Разработка «Создание газоаналитического сканера для анализа

Разработка «Создание газоаналитического сканера для анализа
многокомпонентных парогазовых сред с целью идентификации веществ»
для использования в г. Москве (шифр).
1. Основание для проведения работ.
Предусмотренная
Договором
работа
выполняется
на
основании
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
2. Цель и исходные данные для проведения работ.
Целью
проекта
является
создание
способа
и
устройства
(псевдомультисенсорный сканер), позволяющего организовать от одного до
двадцати тысяч и более виртуальных датчиков. На основе измеренных откликов
составляется информационно-аналитическое поле, характеризующее компонентный
состав анализируемой парогазовой смеси.
Степень решения обозначенной проблемы в настоящее время обеспечит
контроль качества лекарственных средств.
В качестве исходных данных для выполнения работы являются
существующий в настоящее время огромный парк газоаналитических приборов.
В результате проведённой работы планируется создать новую
технологию, на основании которой будут созданы способ и устройство,
позволяющего организовать от одного до двадцати тысяч и более виртуальных
датчиков, на основе измеренных откликов которых будет составлено
информационно-аналитические поля, характеризующие компонентный состав
анализируемой парогазовой смеси.
Создание способов, прибора, технологий должно вестись в рамках
реализации стратегии государства как мирового производителя наукоемкой
продукции.
3. Краткая характеристика работы
Разработка «Создание
газоаналитического сканера для
анализа
многокомпонентных парогазовых сред с целью идентификации веществ» в г.
Москве
направлена
на
включение
в
систему
газового
анализа
псевдомультисенсорного газового сканера.
Предметом НИОКР выступают идеология, способы, газоаналитические
технологии.
Объектом НИОКР является
ионизационный метод создания и анализа
информационно-аналитических полей многокомпонентных парогазовых смесей
(ПГС).
Газоаналитический сканер должен обеспечивать ионизацию ПГС под
действием ионизирующего излучения,
приводящего к
образованию ионов,
протеканию
ион-молекулярных реакций в межэлектродном пространстве с
образованием кластеров, которые разряжаются на электродах ионизационной
камеры (ИК) и создают электрический (ионизационный) ток в цепи измерения.
Ионизационный ток (ИТ) является характеристикой определяемого компонента.
Величина ИТ зависит от типа молекул, образующих кластеры, их концентрации,
напряжения, частоты изменения величины
напряжения,
подаваемого
на
электроды ИК, времени измерения ионизационного тока (аналитического
результата), температуры, конструкции камеры. В случае совпадения свойств
1
образованных кластеров и параметров работы ИК ионы разряжаются на электродах
камеры и в цепи скачкообразно возрастает величина ионизационного тока, что
позволяет судить о присутствии в смеси определенного компонента. Скорость
изменения тока – позволяет оценить концентрацию компонента.
Газоаналитический сканер должен обеспечить селективный анализ путем
измерения сочетаний значений частоты и напряжения, подаваемых на электроды
ИК, времени измерения. Выбор сочетаний значений проводят на основе анализа
информационно-аналитического поля, снятого в трехмерной системе координат:
напряжение, частота,
ионизационный ток,
с последующим
закреплением
определенных параметров работы камеры в качестве постоянных для определения
данного компонента, данной ИК.
Для развития
анализа многокомпонентных парогазовых сред с целью
идентификации
веществ
необходимо
создать
способы
сканирования
многокомпонентных парогазовых смесей, создания образов эталонных веществ и
контролируемых веществ, с последующим проведением их сравнительного анализа.
Масштаб
потребностей в способах, приборах, технологиях указанной
направленности инициируется ростом выпуска разнообразной продукции как
потребительского, так и промышленного назначения и увеличивающейся доли
фальсификации указанной продукции.
Возможные же негативные последствия отсутствием предлагаемого решения
– снижение продолжительности жизни населения, ухудшение экологической
обстановки в местах проживания.
Проблема, которая будет решена в предлагаемой работе это то, что в
настоящее время в известных решениях анализа многокомпонентных парогазовых
сред, анализ выполняется множеством датчиков по схеме: один датчик – один
компонент. Реализация подобных схем в газоаналитических приборах, как правило,
вступает в конфликт с пользователем. Пользователю необходимо увеличить
количество датчиков, а производителю трудно выполнить данное требование,
поскольку в системе уже два десятка датчиков и расширение списка определяемых
компонентов фактически инициирует создание нового прибора. Если реализовать в
приборе процедуры адаптации под задачи пользователя – генерации десятков
тысяч псевдодатчиков
(виртуальных сенсоров); «сканирования» компонентов
анализируемой парогазовой смеси; построения информационно-аналитического
поля (образа), поверхности; параметризации псевдодатчиков, то возможно решить
обозначенные проблемы.
В соответствии с современными тенденциями развития науки и техники
выбранное направление НИОКР представляется актуальным вследствие
возможности создания способов, устройств, технологий на основе газового анализа
путем сканирования многокомпонентных парогазовых смесей, создания образов
эталонных веществ и контролируемых веществ, с последующим проведением их
сравнительного анализа.
Состояние исследований в данной области, определяющих мировой уровень,
соответствующих требованиям мировым тенденциям газового анализа – создание
способов и приборов для определения многокомпонентных парогазовых смесей в
интересах потребителя.
Предлагаемые подходы к решению стоящей задачи в сопоставлении с
ведущимися в настоящее время в стране и за рубежом работами отличаются
новизной в областях создания способов, устройств, технологий на основе газового
анализа путем сканирования многокомпонентных парогазовых смесей, создания
образов эталонных веществ и контролируемых веществ, с последующим
проведением их сравнительного анализа.
2
В сравнении с возможностью закупки за рубежом технических средств или
технологий, в которых будут реализованы результаты данных исследований,
целесообразно проведение самостоятельных теоретических и экспериментальных
исследований, позволяющих создать предпосылки для создания отечественных
способов, приборов, технологий для определения качества выпускаемой продукции.
4. Содержание основных работ и этапы НИР (НИОКР)
№
этапа
Наименование этапа,
перечень работ
(вносятся изменения в
соответствии с тематикой
проекта)
Чем
заканчивается
этап (работа)
Срок
выполнения
начало/
окончание
(уточнить
месяц)
Исполнитель
Этап 1
1.1.
1.2.
1.3.
Выбор методологии, концепции
разработки технологии
измерения.
Разработка техникоэкономического обоснования
(ТЭО) на прибор.
Разработка технических
требований (ТТ) на приборы и
технологии.
Комплект.
документов.
ЦАВ.
ТЭО.
ЦАВ.
ТТ.
ЦАВ.
Этап 2
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
2.5.
Создание технологии газового
анализа, закрепленные на
уровне программного
обеспечения (ПО) для прибора,
схемотехнических решений,
способов измерения, анализа.
Разработка технического
предложения (ТП), эскизного
проекта (ЭП), технического
проекта (ТП) прибора.
Создание действующего макета
прибора, в соответствии с
эргономическими требованиями
к средствам измерения.
Создание технологий измерения
аналитического результата.
Предварительные испытания,
корректировка документации по
результатам изготовления и
предварительных испытаний
макета прибора.
Технологии.
ЦАВ.
ТП, ЭП, ТП.
ЦАВ.
Макет прибора.
ЦАВ.
Технология.
ЦАВ.
Протоколы
испытаний.
Документация.
ЦАВ.
5. Основные требования к выполнению НИОКР.
Создание способов, устройств, технологий на основе создания способов,
устройств, технологий на основе газового анализа путем сканирования
многокомпонентных парогазовых смесей, создания образов эталонных веществ и
3
контролируемых веществ, с последующим проведением их сравнительного анализа
в интересах предприятий, жителей, государственных органов власти, субъектов
реальной экономики г. Москвы.
5.1. Технические требования.
Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:
 обеспечивать ионизацию ПГС под действием ионизирующего излучения;
 создать ИТ в цепи измерения, который
является
характеристикой
определяемого компонента, и который приводит к образованию ионов,
протеканию ион-молекулярных реакций в межэлектродном пространстве с
образованием кластеров, которые разряжаются на электродах ИК и
создают ИТ в цепи измерения, при этом скорость изменения тока позволяет
оценить концентрацию компонента;
 обеспечить селективный анализ парогазовой смеси путем измерения
сочетаний значений частоты и напряжения, подаваемых на электроды
ИК, времени измерения.
Техническая характеристика
портативного прибора
Единица
Наименование параметра
измерения
Интервал значений потенциалов
В
Шаг изменения потенциала
В
Интервал значений частоты изменения
Гц
потенциала
Шаг изменения
Гц
Количество псевдодатчиков
шт.
Расход пробы в режиме "сорбция"
мл/мин
Расход парогазовой смеси в режиме
мл/мин
"десорбция"
Масса
кг
Габариты
мм
Значение
10÷1000
10
5÷1000
5
до 20000
не более 200
не более 1000
не более 3
не более
350х300х150
6. Способ реализации результатов НИОКР.
Газоаналитический сканер должен обеспечить селективный анализ путем
измерения сочетаний значений частоты и напряжения, подаваемых на электроды
ИК, времени измерения. Выбор сочетаний значений проводят на основе анализа
информационно-аналитического поля, снятого в трехмерной системе координат:
напряжение, частота,
ионизационный ток,
с последующим
закреплением
определенных параметров работы камеры в качестве постоянных для определения
данного компонента, данной ИК.
Создать блок питания сканера, который должен обеспечивать питанием
камеру прибора потенциалом 10 ÷1000 Вольт с шагом 0.1; 1.0÷100 Вольт; частотой
изменения потенциала 1÷1000Гц с шагом 1÷100Гц, временем изменения
параметров, измерения ионизационного тока 0.001÷1.0 секунда.
Проводить анализ информационного поля, снятого в 3-х мерной системе
координат (X - питающее напряжение, подаваемое на электроды ионизационной
4
камеры в интервале 10÷1000 В. с минимальным шагом 0.1 В.; Y - частота
изменения напряжения, подаваемого на электроды ионизационной камеры в
интервале 1÷1000 Гц с минимальным шагом 1.0 Гц; Z - ионизационный ток,
оцениваемый по величине падения потенциала на образцовом сопротивлении,
который изменяется в интервале -10-/+10 В).
7. Перечень отчетной документации, представляемой по окончании работ.



Комплект: ТЭО, ТТ;
ТП, ЭП, ТП прибора;
Действующий макет газоаналитического сканера.
8. Характеристика ожидаемого результата
Лекарственные средства содержат множество компонентов.
Идентифицируя компонентный состав можно сделать заключение о качестве
продукта, соответствие оригиналу, свойствах продукта.
Большое количество лекарственных средств фальсифицируется. Так
потребители лекарственных средств, не подозревая об этом, не получают
необходимого лечения или получают вред от употребляемых лекарственных
средств.
Идентификация лекарственные средства по внешним признакам: этикетка,
упаковочная тара, штрих-код, логотип не защищают потребителя от приобретения
фальшивки.
Поэтому, наиболее целесообразным является создание простого, дешевого
способа выявления некачественной лекарственных средств и устройства для его
осуществления . Способ и устройство должны соответствовать следующим
требованиям.
Выявление фальсификата должно проводиться на основе парогазовых
смесей.
Объем пробы – не больше 10 мл.
Время анализа - не более 10 мин.
Для установления качества лекарственных средств, соответствующих
перечисленным требованиям, выбран способ составления образа «эталона»,
относительно которого сравнивают образы других лекарственных средств
вычитанием и последующей идентификацией разности и составления заключения о
соответствии сравниваемого продукта «эталону».
Таким образом, измеренные отклики датчиков позволяют построить
информационно-аналитическое поле, характеризующее компонентный состав
анализируемой парогазовой смеси. Анализ и параметры полей позволяют выбрать
оптимальное количество и сочетание псевдодатчиков, сократить время анализа до
10 секунд, обеспечить различные режимы измерения.
Лекарственные средства считаются идентичными, если коэффициент
корреляции, сравниваемых параметров не хуже 0,900. Если коэффициент
корреляции, сравниваемых параметров меньше 0,900, то считают лекарственные
средства разными, несмотря на то, что по другим признакам и составу, который
представлен в сертификате, продукты считаются идентичными.
В результате проведённой НИОКР прогнозируется получение двух (способ,
прибор) объектов коммерциализации, имеющих конкурентные преимущества на
внутреннем и внешнем рынках
5
В ведущих научных и научно-технических журналах по тематике планируемых
публикаций НИОКР планируется две публикации.
Планируется один патент на результаты интеллектуальной деятельности,
полученные в рамках выполнения данного проекта.
Планируется участие в двух выставочных мероприятиях, проводимых при
участии московского правительства.
9. Технико-экономическое обоснование.
Для анализа лекарственных средств как правило применяют жидкостные
хроматографы, хроматомасспектрометры, колориметры, поляриметры. Однако,
соответствует перечисленным требованиям газоаналитический
псевдомультисенсорный сканер, позволяющий организовать от одного до двадцати
тысяч и более виртуальных датчиков. Измеренные отклики датчиков позволяют
построить информационно-аналитическое поле, характеризующее компонентный
состав анализируемой парогазовой смеси.
Прогнозируемые социально-экономические эффекты от использования
продукции (услуг), созданной на основе результатов НИР: создание предпосылок
сокращение парка аналитических приборов в 2÷5 раз
с повышением
чувствительности, быстродействия, селективности и качества анализов; в 2÷5 раз
снижение стоимости оснащения газоанализаторами различных служб, что в свою
очередь сделает газовый анализ доступным и экономически целесообразным.
При этом, стоимость предлагаемого устройства составит не более 30000
рублей, а стоимость одного исследования - не более 100 рублей.
6