда второго типа для снятия фотоплетизмограмм с возможностью изменения параметров датчика и анализа сигнала с фотоплетизмографа

1. Ноутбук. Ноутбук осуществляет окончательное преобразование сигнала с графическим отображением его в программе PulseViewer (рисунок 70). Также с помощью ноутбука данные сохранялись на носитель в графическом виде для дальнейшего анализа. Использование ноутбука позволяет уменьшить электрические помехи, так как не происходит преобразования переменного напряжения в постоянное.

2. Фотоплетизмограф разработки ИжГТУ и ИжГСХА – служит для получения фотоплетизмограммы в цифровом виде.

3. Фотодиод – кремневый фотодиод SFH 229 FA фирмы Siemens (пик чувствительности 900 нм). Служит для преобразования светового потока в электрический сигнал.

4. Инфракрасный светодиод BIR-BO0731 фирмы American Bright с пиком излучения на длине волны 850 нм. Служит для создания потока излучения в инфракрасном диапазоне, которым облучается исследуемая ткань.

5. Исследуемая биоткань – участок биоткани крайней фаланги указательного пальца. Благодаря тому, что мы имеем возможность изменять расстояние между светодиодом (4) и фотодиодом (3), а также менять их угол, можно определить условия, при которых сигнал имеет максимальное значение.

6. Источник электропитания 220 вольт, напряжение переменное. Служит для питания (1), (3-4) получают питание от (2), (2) получает питание по шине USB от (1).

7. Элементы 3 и 4 образуют оптический датчик. В качестве датчика использовались 2 датчика. Датчик №1 (рисунок 62) и датчик №2 (рисунок 63).

Анализ предварительных экспериментов с изменением расстояния между приемником и источником указывает на то, что с увеличением расстояния амплитуда сигнала уменьшается, при этом вид пульсовой кривой с изменением расстояния не претерпевает искажений, связанных с влиянием артефактов. Существенное отличие данного стенда от предыдущего – наличие фильтра в конструкции фотоплетизмографа с возможностью установки частоты среза от 5 до 70 Гц.

Рисунок 70 - Изображение главного окна программы PulseViewer

Схема стенда второго типа имеет малое количество узлов, поэтому сигнал здесь меньше подвержен помехам, нежели чем в схеме первого типа. Кроме того, сам фотоплетизмограф при малом уровне сигнала не вносит сильных помех в исследуемый сигнал. В программе PulseViewer реализована функция сохранения пульсовой кривой в виде графического изображения и в виде набора данных, что позволяет, не прибегая к сторонним программам, выполнять обработку пульсовых кривых в математических пакетах. К минусам схемы можно отнести очень узкие возможности по работе с сигналом, так как программа написана в среде Delphi и имеет закрытый исходный код, то изменить ее самостоятельно не представляется возможным. Анализ полученных данных стендом свидетельствует о том, что с увеличением расстояния уровень сигнала уменьшается (рисунок 71).

Рисунок 71 - Зависимость уровня сигнала от расстояния между приемником и источником (датчик №2)

Стенд второго типа является приемлемым для анализа зависимости уровня сигнала от расстояния и угла наклона как источника, так и приемника излучения.

Экспериментальные данные, полученные при работе со стендом

Для проведения эксперимента были выбраны следующие условия оказывающие влияние на амплитуду пульсовой компоненты с учетом особенностей конструкции оптического датчика для фотоплетизмографа:

• расстояние между источником излучения и приемником излучения;

• угол наклона ИИ.

При проведении эксперимента следует учесть, что измерения такого характера связаны с большим количеством случайных погрешностей (артефактов).

Случайные погрешности – при повторных измерениях погрешности этого типа показывают свою случайную природу. Возникают они вследствие множества причин, совместное воздействие которых на каждое отдельное измерение невозможно учесть или заранее установить [43,44].

При обработке данных измерений в науке и технике обычно предполагают нормальный закон распределения случайных погрешностей измерений. Оно всегда проявляется тогда, когда суммарная погрешность есть результат неучтенного совместного воздействия множества причин, каждая из которых дает малый вклад в погрешность. Причем совершенно неважно, по какому закону распределен каждый из вкладов в отдельности.

Среднее значение при обработке результатов измеряемой величины указывает центр распределения, около которого группируются результаты отдельных измерений [43]:

где n – количество изменений;

x_i – результат i-того измерения.

Экспериментальная оценка среднего квадратичного отклонения, характеризующего разброс результатов отдельных измерений вокруг среднего значения, получаемого после обработки всех данных многократного измерения, рассчитывается как [43]:

По данным среднего квадратичного отклонения и среднего для каждой серии измерений рассчитывается случайная погрешность с доверительной вероятностью, например, 0.95. Приборной погрешностью в результате расчета пренебрегают в виду ее малости.

Результаты измерений уровня сигнала в зависимости от расстояния между приемником и источником излучения с учетом выше изложенного сведены в общую таблицу.

Суть данного эксперимента заключается в изменении расстояния d между источником и приемником излучения при этом, и угол источника и угол приемника фиксированы, эксперименты проводились датчиками обоих типов. Результаты эксперимента для стенда второго типа датчиком №2 приведены в таблице 10.

Таблица 10 – Зависимость уровня сигнала от расстояния между источником и приемником (датчик №2)

№ измерения	Расстояние между источником и приемником, мм
	2,2	2,3	2,4	2,5	2,6	2,7	2,8	2,9	3,0	3,1	3,2	3,3	3,4
	Уровень сигнала
1	180	151	153	139	149	121	135	106	110	100	83	79	64
2	176	174	144	139	130	119	112	123	103	89	77	80	83
3	182	156	153	140	119	114	111	102	95	93	71	67	81
4	192	166	162	132	123	122	112	97	94	85	68	79	73
5	186	183	143	140	116	110	113	113	84	76	80	79	53
6	190	154	145	135	122	116	113	87	100	79	74	75	64
7	187	166	153	126	123	121	99	119	106	83	66	79	72
8	183	185	167	131	118	116	106	110	89	85	76	76	73
9	182	150	151	130	113	109	102	113	90	83	81	80	67
10	179	175	138	134	115	114	110	102	97	78	84	69	72
Среднее квадратичное отклонение	5	13	9	5	10	5	10	11	8	7	6	5	9
Случайная погрешность	4	9	6	3	7	3	7	8	6	5	4	3	6
Среднее значение результата	184	166	151	135	123	116	111	107	97	85	76	76	70

На основе полученных результатов можно заключить, что с увеличением расстояния между приемником и источником уровень полезного сигнала падает, максимальный уровень сигнала, достигнут на расстоянии d между источником и приемником 2.2 мм.

Что касается угла наклона источника, этот эксперимент проводился при постоянном расстоянии между источником и приемником 6 мм, на этом расстоянии наблюдался самый высокий уровень сигнала при проведении эксперимента с датчиком №1, в котором изменяли расстояние между приемником и источником излучения (таблица 11).

Таблица 11 – Зависимость уровня сигнала от расстояния между источником и приемником (датчик №1)

№ измерения	Расстояние между источником и приемником, мм
	6	7	8	9
	Уровень сигнала
1	93	89	79	37
2	110	86	68	27
3	110	89	61	33
4	103	78	64	30
5	124	97	72	31
6	123	88	65	31
7	101	95	74	26
8	101	90	73	24
9	98	94	63	30
10	99	90	66	23
Среднее квадратичное отклонение	10	5	6	4
Случайная погрешность	7	4	4	3
Среднее значение результата	106	90	69	29

Сложность в фиксации приемника относительно источника с заданными параметрами, в результате конструктивных особенностей датчика не позволяет провести эксперимент с малым шагом изменения угла наклона источника излучения.

При проведении эксперимента с изменение угла наклона источника, угол источника принимал значения 90°, 100° и 110° (рисунок 71). Дальнейшее увеличение угла приводит к значительному изменению давления на биоткань, так как подвижное основание источника, выполняющее роль опоры (рисунок 72), уходит в корпус датчика.

Рисунок 71 - Пояснение к проведению изменения с изменением угла наклона источника: БО – биологический объект, d – расстояние между приемником и источником

Рисунок 72 - К вопросу о влиянии датчика №1 на биоткань: 1 – биоткань; 2 – подвижное основание для светодиода; 3 – подвижное основание для фотодиода; 4 – корпус датчика

При проведении эксперимента датчик был жестко зафиксирован, фаланга пальца устанавливалась сверху. Результаты эксперимента приведены в таблице 12.

Таблица 12 – Зависимость уровня сигнала от угла наклона источника (датчик №1).

№ измерения	Угол наклона приемника, °
	90	100	110
	Уровень сигнала
1	93	119	134
2	110	118	152
3	110	115	134
4	103	134	148
5	124	131	167
6	123	124	142
7	101	123	165
8	101	134	148
9	98	121	157
10	99	116	142
Среднее квадратичное отклонение	10	7	12
Случайная погрешность	7	5	8
Среднее значение результата	106	124	149

График зависимости уровня сигнала от угла наклона источника представлен на рисунке 73.

Рисунок 73 - Зависимость уровня сигнала от угла наклона источника излучения

Результаты эксперимента свидетельствуют о том, что при увеличении угла наклона источника, уровень сигнала растет, при условии, что остальные факторы не меняются. Максимальное значение было достигнуто при угле в 110°.

Сравнение экспериментальных данных с результатами математического моделирования

Сравнение экспериментальных результатов с результатами, полученными в результате математического моделирования распространения оптического излучения в биологической ткани с помощью метода Монте-Карло, происходит на основе визуального анализа. При моделировании методом подбора выбрано изменение коэффициента рассеяния 5% (ΔR_e=0.05). Для сравнения результатов расчетные и экспериментальные данные представлены как изменение уровня сигнала относительно базового, в качестве базового уровня для экспериментально полученных и расчетных данных выбран сигнал при расстоянии между приемником и источником 2.2 мм (рисунок 74).

Рисунок 74 - Зависимость уровня сигнала от расстояния между источником и приемником излучения, расчетные и экспериментальные результаты

Из графика видно, что расчетные и экспериментальные данные практически совпадают, однако сразу следует уточнить, что данное совпадение как уже говорилось ранее результат подбора изменения коэффициента рассеяния при моделировании. В тоже время результаты численного моделирования данным методом, но в рамках других исследований, хорошо согласуются с практическими результатами [10 – 14, 17]. При любом изменении коэффициента рассеяния, функция, описывающая расчетные данные, является убывающей, с увеличением расстояния между источником и приемником уровень сигнала падает.

Сравнение результатов экспериментальных данных, при которых происходило изменение угла наклона источника, с результатами математического моделирования, проводилось только на углах 90°, 100° и 110°.

При моделировании изменение коэффициента рассеяния составляло 5%, расстояние между приемником и источником оставалось постоянным и составляло 6 мм.

Для сравнения результатов практические и экспериментальные данные представлены как изменение уровня сигнала относительно базового, в качестве базового уровня выбран уровень сигнала при угле источника 90°.

Рисунок 75 - Зависимость уровня сигнала от угла наклона источника, расчетные и экспериментальные результаты

Как в случае с экспериментальными данными (рисунок 75), так и в случае с расчетными результатами, уровень сигнала с увеличением угла наклона растет. Уровень сигнала (рисунок 75), полученный в результате проведения эксперимента растет значительно медленнее расчетного значения, такой результат волне закономерен.

Согласованность результатов моделирования и экспериментальных данных, позволяет предположить, что дальнейшее увеличение угла наклона в эксперименте приведет к росту сигнала. Максимальный отклик, можно ожидать и в эксперименте на расстоянии между источником и приемником 6 мм при угле наклона источника 120 градусов.

Исследование взаимодействия излучения с веществом с помощью метода Монте-Карло позволяет адекватно предсказать характер распространения излучения в биоткани с учетом многослойности последней и конечного размера падающего пучка, что свидетельствует о возможности применения данного метода для более сложных расчетов.

Доработка модели и проведение дополнительных экспериментов, позволит моделировать распространение рассеянного потока так, что при конструировании датчиков не понадобится проводить трудоемких экспериментов.

Прямое статистическое моделирование методом Монте-Карло нуждается в следующих доработках:

• усложнение формы слоев;

• учет отражения от биоткани в зависимости от угла наклона источника;

• усложнение взаимодействия с глубоким сосудистым сплетением;

• учет влияние на полезный сигнал верхнего сплетения микрососудов;

• переход в цилиндрические координаты;

• учет показателя преломления каждого слоя.

Программное обеспечение фотоплетизмографа PulseViewer нуждается в следующих доработках:

• добавление обработки фотоплетизмограммы;

• добавление плавного изменение цены деления шкалы времени и амплитуды;

• добавление выгрузки результатов в форматах совместимых с математическими пакетами и Microsoft Office Excel, с целью их дальнейшего сохранения и анализа.

Для проведения дальнейших экспериментов необходим датчик с возможностью изменения угла наклона и расстояния, при этом имеющим небольшие габариты и способность независимой фиксации угла наклона источника (приемника) от фиксации расстояния между источником и приемником.

Помимо работы непосредственно с фотоплетизмографом, для дальнейшего совершенствования математической модели необходимы результаты исследований, в которых проводились замеры общего потока обратного рассеяния с изменением расстояния.

Кроме этого были проведены исследования, направленные на совершенствование методов установки оптоэлектронных датчиков на биологическом объекте.

В разделе 1.1.2 был описан разработанный датчик усилия прижима оптоэлектронного датчика к поверхности биоткани, позволяющий оценить диапазон сил прижима, влияющих на амплитуду и форму пульсовой кривой. Была проведена экспериментальная проверка оптоэлектронного преобразователя со встроенным датчиком силы прижима. Зависимость амплитуды пульсовой кривой от усилия прижима датчика к биологической ткани приведена на рисунке 76. Из графика видно, что амплитуда фотоплетизмограммы существенно зависит от усилия прижима датчика к биоткани, и имеет выраженный максимум при силе F=1,6…1,7 Н. При этом форма пульсовой кривой не искажалась в отличие от формы кривых при больших усилиях прижатия. При низких значениях F (0,5…1,0) H на форму пульсовой кривой существенно влияли артефакты движения, что связано с изменением длины пути светового луча от источника излучения до фотоприемника при смещении датчика относительно поверхности биологической ткани. В дальнейшем данную зависимость можно использовать для коррекции коэффициента усиления измерительного тракта фотоплетизмографа.

Рисунок 76 - График зависимости амплитуды пульсовой кривой от усилия прижима датчика к биологической ткани

1.5 Публикация материалов исследований

1.5.1 Статья в журнале ВАК

1.5.1.1 Письмо редакции журнала «Интеллектуальные системы в производстве» о включении статьи

1.5.1.2 Заключение экспертной комиссии по открытому опубликованию

1.5.1.3 Копия статьи в журнале ВАК со ссылкой на проведение НИР в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы

УДК 502.656

В. А. Алексеев, доктор технических наук, профессор, ученый секретарь университета;

Е.М. Козаченко, инженер (соискатель);

С. И. Юран, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник

Ижевский государственный технический университет

АВТОМАТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ УСТРАНЕНИЯ АВАРИЙНОГО ВЫБРОСА В СИСТЕМАХ ФИЛЬТРАЦИИ СТОЧНЫХ ВОД ¹

Рассмотрена автоматическая установка для устранения аварийного выброса загрязняющих веществ в системах фильтрации сточных вод, работа которой основана на контроле оптической плотности водной среды. В случае возникновения выброса вырабатывается сигнал, управляющий заслонками, расположенными на трубопроводе и отводе. В результате загрязненная вода своевременно направляется через отвод в отстойник для утилизации, что увеличивает срок службы фильтров очистки.

Ключевые слова: аварийный выброс загрязняющих веществ, мониторинг, оптическая плотность, оптоэлектронный датчик, скорость движения жидкости, фильтр очистки

Актуальной экологической задачей является организация отвода, сброса, и обезвреживания сточных вод промышленных и сельскохозяйственных предприятий, а также других объектов. Аварийное загрязнение водных объектов возникает при залповом сбросе вредных веществ в поверхностные воды объектов, который причиняет вред или наносит угрозу причинения вреда здоровью населения, нормальному осуществлению хозяйственной и иной деятельности, состоянию окружающей среды. Анализ систем контроля качества питьевой воды в цехах водоочистки показал, что не обнаруженный выброс загрязняющих веществ может привести к таким неблагоприятным последствиям как производство не качественной или опасной для здоровья питьевой воды и повреждение системы фильтрации [1, 2].

Отсутствие системы экологического контроля воды на предприятии в Пермском крае привело в первой половине 2010 года к чрезвычайной ситуации, когда целый город в течение длительного времени (не обеспечивался) оказался без достаточного количества чистой воды. Более того, возникли трудности по обнаружению источника загрязнения, что могло привести к повторению аналогичной ситуации.

Суть проблемы заключается в том, что с одной стороны существующие методы анализа неоднородных сред требуют применения сложной аппаратуры, что не всегда возможно в производственных условиях. С другой стороны, для принятия решения необходима оперативность. Однако в большинстве применяемых точных методик требуется значительное время для проведения анализа, что не позволяет в режиме реального времени устранить попадание аварийного выброса в систему фильтрации. Поэтому возникает задача оперативного анализа неоднородных водных сред с целью дальнейшего принятия решений о проведении тех или иных защитных процедур.

В работе указанная задача экологического мониторинга решается с помощью разработанной автоматической установки с применением оптических методов контроля свойств этих сред, имеющих большую перспективу в связи с развитием современных средств оптоэлектроники и лазерных технологий. Установка предназначена для устранения влияния вредных выбросов при возникновении аварийной ситуации в системе утилизации сточных вод.

Проведенные исследования показали, что в ряде случаев аварийный выброс представляет собой «сгусток» неоднородной жидкости, содержащей загрязняющие вещества, у которого оптическая плотность на определенном ограниченном интервале времени отличается от оптической плотности контролируемой среды. Такие сгустки могут возникать только в аварийной ситуации, при которой, например, разгерметизируется какое-либо оборудование на объекте контроля, приводящей к сбросу загрязняющих веществ в систему стоков и фильтрации. Такая система, как правило, не предназначена для очистки воды от этих веществ. При наличии в системе фильтров последние могут выйти из строя или не полностью отфильтровать загрязняющие вещества, что приведет к проникновению их в окружающую среду (водоем).

На рисунке приведена структурная схема установки для устранения аварийного выброса. Контролируемая жидкость 1 перемещается по трубопроводу 2, в котором установлены оптоэлектронные датчики 3 и 11. Для контроля изменений оптической плотности водной среды используется турбидиметрический метод анализа мутных сред [3]. В трубопроводе выполнен отвод (ответвление) 5, а также установлены задвижки 6, 7 для блокировки движения контролируемой жидкости, фильтр очистки 8, третий оптоэлектронный датчик 9 и резервуар (отстойник) 10 утилизации загрязненной жидкости. Управляет работой установки блок обработки и управления 4, выполненный на базе микроконтроллера. В нем установлены значения эталонной оптической плотности контролируемой жидкости и допустимые отклонения от нее. Кроме этого, в блок 4 внесена информация о расстоянии L₀ между датчиками 3 и 11. По времени прохождения t_c контролируемой жидкости между датчиками 3 и 11, расположенными на фиксированном и заданном расстоянии L₀ друг от друга, в блоке 4 вычисляется скорость V_с = L₀/t_c движения жидкости.

В процессе мониторинга в блоке 4 производится непрерывное сравнение текущей оптической плотности среды, полученной в результате обработки сигналов, поступающих от оптоэлектронных датчиков 3 и 11, и эталонной оптической плотности контролируемой жидкости. В нормальном состоянии, когда оптическая плотность среды не превышает допустимого порогового значения, задвижка 6 открыта, а задвижка 7 закрыта. При этом вода, проходя через фильтр очистки 8, поступает в окружающую среду (водоем).

В случае выхода величины текущей оптической плотности за допустимый порог, что может произойти при аварийном выбросе на объекте контроля (предприятии), с блока обработки и управления 4 через рассчитанное с его помощью время подаются управляющие сигналы на закрытие задвижки 6 (первый выход блока 4) и открытие задвижки 7 (второй выход блока 4). Своевременная подача управляющих сигналов при различных напорах в канале перемещения контролируемой среды обеспечивается введением датчика 11. Рассмотрим, как это происходит.

Начало переключения заслонок 6 и 7 определяется следующим образом. Известно время прохождения аварийным выбросом расстояния L₁ от датчика 11 до заслонки 6. Оно определяется как L₁/V_c. Это время должно быть уменьшено на время переключения заслонки t_{перекл.} и время задержки t_з, обеспечивающее надежность окончания (завершения) переходных процессов при переключении, то есть начало переключения заслонок наступает после фиксации начала аварийного выброса (сгустка) датчиком 11 через время t₀= L₁/V_c - t_{перекл.}- t_з.

Рисунок – Схема установки устранения аварийного выброса

Поскольку известны скорость V_с движения жидкости и интервалы времени ее перемещения от датчика 11 до заслонок 6 и 7, на элементы 6 и 7 с блока 4 своевременно, учитывая инерционность их работы (время переключения t_{перекл.} и t_з), подаются управляющие сигналы. В результате загрязняющее вещество вместе с контролируемой средой поступает через отвод в отстойник 10 для дальнейшей утилизации и не проходит в систему очистки (фильтр очистки 8) и далее в окружающую среду. Открытие заслонки 7 по времени, рассчитанном в блоке 4, позволяет снизить количество «лишней» незагрязненной жидкости, попадающей в отстойник 10.

Расстояние L₁ от места установки оптоэлектронного датчика 11 до элементов блокировки движения контролируемой среды 6 и 7 должно быть не менее, чем (t_з+ t_перекл)V_max, где V_max – максимально возможная скорость движения контролируемой среды.

При восстановлении через определенный интервал времени эталонного значения текущей оптической плотности контролируемой среды (окончание аварийного выброса) задвижки возвращаются в нормальное положение (задвижка 6 открыта, задвижка 7 закрыта). Для повышения достоверности определения момента окончания поступления загрязняющих веществ от аварийного выброса в отстойник 10 и недопустимости их проникновения в окружающую среду используется оптоэлектронный датчик 9, аналогичный датчикам 3 и 11. Сигнал с датчика 9, пропорциональный оптической плотности контролируемой среды в отводе 5 после места расположения заслонки 7, поступает на второй вход блока обработки и управления 4, который выдает управляющий сигнал на открытие заслонки 6 только в том случае, если оптическая плотность контролируемой среды после прохождения заслонки 7 восстановит свое эталонной значение.

Ранее была предложена установка для устранения влияния загрязняющих веществ от аварийного выброса [4, 5], в которой не учитывалась скорость движения жидкости в трубопроводе. Это, во-первых, снижало надежность устранения последствий аварийного выброса, так как при большой скорости потока жидкости заслонки (задвижки) 6 и 7 могли не успеть переключиться, и тем самым предотвратить поступление загрязняющих веществ в систему фильтрации и далее в окружающую среду. Во-вторых, при установке заслонки (задвижки) 7 на заведомо большом расстоянии от оптоэлектронного датчика 3, обеспечивающем ее надежное переключение даже при самой большой скорости движения загрязненной жидкости, в отстойник 10 попадет недопустимо много еще не загрязненной воды, предшествующей аварийному выбросу, что необоснованно увеличивает объем отстойника.

Предложенная в работе система позволяет повысить надежность обнаружения аварийного выброса загрязняющих веществ в протекающей жидкости и его устранения. Это обеспечивается за счет определения скорости движения воды и своевременного переключения задвижек при различном напоре жидкости в канале движения контролируемой среды. В результате за счет снижения вероятности проникновения фрагментов сгустка в систему фильтрации увеличивается срок службы фильтра очистки. Важно отметить, что в случае проникновения кратковременного аварийного выброса загрязняющих веществ, например, маслянистых дорогостоящие устройства фильтрации могут быть повреждены, в результате чего качество очистки воды существенно снижается.

Кроме этого, снижается количество технической («чистой») воды, уходящей в отстойник, как до, так и после окончания прохождения сгустка (загрязнения), что позволяет уменьшить объем отстойника и тем самым снизить затраты на очистку (утилизацию) его содержимого.

Разработанный макет лабораторной установки показал свою работоспособность на ряде широко распространенных загрязняющих веществ. Промышленный образец установки может найти применение при решении задач экологического мониторинга в отраслях нефтегазового и агропромышленном комплексов, в химической, легкой, перерабатывающей промышленности.

Литература

1. Алексеев В.А, Козаченко Е.М., Стерхова М.А. Установка автоматического предупреждения аварийных выбросов в системах фильтрации сточных вод // Известия Самарского научного центра Российской академии наук.- Том 11(27), №1(6), 2009. - С. 1329-1332.

2. Алексеев В.А., Ардашев С.А., Козаченко Е.М., Юран С.И. Система управления автоматической установкой контроля оптической плотности сточных вод // Вестник ИжГТУ, 2010. - №4 (48). – С.101-105.

3. Андреев В.С., Попечителев Е.П. Лабораторные приборы для исследования жидких сред. — Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1981. —312 с.

4. Патент № 105456 на полезную модель, МПК7: G01N 15/06.- Устройство для устранения аварийного выброса / Алексеев В.А., Козаченко Е.М., Юран С.И., Перминов А.С. Опубл. 10.06.2011. Бюл. №16.

5. Алексеев В.А., Козаченко Е.М., Юран С.И. Установка мониторинга загрязнения сточных вод / Измерения в современном мире - 2011: сборник научных трудов Третьей Междунар. науч.-практ. конф. (С.-Петербург, 17-20 мая 2011). СПб: Изд-во Политехн. ун-та, 2011.- С.72-74.

V.A.Alekseev, a Dr.Sci.Tech., the professor, the scientific secretary of university;

E.M.Kozachenko, competitor;

S.I.Yuran, Dr.Sci.Tech., the professor, the main scientific employee

The Izhevsk state technical university

AUTOMATIC INSTALLATION FOR ELIMINATION OF EMERGENCY EMISSION IN SYSTEMS OF THE FILTRATION OF SEWAGE

Automatic installation for elimination of emergency emission of polluting substances in systems of a filtration of the sewage which work is based on the control of optical density of the water environment is considered. In case of emission occurrence the signal operating latches, located on the pipeline and tap is developed. As a result polluted water in due time goes through tap to a sediment bowl for recycling that increases service life of filters of clearing.

Keywords: emergency emission of polluting substances, monitoring, optical density, optoelectronic sensor, speed of movement of a liquid, the clearing filter

1.5.2 Материалы докладов для международной и всероссийской конференций

1.5.2.1 Письмо оргкомитета конференции «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» о включении докладов в программу конференции.

1.5.2.2 Заключение экспертной комиссии по открытому опубликованию

1.5.2.3 Копия материалов доклада на конференции со ссылкой на проведение НИР в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы

ИНТЕРАКТИВНАЯ ОБРАБОТКА ФОТОПЛЕТИЗМОГРАММ

В.А. Алексеев, Г.С. Варзегов, К.И. Дизендорф, С.И. Юран

(Ижевск, ИжГТУ)

Для получения данных о гемодинамике сердечно-сосудистой системы человека и животных используется измерение изменений оптической плотности биологических тканей при воздействии лазерного излучения – метод фотоплетизмографии [1]. Объективную диагностическую информацию при использовании метода фотоплетизмографии можно получить только на основе анализа качественно снятых пульсовых кривых. Однако в процессе получения цифровых значений пульсовой кривой на результат оказывают влияние различные внешние факторы (артефакты), связанные с движением и дыханием биообъекта, внешними электромагнитными полями, состоянием кожных покровов и др. [2-4], приводящие к потере значимых данных в сигнале. Такие части сигнала должны быть исключены из последующей обработки как некорректные Проблема устранения или, по крайней мере, ослабления влияния артефактов имеет большое значение для фотоплетизмографии, особенно при регистрации фотоплетизмограмм животных.

На рисунке 1 представлена структурная схема автоматизированной системы фотоплетизмографии.

Рисунок 1 – Структурная схема автоматизированной системы

фотоплетизмографии

Один или несколько потоков излучения Ф₀, имеющих одну или несколько длин волн, формируются с помощью источников излучения (ИИ) и оптической системы (ОС_И), определяющей спектральный состав, геометрию и направленность потока Ф₀. Параметрами источников излучения (интенсивностью, частотой следования, скважностью световых импульсов и др.) управляет устройство управления (УУ). Световой поток подводится к поверхности биологического объекта (БО) и взаимодействует с ним. В результате формируются новые потоки Ф, параметры которых несут информацию об оптических свойствах исследуемого биообъекта. Далее световые потоки Ф, пройдя через оптическую систему (ОС_ФП), преобразуются в фотоэлектрических преобразователях (ФЭП) в электрические сигналы U. Слабые сигналы U усиливаются и фильтруются в блоке первичной обработки (БПО).

Для преобразования и расчета физиологических показателей может использоваться дополнительный блок (ДБ), например, микроконтроллер. Алгоритм обработки электрического сигнала предусматривает выделение сигнала, связанного с интересующими свойствами биообъекта, а также ослабление влияния внешней среды (фоновые засветки и др. артефакты). Этим же целям служат обратные связи (ОбС): автоматическая регулировка интенсивности излучения ИИ, а также автоматическая регулировка усиления измерительного тракта, улучшающие параметры регистрируемого сигнала.

Внешнее устройство ВУ служит для визуализации измеренных параметров и характеристик (дисплей, монитор, самописец и др.), а также для связи с компьютером РС, осуществляющим обработку и анализ полученных фотоплетизмограмм в целях определения диагностических показателей биообъекта.

Для удобства работы оператора при автоматизированной обработке фотоплетизмограмм разработана программа, предназначенная для просмотра и редактирования цифровых результатов фотоплетизмографии.

Автоматизированная обработка фотоплетизмограмм заключается в определении и вычислении основных параметров фотоплетизмограммы. При этом возможны два режима обработки пульсовых кривых:

- автоматическая обработка;

- интерактивная обработка.

Интерактивная обработка пульсовых кривых предполагает участие оператора в процессе автоматизированной обработки. При этом на компьютер возлагаются функции, которые оператору сложно выполнить, например, дифференцирование и интегрирование кривых, вычисление параметров крутизны фронтов пульсовой волны, точное определение амплитудных и временных параметров.

Однако качественную компьютерную обработку можно выполнить только при наличии «чистых» пульсовых кривых. «Чистые» кривые содержат минимальное количество шумов и искажений, вызванных артефактами, а также в них отсутствуют аномальные результаты.

При длительной регистрации фотоплетизмограмм часть участков с искаженными кривыми может быть исключена. Выполнить эту процедуру оператору ручным способом, анализируя кривые на длительном интервале наблюдения, достаточно сложно, что вызывает его утомление. Необходимо учитывать также и то, что при автоматизированной обработке оператором может являться неквалифицированный пользователь, например, ветврач.

Таким образом, при компьютерном анализе фотоплетизмограмм как в интерактивном, так и в автоматическом режиме возникает проблема исключения аномальных результатов. К последним относятся участки пульсовых кривых, которые искажены артефактами, и удалить их аппаратурными методами не удалось.

С помощью разработанной программы проводится анализ исходных данных, в результате которого сигнал разбивается на части двух типов: годные и не годные для последующей обработки и исследования. Программа позволяет обнаруживать и исключать из исходного сигнала (пульсовой кривой) некорректные данные, возникшие из-за влияния нежелательных внешних факторов в процессе получения этого сигнала. При этом предполагается, что исходный сигнал выровнен относительно дыхательных волн и волн третьего порядка.

Исключение производится путем поиска значений фотоплетизмограмм, выходящих за пределы заданного оператором допуска по амплитуде и длительности периода. Часть сигнала, начинающаяся с заниженного или завышенного значений амплитуд пульсовой кривой, считается непригодной для дальнейшего анализа. Кроме этого, если длительность текущего периода фотоплетизмограммы отличается на заданную величину от среднего значения, полученного путем усреднения предыдущих неартефактных периодов пульсовой кривой, он также исключается из дальнейшего рассмотрения.

Графический пользовательский интерфейс программы позволяет настроить параметры обработки сигнала на основании его визуального изображения. Результаты обработки могут быть сохранены в файл. Данная программа предназначена для исполнения в среде Microsoft Windows. Для компиляции из исходного кода требуется среда Borland Delphi 7 или более поздние версии.

Блок-схема алгоритма обработки фотоплетизмограмм приведена на рисунке 2.

Входными данными являются файлы, содержащие последовательность 16-битных целых числе без знака (word). Предполагается, что такие файлы имеют расширение *.plz.

Выходными данными являются:

• визуальное представление сигнала, в том числе с подсветкой его разбиения на части;

• файлы, описывающие исходный сигнал, и содержащие информацию об его разбиении;

• изображения графика сигнала в формате *.bmp.

Рисунок 2 - Блок-схема алгоритма обработки фотоплетизмограмм

Структура файла *.plzw. Текстовый файл, содержит следующие значения:

• Имя файла *.plz .

• Коэффициент прореживания по оси t.

• Коэффициент прореживания по оси x.

• Далее парами точки начала и конца очередного «хорошего» участка сигнала.

Исходный файл с записанными фотоплетизмограммами содержит значения сигнала с достаточно высокой частотой дискретизации (1 кГц) и одни и те же значения отсчетов особенно на пологих участках кривой могут повторяться до 10 и более раз. Поэтому с целью сокращения времени расчетов предусмотрена возможность выполнять прореживание отсчетов в требуемое число раз. Для этого производится настройка параметров прореживания, и после нажатия кнопки «Просмотр» (рисунок 3) можно увидеть реальные значения пульсовых кривых (рисунок 4).

Перед обработкой сигнала, необходимо настроить следующие параметры: оценочное нижнее значение пульсовой кривой, допуски по осям t и x, после чего нажать кнопку «Обработать».

Рисунок 3 - График исходного сигнала перед обработкой пульсовых кривых

Рисунок 4 – График сигнала пульсовых кривых после прореживания

В результате обработки части графика, принятые за артефакты, будут подсвечены красным цветом (в черно-белом варианте – тонкая линия), а пригодные для последующей работы - зеленым (утолщенная линия) (рисунок 5).

Рисунок 5 – Результат обработки сигнала фотоплетизмограмм

Полученный график может быть сохранен в файл *.bmp. Результаты обработки сигнала могут быть сохранены в файл *.plzw и впоследствии открыты для просмотра.

Таким образом, разработанная программа позволяет обнаруживать и исключать из исходного сигнала некорректные данные, возникшие под влиянием артефактов в процессе регистрации фотоплетизмограмм, что повышает уровень работы врачей и ветеринарных специалистов, являющихся часто неквалифицированными пользователями компьютерной техники, и способствует получению качественных диагностических показателей, характеризующих состояние сердечно-сосудистой системы человека и животных.

Работа выполнена при поддержке Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (Государственный контракт № 16.740.11.0468 от 13.05.2011).

Литература

1. Алексеев В.А., Юран С.И. Проектирование устройств регистрации гемодинамических показателей животных на основе метода фотоплетизмографии: монография. – Ижевск: ИжГСХА, ИжГТУ, 2006.-248 с.

2. Калакутский Л. И., Манелис Э.С. Аппаратура и методы клинического мониторинга. -Самара: Самар. гос. аэрокосм. ун-т, 1999.- 160 с.

3. Алексеев В.А., Юран С.И. Снижение влияния артефактов при регистрации фотоплетизмограмм // Датчики и системы. – 2007.- №6. - С.19-22.

4. Алексеев В.А., Юран С.И. Модель биотехнической системы в фотоплетизмографии // Измерения в современном мире-2009: сборник научных трудов Второй междунар.науч.-практ.конф. (8-10 декабря 2009) -СПб.: Изд-во Политехн.ун-та, 2009.-С.80-81.