Введение к работе
Актуальность темы. Надежность и долговечность многих видов современных изделий определяется качеством их герметизации, что привело к разработке многочисленных методов контроля герметичности. Высокочувствительные методы контроля герметичности изделия с помощью контрольных газов, например гелия и аргона, нашли широкое применение в промышленности. Однако они не пригодны для контроля герметичности изделий, заполненных предельным углеводородом. Во первых, потому, что баллон герметичный по отношение к контрольному газу может быть негерметичен по отношению к рабочему вследствие значительной разности активных диаметров молекул рабочего и контрольного вещества, а также различных условий работы баллона и его условий испытания. Во вторых, после заполнения баллона рабочим веществом может возникнуть утечка рабочего газа в зоне герметизации баллона. Поэтому возникает необходимость разработки метода контроля утечки именно рабочего вещества.
Предельные углеводороды (метан, этан, пропан, бутан) и их смеси широко применяются в промышленности: ими заполняют баллоны манометрических термометров, термодатчиков, они входят в состав газовой смеси для заполнения счетчиков рентгеновского излучения, газоразрядных ламп, в быту используются как топливо. В процессе утечки газа при заполнении различных баллонов, а также в результате плохой их герметизации возможно накопление в воздухе углеводородов в количестве, превышающем их предельно - допустимую концентрацию (ГЩК - О.бХоб) и создающем взрывоопасную обстановку (нижний предел вэрывоопасности 2,1 - 5,0 %об). длительное воздействие предельных углеводородов на человеческий организм приводит к нарушению работы системы кровообращения, даже при их концентрациях значительно ниже ГЩК.
Нарушение герметичности резервуаров, заполненных углеводородами, приводит к значительному снижению надежности и ресурса работы приборов и систем, в которые они входят. Операция контроля утечки вещества заполнения из баллона является неотъемлемым этапом производства герметезируемого резервуара. Так как срок службы таких приборов достигает десяти и более лет, то даже незначительная утечка может привести к преждевременному отказу изделий.
Поэтому разработка метода и средства контроля утечек угле-
водородов иг заполненных ими баллонов является актуальной задачей.
Для контроля взрывоопасных концентраций углеводородов в воздухе испольвуются термохимические, термокондуктометрические. ад-сорбционно - полупроводниковые газоанализаторы, имеющие чувствительность не менее О.ІХоб по метану, 0,5 Хоб по пропану.
Более чувствительным методом (1СГ7 Хоб) определения этих газов в воздухе является метод, основанный на газожидкостной хроматографии с использованием ионизационных детекторов. Данный метод сложен в реализации, трудоемок, процесс анализа длится не менее 3-х часов, требует обработки хроматограмм с помощью вычислительной техники.
Высокочувствительный спектральный анализ состава воздуха по его оптическим спектрам и масс-спектрометрический анализ применяются только для научных исследований, так как для практического использования они сложны, требуют высокой квалификации обслуживающего персонала и использования дорогостоящего оборудования.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что существующие методы обнаружения углеводородов в воздухе либо сложны в реализации, либо не удовлетворяют по чувствительности и использовать их в средствах контроля герметичности баллонов на производстве нецелесообразно.
Целью работы является разработка метода контроля утечки углеводородов чувствительностью не менее 7,7х10-э Вт, а также разработка простого и надежного автоматизированного средства контроля герметичности газонаполненных баллонов.
Этапы выполнения работы и основные её задачи:
проведение анализа требований, предъявляемых к методу контроля утечек углеводородов, с целью уточнения необходимых предела обнаружения, чувствительности и точности метода;
проведение анализа существующих универсальных методов обнаружения утечек вещества, а также методов детектирования предельных углеводородов с целью выбора наиболее предпочтительного для использования в автоматических устройствах контроля герметичности газонаполненных баллонов;
изучение химических реакций углеводородов с целью определения возможности их использования в качестве вспомогательной операции, повышающей чувствительность метода контроля герметичности баллонов, заполненных углеводородами, и выбор оптимального
реагента;
теоретическое исследование метода определения утечек углеводородов по изменению оптической плотности раствора реагента в результате вступления его в фотохимическую реакцию с определяемш газом;
разработка математической модели физико-химического процесса, протекающего при натечке предельных углеводородов в раствор реагента;
экспериментальное исследование зависимости между известной утечкой предельного углеводорода из калиброванной течи и изменением оптической плотности раствора реагента с целью подтверждения возможности использования предложенного метода для контроля герметичности газонаполненных баллонов;
разработка структурной схемы автоматизированного средства контроля герметичности конца капиллярной трубки термосистемы датчика реле-температур;
экспериментальная проверка разработанного метода с целью уточнения его метрологических характеристик.
Методы и средства исследования. В теоретической части работы используются основные положения ваконов молекулярной физики, термодинамики и квантовой оптики, а также физической и органической химии, в том числе 1-ый и 2-ой законы фотохимии Гроттоуса и Дреп-пера, законы светопоглощения Бугера-Ламберта и Бера.
Экспериментальные исследования проведены с помощью лабораторного оборудования для химического анализа веществ, электронных приборов, в том числе фотоэлектроколориметра КФК-2, спектрофотометра ОФ-46, рН-метра рН-673, двухпозиционного измерительного прибора ДИП-1, газохромагографа "цвет-2", секундомера, а также специально созданных приспособлений.
Научная новизна работы заключается в следующем:
проведена классификация газоаналитических методов детектирования предельных углеводородов;
предложен новый метод контроля герметичности изделий, заполненных предельными углеводородами с помощью вспомогательной химической реакции;
на основании результатов спектрофотометрических исследований экспериментально установлена зависимость между скоростью изменения оптической плотности раствора реагента и утечкой предель-
ного углеводорода;
разработана математическая модель предложенного процесса, связывающего кинетические параметры выбранной химической реакции с утечкой;
разработан метод и структурная схема автоматизированного устройства для контроля герметичности баллонов, заполненных предельными углеводородами.
Практическую ценность работы составляют:
разработанный метод контроля герметичности изделий, заполненных предельными углеводородами, отличающийся простотой, достаточной чувствительностью и точностью, позволяющий создать автоматизированное устройство контроля герметичности;
экспериментально установленная зависимость между скоростью изменения оптической плотности раствора реагента и утечкой предельного углеводорода;
разработанная структурная схема устройства контроля герметичности баллона термосистеиы, заполненного пропаном;
- методика проведения контроля герметичности конца капиллярной трубки баллона термосистемы.
Реализация и внедрение результатов исследований. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в диссертационной работе, в соответствии с заключенным договором переданы АО "Орлэкс", на основе которых последнее разрабатало установку контроля герметичности баллона термосистемы.
Апробация работы. Основные результаты работы были обсуждены и одобрены на 12-и научно-технических конференциях, в том числе на: Всероссийской научно-технической конференции "Состояние и проблемы технических измерений" МГТУ им.Баумана, Москва 1994г., Международном конгрессе "Молодежь и наука - третье тысячелетие" МГТУ им.Баумана, Москва 1996г., научно-технической конференции "Диагностика, информатика, метрология, экология, безопасность -96" ГТУ, Санкт-Петербург, июнь 1996г., Международной технической конференции "Молодая наука - новому тысячелетию". Набережные Челны, 1996г., Международном симпозиуме "Техника и технология экологически чистых химических производств" ГАХМ, Москва. 1997г., Всероссийской научно-техничкой конференции "Методы и средства измерений физических величия", Н.Новгород, июнь 1997г., а также на 5-й научно - технических конференциях в Орловском государствен-
ном техническом университете.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ, получен патент на изобретение и положительное решения о выдаче патента.
На защиту выносятся:
фотоэлектрический метод определения утечки углеводородов по изменению оптической плотности раствора реагента, обладающий высокой чувствительностью, точностью, простотой реализации, а также легко поддающийся автоматизации;
выбор в качестве оптимального реагента водного раствора брома;
результаты спектрофогометрических исследований индикаторного раствора реагента, определяющие оптимальные условия проведения измерений: мощность и диапазон длин волн облучающего электромагнитного излучения, время накопления, диапазон концентраций реагента, кислотность раствора, площадь гетерогенного контакта с воздухом рабочей зоны;
математическая модель процесса бромирования предельных углеводородов, составленная на основании законов кинетики органических реакций и молекулярно-кинетической теории жидкости и газа;
результаты спектрофотометрических исследований зависимости скорости изменения оптической плотности раствора брома от утечки углеводорода, показавшие работоспособность фотоэлектрического метода;
схема устройства контроля герметичности баллона термосистемы, заполненного пропаном.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 170 страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков и 27 таблиц. Состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников, включающего 160 наименований работ отечественных и зарубежных авторов, а также приложений на 24-х страницах.
