Інформаційна технологія визначення концентрації токсичних елементів в об’єктах навколишнього середовища

Abstract

Розглянуто нову інформаційну технологію, яка дозволяє збільшити чутливість та достовірність визначення концентрації токсичних елементів методами імпульсної інверсійної хронопотенціометрії. Для класу монотонно зростаючих сигналів, які є інтегральною сумою процесів багатокомпонентного вимірювання, запропоновано перетворення системи координат, що дає змогу аналізувати сигнал як суму компонентів та суттєво скоротити вхідні дані без втрати корисної інформації. Розроблено цифрові методи відновлення корисного сигналу та генеративна модель багатокомпонентного сигналу, що підвищує ефективність оброблення даних. Створено високочутливу аналітичну систему «Аналізатор ІХП», яка визначає масову концентрацію 14-ти токсичних елементів (ртуть, арсен, свинець, кадмій, цинк, мідь, олово, нікель, кобальт, залізо, марганець, селен, йод, хром) з чутливістю до 0,05 мкг/дм³, шість хімічних елементів та сполук (калій, натрій, кальцій, фтор, амоній, нітрати) з концентрацією до 6•10⁷ мкг/дм³. Розроблені інструментальні засоби дали можливість створити нові ефективні інформаційні технології оброблення сигналів іншої фізичної природи, що монотонно зростають або зменшуються.

Рассмотрена новая информационная технология, которая позволяет увеличить чувствительность и достоверность определения концентрации токсичных элементов методами импульсной инверсионной хронопотенциометрии. Для класса монотонно возрастающих сигналов, которые представляют собой интегральную сумму процессов многокомпонентного измерения, предложено преобразование системы координат, что позволяет анализировать сигнал как сумму компонентов, при этом существенно сокращаются исходные данные без потери полезной информации. Разработаны цифровые методы восстановления полезного сигнала и генеративная модель многокомпонентного сигнала, что увеличивает эффективность обработки данных. Создана высокочувствительная аналитическая система «Анализатор ИХП», которая определяет массовую концентрацию 14-ти токсичных элементов (ртуть, мышьяк, свинец, кадмий, цинк, медь, олово, никель, кобальт, железо, марганец, селен, йод, хром) с чувствительностью до 0,05 мкг/дм³, шесть химических элементов и соединений (калий, натрий, кальций, фтор, аммиак, нитраты) с концентрацией до 6•10⁷ мкг/дм³. Разработанные инструментальные средства позволили создать новые эффективные информационные технологии обработки сигналов иной физической природы, которые монотонно возрастают либо уменьшаются.

The purpose of the article is to develop tools for information technology for determining the concentration of toxic elements. New methods of impulse inversion chronopotentiometry and ionometry to increase the sensitivity, reliability and functionality of the concentration measurement are used. Methods. Transformation of data structure of the multi-component processes and new methods of a filtration and smoothing which are based on use of points of extremum and inflexion are applied at performance of digital processing of measurement signals. The transformation allows us to consider monotonically increasing signals of inversion as a linear sum of components, which are described by non symmetric functions of normal distribution. The received signal is simulated by solving the parametric identification problem in the class of one-dimensional regression models. Results. The developed highly sensitive analytical system "Analyzer ICP" implements the created information technology. The system determines the mass concentration of 14 toxic elements (mercury, arsenic, lead, cadmium, zinc, copper, tin, nickel, cobalt, iron, manganese, selenium, iodine and chromium) with a sensitivity of up to 0.05 μg/dm³ (50 ppt) and six chemical elements (potassium, sodium, calcium, fluorine, ammonium and nitrates) in the range of 10³ μg/dm³ to 6•10⁷ μg/dm³ using ion-selective electrodes. Conclusion. Information technology has an universal character, created tools can be used to analyze signals of various physical natures, in which the values are monotonically increasing or decreasing.