Введение к работе
з
Актуальность Проблемы безопасности водородной' технологии связаны с горением водорода в силу широких границ его взрываемости и незначительной энергии, необходимой для его воспламенения.
Газосигнализаторы использующиеся в настоящее время для предотвращения аварийных ситуаций, не могут дать ответ на вопро'е где образовалась течь, а именно здесь кроется наибольшая опасность т.к. в месте выхода водорода в воздух высока вероятность образования взрывоопасной водородо-воздушной смеси. Таким образом возникает задача локализации утечек водорода на всех стадиях получения, хранения, транспортировки и применения.
Существующие детекторы имеют ряд существенных недостатков,
таких как низкие динамические характеристики, сложность системы
пробоотбора и др., не Позволяющие применять их для построения
автоматических систем локализации. Необходимо расширять номенклатуру
чувствительных элементов вводя новые типы датчиков. Наиболее
перспективными в настоящее время- являются твердотельные датчики
водорода. . .
Говоря о чувствительных элементах нельзя не упомянуть о сложности обработки дефектоскопического сигнала и мерах необходимых для поддержания рабочих режимов датчиков. Наличие субъективизма при контроле изделий на герметичность приводит к повышенному проценту брака. Для исключения субъективного фактора в определении параметров дефекта и повышения достоверности полученных результатов необходима автоматизация всех процессов локализации утечек (считывание информации, первичная и вторичная обработка дефектоскопической информации, а также поддержания оптимальных рабочих режимов системы локализации при различных условиях контроля).
Все вышеизложенное и определило актуальность работ по созданию автоматизированной системы локализации утечек водорода с микроэлектронньгм чувствительным элементом.
Целью работы являются теоретические и экспериментальные
исследования автоматизированного процесса высокоточной локализации
утечек водорода'без нарушения концентрационного поля течей, разработка
и промышленное внедрение портативного течеискателя на водород на базе
твердотельных полупроводниковых сенсоров со встроенной
автоматической микропроцессорной системой обработки
дефектоскопического сигнала.
Методы исследования Теоретические исследования выполнены нг основе теории массопереноса, физики полупроводников и диэлектриков, г также теории автоматического управления. Для проведения апробации алгоритмов обработки дефектоскопических сигналов применялся мето/ имитационного моделирования. Аппроксимация экспериментальны? кривых осуществлялась ' методом наименьших квадратов Экспериментальные исследования проводились на метрологичесю аттестованной измерительной аппаратуре в соответствии с классо» точности. Проверка адекватности математических моделей осушествляласі методом дисперсионного анализа.
Научная новизна На основе полученной математической моделі взаимодействия концентрационного поля течи с чувствительны» элементом течеискателя (в режиме "щупа" без прокачки) определень оптимальные зависимости параметров процесса высокоточно! 'локализации утечек водорода. Выявлены новые особенности физико химических процессов, происходящих в полупроводниковом датчик структуры Pd(Pt)-Si02-Si с барьером Шоттки, позволяющие улучшит характеристики датчика системы автоматической локализации.
. Определены оптимальные параметры работы барьерного датчика, состоящие в применении напряжения обратного смещения Ucm=-1B и рабочей температуры Tj*6=100C, позволяющие существенно уменьшить время реагирования и восстановления датчика, а также увеличить чувствительность контроля.
Исследованы физико-химических процессы взаимодействия водорода с полупроводниковыми сенсорами различных типов при решении задач контроля герметичности и показано, что для осуществления высокоточной локализации водородных течей необходимо использовать датчик на основе диода с барьером Шоттки структуры Pd-SiC>2-Si.
Впервые установлен порог чувствительности по потоку водорода (Qmm=l*10-7M3Ila/c), определяемый составом (90%Pd+I0%Pt) и рабочей температурой чувствительного элемента, выявивший диапазон применений приборов и систем течеискания разрабатываемых на базе диода с барьером Шоттки указанной структуры, позволяющий определить оптимальный состав газочувствительного электрода и рабочую температуру сенсора в зависимости от условий контроля.
Найдены зависимости параметров дефектоскопического сигнала от расстояния и скорости прохождения чувствительного элемента относительно течи, позволяющие определять оптимальные по быстродействию контроля и точности локализации параметры системы сканирования и алгоритмов обработки дефектоскопической информации и способствующие обоснованой разработке методик автоматизированного контроля.
Установлены новые закономерности динамического взаимодействия концентрационного поля утечки водорода и быстродействующих миниатюрных датчиков, позволяющие осуществить дистанциошг/ю локализацию утечек и полную автоматизацию процесса контроля.
Разработан новый математический алгоритм обработки сложного дефектоскопического сигнала в условиях автоматизированного контроля, .
6 заключающийся в формализации дефектоскопического пика методом
моментов и получения на основе указанного метода дополнительной
информации о параметрах дефекта. Автоматическая расшифровка и
коррекция формализованных параметров дефекта впервые позволила
определять точные координаты мест течей лежащих вне траектории
контроля и производить оценку величин потоков.
Разработаны устройства автоматизированной локализации течей, новизна которых защищены патентами.
Практическая ценность Выявлены новые зависимости влияния
количества адсорбированного водорода на характеристики
полупроводникового сенсора, позволяющие рассчитывать параметры процесса автоматизированной локализации тонких течей.
При проектировании устройств локализации течей использовалась разработанная методика инженерных расчетов.
Реализация работы Разработан и изготовлен информационный канал течеискательной аппаратуры на базе микроэлектронного датчика с барьером Шоттки и микропроцессорной системы обработки дефектоскопической информации. Разработанные алгоритмы реализовань в программно-техническом комплексе ПТК-АЛУ.
Апробация работы Основные положения защищаемой работь доложены на XIV Российской научно-технической конференцт "Неразрушающий контроль и диагностика", Москва 1996г.;на I -III научно технических конференциях "Приборостроение и автоматизаци! технологических процессов", г.Дзержинск 1995-97г.; на Всероссийское научно-методической конференции "Новые информационные технологи! в системе многоуровнего обучения" (секции: автоматизация научны; исследований и моделирование физических процессов), г.Нижний Новгоро, 1996г; на Всероссийской научно-технической конференции студентов і аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 97", г.Москва 1997г.; н Региональной научно-технической конференции "Методы и средств
контроля герметичности", г.Дзержинск 1997г.; на II Всероссийской научно-технической конференции "Методы и средства измерений физических величин", г.Н.Новгород 1997; XIV IMEKO World Congress "New measurements - challengers and visions", Tampere, Finland 1997.
Диссертационная работа обсуждена на совместном заседании кафедр "Автоматизация химико-технологических процессов и производств", "Физики и электротехники" Д/ф НГТУ 24.09.97 и на заседании кафедры "Автоматизация машиностроения" НГТУ 08.10.97.
Публикации По результатам исследований опубликовано 24 научные работы ( в том числе 2 патента РФ).
Структура и «бьем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.
Работа содержит 177 страниц текста, 46 рисунков, 9 таблиц, список литературы из 86 наименований.
В приложении 5 актов испытаний и внедрений.
Основные положения, представляемые к защите
-научно-методический подход к решению задач автоматизированной
локализации утечек водорода, - основанный на применении
полупроводтшковых газоаналитических сенсоров, позволяющих создать
портативное высокочувствительное течеискательное оборудование с
низким энергопотреблением и высокими динамическими
характеристиками;
-способ высокоточной автомагической локализации утечек водорода без нарушения концентрационных полей оттечей;
-принцип двухпозиционного сканирования при автоматической локализации течей газоаналитическим методом;
-математическую модель взаимодействия концентрационного поля течи с чувствительным элементом теченскателя в режиме "щупа"- без прокачки;
-алгоритмы обработки дефектоскопического сигнала основанного на методе моментов с автоматической коррекцией фонового сигнала и динамической ошибки определения координат мест течей;
-алгоритмическую структуру системы автоматизированной локализации утечек;
члтособы' улучшения чувствительности и динамических
характеристик полупроводникового датчика течеискателя на основе диода структуры Pd-Si02-Si с барьером Шотгки;
-методику инженерных расчетов и проектирования
автоматизированных систем локализации утечек с полупроводниковым чувствительным элементом на основе диода с барьером Шотпш;
-принципы построения и конструирования автоматизированных
течеискательных и газоаналитических устройств на базе
полупроводникового датчика.
