Введение

Газоанализатор ДАФ-М-01 является серийным прибором для непрерывного контроля летучих органических соединений (ЛОС) в промышленных условиях. Несмотря на надёжность и широкое применение, его аналоговая система обработки сигнала обладает рядом недостатков: дрейфом нуля и чувствительности, низкой помехозащищённостью, сложностью линеаризации и отсутствием цифровых интерфейсов связи. Это ограничивает точность, стабильность и интеграционный потенциал прибора. Целью данной работы является разработка методики модернизации ДАФ-М-01 путём перехода на цифровую архитектуру обработки сигнала для существенного повышения его метрологических и эксплуатационных характеристик.

1. Анализ недостатков исходной конструкции

Критический анализ системы обработки сигнала газоанализатора ДАФ-М-01 выявил следующие ключевые проблемы:

— Дрейф параметров аналоговых компонентов (операционных усилителей, источников опорного напряжения), приводящий к нестабильности показаний и необходимости частой калибровки.

— Низкая помехозащищённость от электромагнитных помех промышленной частоты (50 Гц), вызывающая искажение сигнала и ложные срабатывания.

— Ограниченные возможности линеаризации характеристики фотоионизационного датчика в аналоговом тракте.

— Отсутствие цифровых интерфейсов в базовой модификации, что затрудняет интеграцию в современные системы АСУ ТП.

2. Разработка цифровой архитектуры

В основу модернизации положен принцип максимально ранней оцифровки сигнала. Структурная схема модернизированного прибора включает:

1. Аналоговый интерфейсный модуль на базе трансимпедансного усилителя с ОУ ADA4530–1 (входной ток ~20 фА) и активного антиалиасингового фильтра.

2. Модуль цифровой обработки на основе 32-битного микроконтроллера STM32F446RET6 (ядро ARM Cortex-M4 с FPU, 16-битный АЦП, ЦАП).

3. Модуль индикации с графическим OLED-дисплеем.

4. Модуль коммуникаций с обязательным интерфейсом RS-485/Modbus RTU, а также аналоговым выходом 4–20 мА и релейными выходами для обратной совместимости.

3. Алгоритмы цифровой обработки сигнала

Программное обеспечение микроконтроллера реализует следующие алгоритмы:

— Первичная обработка : накопление и усреднение отсчётов АЦП для повышения эффективной разрядности.

— Каскадная цифровая фильтрация : медианный фильтр (подавление импульсных помех), режекторный фильтр 50 Гц, ФНЧ (сглаживание).

— Автоматическая калибровка по двум точкам («ноль» и «проба») с сохранением коэффициентов в энергонезависимой памяти.

— Точная линеаризация по полиномиальной модели 2-й или 3-й степени.

— Температурная компенсация на основе данных встроенного датчика температуры.

4. Оценка эффективности модернизации

Расчёт и моделирование ожидаемых метрологических характеристик показали:

— Основная приведённая погрешность снижается с ±2,5 % до ≈1,1 % от ВПИ .

— Дрейф нуля электронного тракта сокращается до <0,5 % от ВПИ за 30 суток .

— Подавление сетевой помехи (50 Гц) достигает не менее 40 дБ .

— Динамический диапазон расширяется до 80 дБ и более .

— Появляется возможность удалённого конфигурирования, диагностики и интеграции в SCADA-системы через интерфейс Modbus.

Заключение

Разработанная методика модернизации газоанализатора ДАФ-М-01 путём перехода на цифровую платформу является технически обоснованной и экономически целесообразной. Реализация предложенных решений позволяет не только устранить ключевые недостатки аналоговой системы, но и существенно повысить точность, стабильность, помехозащищённость и функциональность прибора. Модернизированный газоанализатор соответствует современным требованиям к промышленным средствам измерений и может быть легко интегрирован в цифровые системы контроля и управления. Перспективными направлениями дальнейших исследований являются разработка аппаратного прототипа и проведение натурных испытаний для экспериментального подтверждения расчётных характеристик.

Литература:

1. ГОСТ Р ИСО 16000–29–2014. Воздух замкнутых помещений. Часть 29. Методы испытаний на летучие органические соединения с помощью газовой хроматографии.

2. Описание типа средства измерений «Датчики-газоанализаторы ДАФ-М» (№ 73327–18) / Росстандарт. — М., 2018.

3. Сергиенко, А. Б. Цифровая обработка сигналов / А. Б. Сергиенко. — 3-е изд. — СПб.: Питер, 2011. — 768 с.

4. Datasheet: STM32F446xx. Advanced ARM-based 32-bit MCUs / STMicroelectronics. — 2022.

5. Datasheet: ADA4530–1. 20 fA Bias Current, Electrometer Grade Amplifier / Analog Devices. — 2021.