Введение к работе
Актуальность темы. Важнейшей задачей, стоящей перед современным промышленным производством является повышение качества выпускаемой продукции. Для большой группы изделий герметичность является одним из основных критериев качества. В связи с этим возникает задача расширения парка современного высококачественного газоаналитического течеискатедьного оборудования, работащего на различных пробных газах. Другими немаловажными причинами необходимости развития течеискательного оборудования является экологическая обстановка на планете, а также требования взрыво-пожаробе-зопасности. В настоящее время в большинстве высокочувствительных течеискательных устройств, использующих газоанализ, применяются: масс-спектрометрический метод с "масс-спектрометром, настроенным, как правило, на гелий; галогенный метод с определением различных типов фреонов; злектронозахватный метод, основанный на регистрации потока электроотрицательных газов, таких как элегаз, галоге-носдержащие газы, кислород и другие. Эти методы, реиая широкий круг проблем и имея весьма отработанную материально-техническую базу, имеют свои преимущества и недостатки. Общим является то, что эти методы требуют применения своего газа. В большинстве случаев этот газ является пробным, то есть специально используется для контроля герметичности. В некоторых случаях технологический газ служат одновременно и пробным газом.
Кроме того, контроль герметичности с помощью классических течеискательных установок носит одномоментный, разовый характер. Изделие контролируется, дается заключение о годности и оно передается в эксплуатацию, при которой возможны нарушения герметичности. Поэтому возникает необходимость оснащения наиболее опасных с точки зрения возникновения утечек участков оборудования отдельными датчиками утечки, которые должны работать вместе с работают шим оборудованием. Такого рода проблемы характерны, в том числе,
и для аммиачного холодильного и химического оборудования, а также при контроле герметичнрсти аммиаконаполненных изделий.
В связи с этим к таким датчикам должны быть предъявлены следующие требования: достаточная чувствительность и быстродействие, высокая надёжность, долговечность как самого чувствительного элемента (в дальнейшем-сенсора)" так и устройства, обрабатывающего его сигнал. Этим требованиям отвечают твердотельные чувствительные элементы, а среда них наиболее перспективным для задач тече-искания является газоаналитический пьезорезонаненый сенсор. Поэтому изучение пьезорезонансного сенсора на аммиак и разработка на его основе различного течеискательного оборудования является актуальной научно-технической задачей. Настоящая работа направлена на решение этих вопросов.
Вопросы создания оборудования для контроля герметичности изделий машиностроения включены в Межвузовскую целевую комплексную программу работ на 1987 - 1990 годы по развитию неразрушающего контроля (приказ N 282 Минвуза СССР от 20.04. 87г.), в Комплексную научно-техническую программу на 1986 - 1990 годы (постановление N 543/226 ГКНТ СССР от 21.10.85г.), в Координационный план АН СССР по проблеме 1.3.9.
Целью работы является проведение теоретических и экспериментальных исследований пьезорезонансного газоаналитического сенсора, предназначенного для регистрании аммиака, а таюке схем тече-искания, улучшающих работу и повышающих эффективность его применения; разработка методики инженерных расчетов-/ разработка и промышленное внедрение течеискательных и газоаналитических устройстЕ на его основе.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-выполнена классификация твердотельных газоаналитическю сенсоров. В результате установлено, . что наиболее перспективны) чувствительным элементом для задач течеисканил является пьезоре-4
зонансный газоаналитический сенсор. Выполнен анализ сущаствухдцих газочувствительных покрытий пьезорезонансного сенсора на аммиак и установлено, что наиболее подходящими для решения задач течеиска-ния являются хелатные комплексы садицелиденэтаноламина с солями меди и никеля;
-осуществлено теоретическое исследование процесса детектирования утечки с помощью пьезорезонансного газоаналитического масс-чувствительного сенсора, путём рассмотрения работы электромеханической модели кварцевого резонатора. Показано, что для повышения чувствительности испытаний необходимо использовать кварцевые резонаторы AT - среза с частотами основного резонанса в пределах 10 - 15 МГц;
-выполнен анализ механизма работы пьезорезонансного сенсора с учётом задач контроля герметичности и установлено, что для регистрации утечки аммиака чувствительное покрытие необходимо наносить в количестве, эквивалентном снижению начальной частоты ре-зон-.тора на 0,5 - 1 %;
-предложена и исследована математическая модель процесса испытаний на герметичность с повышенной чувствительностью за счёт применения сорбционного накопительного элемента В результате использования системы дифференциальных уравнений динамики и кинетики апеорбции пробного газа адсорбентом установлены оптимальные условия использования сорбционного накопителя, заключающиеся в ослаблении эффекта размывания концентрационного фронта аммиака з адсорбенте и выборе оптимальных температуры десорбции и величины зерна адсорбента. Создано математическое обеспечение инженерных расчетов системы камера изделия - пьезорезояаиеный газоаналитический сенсор - сорбционный накопительный элемент;
-впервые установлена эффективность использования сорбционного накопительного элемента в системе камера изделия - сорбционный накопитель - пьезорезонансный сенсор и экспериментально подтверх-
дено повышение крутизны статической характеристики системы в восемь раз, а порога её чувствительности на три порядка;
-предложен и экспериментально исследован способ ускоренного восстановления исходной частоты пьезорезонансного сенсора, после воздействия на него чрезмерно высоких концентраций аммиака, путем конвективного теплового или импульсного высокочастотного воздействия на пьезорезонансный сенсор, позволяющий повысить точность и производительность испытаний;
-предложен подход к решению задачи локализации течей с учётом динамических свойств пьезорезонансного аммиачного сенсора, заключающийся в организации потока газа-носителя вдоль изделия и определении концентрации аммиака в газе-носителе с помощью пьезорезонансного сенсора и реализованный при локализации утечки из цилиндрического аммиаконаполненного изделия, имеющего продольный сварной шов;'
-предложена уточнённая методика параметрического контроля герметичности кварцевых резонаторов и фильтров, основанная.на уходе резонансной частоты этих элементов после выдержки во влаго-камере при повышенной температуре, что позволило сократить перебраковку таких изделий всдедствии дифференцированного подхода к величине допустимой утечки в зависимости от номинальной резонансной частоты контролируемого прибора;
-разработан щуповой автономный течеискатель аммиака, позво-ляющий повысить: чувствительность, надёжность и технологичность определения утечек из работающего аммиачного оборудования в условиях высокой фоновой концентрации аммиака;
Іфактическая ценность работы:
-разработана методика инженерных расчетов устройств создава-емых на базе пьезорезонансного чувствительного элемента;
-создана экспериментальная установка и методика исследований
работы системы пьезорезонансный газанаяитический сенсор - сорбци-б
онный накопитель;
-разработана методика камерной локализации утечки и установка для её реализации;
-предложен новый способ восстановления чувствительного элемента, улучшающий динамику работы сенсора, на который составлена заявка на изобретение и получена приоритетная справка от 22. 04.1Э92г.
-исследована и оценена эффективность методики параметрического контроля герметичности вакуумированных и газонаполненных кварцевых резонаторов.
-разработан и внедрён щуповой течеискатель аммиака ТА-1 и создан комплект технической документации для тиражирования тече-искателя.
-разработана система газоаналитического контроля состояния рабочей зоны холодильных камэр и машинного зала аммиачного промышленного холодильника.
Реализация в промышленности. Результаты исследований использованы при разработке щупового течеискателя аммиака ТА-1, предназначенного для поиска.чутечек аммиака из работающего аммиачного оборудования и аммиаконаполненных изделий, и в системе газоаналитического контроля воздуха рабочей зоны по аммиаку. Течеискатель внедрён на ГП "Капролактам,*г. Дзержинска и на Дзержинском мясокомбинате, имеющих мощное холодильное аммиачное оборудование.
Апробация работы. Основные положения защищаемой работы доложены на XII Всесоюзной научно-технической конференции по неразру-шаюшему контролю, Свердловск 1990г.; на научно-технической конференции молодых учёных и специалистов г.Дзержинска 1990г.; на научно-технической конференции "Управление качеством уплотнений и метрологическое обеспечение процессов механообработки" (г.Шнзз 1991 г.); на научно-технической конференции "Изтоды и средства испытаний промышленной трубопроводной арматуры"(г.Пенза 1992 г.);
на Всесоюзной конференции "Экология и проблемы герметичности" в г. Сергиев-Посад 1991г.; на Всероссийской выставке "Высшая школа России и конверсия" г. Мзсква 1993г.; а также на семинарах в ИФХ им. Писаржевского АН УССР в г. Киеве и г. Алуште 1990г.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубли-. ковано 8 научных статей и докладов.
Структура и объём работы, диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит 152 страниц текста, 45 рисунков, 12 таблиц. Список литературы 60 наименований. В приложении 2 акта внедрения.
Основные положения, представляемые к защите:
научно-методический подход к решению задач течеискания, основанный на принципе кварцевого микровзвешивания и позволяющий создать высокочувствительное и высокопроизводительное течеиска-тельное оборудование на базе пьезорезонансного сенсора;
способ накопления утечки пробного газа в сорбционном накопителе и математическую модель работы' системы пьезорезонансный газоаналигический сенсор - сорбционный накопительный элемент;
математическая модель дефектоскопического сигнала, получаемого при проведении камерной локализации утечки из аммиаконапол-ненного изделия, имеющего продольный сварной шов;
способ улучшения динамических свойств пьезорезонансного чувствительного элемента, основанный на заявке на изобретение;
методика инженерных расчётов и проектирования пьезорезонансного сенсора;
принципы построения и конструирования течеискательных и газоаналитических устройств на базе пьезорезонансного сенсора.
