Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время существует множество различных распределенных измерительных систем и систем управления, в том числе газоаналитических Распределенными газоаналитическими системами (далее - РГС) будем называть системы, предназначенные для аналитического контроля концентрации определяемых компонентов в разнесенных точках объекта контроля с централизованным выводом измерительной информации
По назначению среди РГС можно выделить системы безопасности, экологического мониторинга и технологического контроля РГС безопасности в свою очередь подразделяются на системы взрыво-, пожаро- и санитарной безопасности В работе наибольшее внимание уделено системам взрыво- и пожаробезопасное
Интересная инженерно-техническая задача возникает при разработке систем безопасности с территориально разнесенными датчиками, заключающаяся в метрологическом обеспечении канала измерения РГС без проведения каких-либо настроечных операций по месту
Актуальной задачей является совершенствование существующих и разработка новых сенсоров водорода В системах взрывобезопасности требуется измерение концентраций веществ на уровне 10 % НКПР, что соответствует 0,1 - 0,4 % об В настоящее время для этих задах широко применяются термохимические сенсоры Однако они отравляются хлоро- и серосодержащими примесями, поэтому имеют ограниченную область применения Высокая рабочая температура и отравляющие примеси ограничивают их срок службы Альтернативным решением для задач взрывобезопасности при обнаружении утечек водорода на объектах водородной и ядерной энергетики в качестве аналитической базы могут служить термокондуктометрические сенсоры, выполненные с использованием микроэлектронных технологий
Для обеспечения пожарной безопасности помещений перспективным является использование систем раннего обнаружения пожароопасной ситуации, основанных на контроле химического состава воздуха Характерными предвестниками пожароопасной ситуации является увеличение содержания в воздухе водорода Н2 и оксида углерода СО до уровня нескольких десятков ррт
Цель работы. Целью работы является исследование методов проектирования распределенных газоаналитических систем, аналитических измерительных преобразователей, влияния особенностей обеспечения метрологических характеристик канала измерения на его структуру и разработка РГС обеспечения взрыво- и пожаробезопасности
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи
выявить методы построения РГС, исследовать различные структуры систем,
рассмотреть особенности обеспечения метрологических характеристик канала измерения РГС,
сформулировать требования к аналитическим измерительным преобразова-
телям РГС, оценить перспективы применения в качестве первичных измерительных преобразователей (ПИП) твердотельных сенсоров,
оценить перспективность использования в РГС аналитических измерительных преобразователей на базе твердотельного термокондуктометрического и потенциометрического газового сенсора, принцип работы которого основан на низкотемпературной ионной проводимости,
исследовать возможность улучшения динамических характеристик измерительного канала РГС
Методы исследования В диссертационной работе для решения поставленных задач использованы методы системного анализа, математического моделирования и экспериментального исследования метрологических характеристик газоаналитических устройств
Научная новизна. На основе анализа методов проектирования распределенных газоаналитических систем предложена структура системы, метрологически обеспечивающая ее измерительные каналы без проведения настроечных операций по месту эксплуатации, в качестве перспективных ПИП предложены твердотельные сенсоры, а также показана возможность использования для задач РГС существующих протоколов информационных промышленных сетей
Предложено зависимость коэффициента теплопроводности от состава рассматривать в виде суммы двух составляющих линейной зависимости и функции прогиба Показано, что функция прогиба с высокой точностью аппроксимируется гиперболической функцией, зависящей от двух параметров Гиперболическая функция аппроксимации, в отличие от традиционно используемого уравнения Васильевой, гораздо удобнее для математического анализа, существует алгоритм однозначного определения значений ее коэффициентов, а также она описывает зависимость теплопроводности смеси от состава при любом расположении экстремума
Предложена математическая модель для термокондуктометрических преобразователей на основе проволочных и тонкопленочных (твердотельных) сенсоров, учитывающая концевые потери чувствительного элемента - терморезистора Показано, что доля концевых потерь однозначно определяется безразмерным критерием, значение которого зависит от геометрических размеров терморезистора и камеры, теплопроводности материала терморезистора и теплопроводности газа
На основании предложенной математической модели получено выражение статической характеристики термокондуктометрического преобразователя, выполненного с использованием схемы уравновешенного моста
Практическая ценность. Разработана структура распределенной газоаналитической системы обеспечения взрыво- и пожаробезопасности объектов специального назначения РГС-07, а также комплект конструкторской доку-
ментации для серийного выпуска ее структурных блоков
Разработана методика, позволяющая экспериментально определить долю концевых потерь тепла термокондуктометрического чувствительного элемента
Проведены исследования характеристик потенциометрических газовых сенсоров на основе низкотемпературной ионной проводимости и показана их высокая чувствительность к водороду
Разработаны алгоритм работы и программное обеспечение, позволяющие улучшить динамические характеристики измерительного канала РГС за счет увеличения погрешности
Созданы методические указания для расчета уравновешенного моста термокондуктометрического газоанализатора
Реализация Рассмотренные твердотельные термокондуктометрические сенсоры используются в качестве ПИП в газоанализаторах ИВА-IB, ВХЛІ-4, которые обладают высокими метрологическими характеристиками, выпускаются серийно и используются для измерения концентрации диоксида серы на производстве серной кислоты и хлора в технологических газах хлорных производств
Разработана и изготовлена пневматическая установка разбавления, позволяющая получать смеси газов и паров с различной концентрацией Данная установка была использована при проведении испытаний термохимического аналитического преобразователя и потенциометрического газового сенсора на основе низкотемпературной ионной проводимости
Изготовлен и испытан опытный образец системы РГС-07, содержащий шесть аналитических преобразователей (термохимических и электрохимических)
Материалы диссертации использованы при чтении курса лекций «Расчет и проектирование анализаторов»
Публикации Основные положения диссертационной работы изложены в восьми печатных работах, в т ч в одном журнале, рекомендованном ВАК
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на XVIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Казань, 2005 г), Международной конференции «Аналитические методы измерений и приборы в пищевой промышленности» (Москва, 2006 г) и научных конференциях МГУИЭ в 2004 и 2007 г г
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, изложенных на 198 страницах, иллюстрирована 39 рисунками, содержит 16 таблиц, список литературы, включающий ' 16 наименований, 6 приложений
