Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор способов контроля взрывоопасности многокомпонентных газовых сред и задачи работы 9
1.1. Общие положения 9
1.2. Электрохимические сенсоры 12
1.3. Приборы на основе оптического спектрального анализа 14
1.4. Методы селективного определения концентраций горючих газов на полупроводниковых сенсорах 17
1.5. Способы определения взрывоопасности смеси горючих газов с помощью термокаталитического сенсора 20
1.6. Мультисенсорные измерительные приборы 22
1.7. Выводы по главе 25
2. Разработка способа определения интегральной взрывоопасности смеси горючих газов 27
2.1. Физико-химические процессы на термокаталитическом сенсоре 27
2.2. Разработка планарных термокаталитических сенсоров 31
2.3. Анализ существующих решений в области интегрального определения взрывоопасности 35
2.4. Исследование переходных процессов на каталитическом сенсоре 42
2.5. Моделирование процессов натекания исследуемых газовых смесей в реакционную камеру 49
2.6. Исследование работы сенсора в импульсном режиме 60
2.7. Выводы по главе 77
3. Экспериментальные исследования способа интегрального определения взрывоопасности смеси горючих газов 78
3.1. Описание измерительного стенда и использованные материалы 78
3.2. Результаты эксперимента и обсуждение результатов 82
3.3. Выводы по главе 95
4. Конструктивно-технологические принципы создания эксплозиметра – устройства для контроля взрывоопасности смеси горючих газов 96
4.1. Определение основных требований к устройству 96
4.2. Подбор элементной базы 99
4.3. Базовый алгоритм с суммированием 106
4.4. Разработка электрической схемы 109
4.5. Конструкция и технология изготовления блока устройства 112
4.6. Выводы по главе 116
5. Перспективы использования разработанного способа в беспроводных сенсорных сетях 117
Заключение 125
Список литературы
- Методы селективного определения концентраций горючих газов на полупроводниковых сенсорах
- Мультисенсорные измерительные приборы
- Анализ существующих решений в области интегрального определения взрывоопасности
- Разработка электрической схемы
Введение к работе
Актуальность темы
На территории России находится более ста тысяч экологически опасных объектов, сотни тысяч километров нефтегазовых трубопроводов. Год от года наблюдается рост числа людей работающих в загрязнённой атмосфере, растёт насыщенность территории России промышленными объектами, использующими токсичные, горючие и взрывоопасные вещества. Кроме того, углеводороды широко применяются в производстве микроэлектроники.
В технологических процессах, связанных с добычей, транспортировкой, переработкой, получением, хранением и применением горючих газов (ГГ) и легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ), всегда имеется опасность образования взрывоопасных газо- и паровоздушных смесей.
Причинами взрывов наиболее часто является нарушение правил безопасной эксплуатации оборудования, утечки газов в соединениях, перегрев аппаратов, чрезмерной повышение давления, отсутствие надлежащего контроля за технологическим процессом, разрыв или поломка деталей оборудования и др.
Поэтому задача предупреждения и предотвращения опасных ситуаций, связанных с наличием горючих газов в атмосфере, является актуальной и своевременной, требует тщательной проработки, применения современных методов и средств контроля концентраций опасных газов. Качественной характеристикой является взрывоопасность – совокупность факторов, обусловливающих возможность образования взрывоопасной среды в объеме, превышающем 5% свободного объема помещения, и её воспламенения. Такими факторами служат горючее вещество, окислитель и источник воспламенения. Понятие взрыво-опасности относится к объектам, в которых возможны образование газо-, паро-или пылевоздушной взрывоопасной среды и взрыв, приводящие к их разрушению.
Газовоздушные смеси воспламеняются (взрываются) только тогда, когда содержание газа в смеси находится между нижним (НКПР) и верхним (ВКПР)
концентрационным пределом воспламеняемости, соответственно. Количественной характеристикой является степень взрывоопасности - концентрация горючих газов от нуля, до нижнего предела взрываемости, выражаемая в %НКПР.
Таким образом, в настоящее время задача контроля взрывоопасности атмосферы жилых помещений и предприятий является актуальной. Для её решения необходимо разработать способ интегрального определения степени взрывоопасности атмосферы и на его основе разработать эксплозиметр - прибор для контроля взрывоопасности атмосферы.
В данной работе для определения концентрации горючих газов и последующего создания эксплозиметра выбраны термокаталитические сенсоры. Для разработки эксплозиметра, в первую очередь, нужно исследовать механизм сгорания газовой смеси в реакционной камере термокаталитического сенсора, разработать способ определения интегральной взрывоопасности атмосферы и провести исследования многокомпонентных газовых смесей различного состава.
Цель диссертационной работы. Разработка эксплозиметра - прибора для контроля интегральной взрывоопасности атмосферы.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
Разработка и создание измерительного стенда;
Разработка способа интегральной взрывоопасности атмосферы;
Исследование переходных процессов, протекающих на каталитических сенсорах, работающих в импульсном режиме;
Определение критериев оптимизации параметров каталитического сенсора;
Разработка схемотехнических, конструктивно-технологических принципов создания эксплозиметра, алгоритмов и программного обеспечения.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
-
Показана возможность создания планарных термокаталитических сенсоров на подложке из пористого анодного оксида алюминия с напылением платинового нагревателя в виде меандра.
-
Построена математическая модель процесса нагрева чувствительного элемента сенсора и заполнения реакционной камеры при ограниченной диффузии.
-
Исследован импульсный режим работы сенсора в схеме без сравнительного чувствительного элемента. Показан способ компенсации влияния температуры окружающей среды.
-
Исследовано влияние диффузионного ограничения на концентрацию горючих компонентов в реакционной камере в процессе работы чувствительного элемента.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались: экспериментальные исследования в лабораторных и эксплуатационных условиях; математическое моделирование с использованием теории электрических цепей, численных методов и их реализаций в виде программ на ЭВМ.
Научные положения, выносимые на защиту.
-
Степень взрывоопасности среды определяется путём интегрального измерения напряжения на чувствительном элементе, работающем в импульсном режиме, которое пропорционально количеству тепла, выделяющегося при выгорании газовой смеси в реакционной камере каталитического сенсора.
-
Реакционная камера с диффузионным ограничением переноса горючих газов внутрь камеры, обеспечивающая скорость выгорания горючих компонентов много больше скорости натекания, обеспечивает полноту выгорания газовой смеси в импульсном режиме работы.
3) Расширение диапазона измеряемых компонентов, скорость
и энергоэффективность измерений обеспечивается за счет применения мало-
5
инерционных чувствительных элементов и применением многостадийного импульсного режима измерений.
Достоверность результатов. Достоверность полученных результатов достигается использованием апробированных физических моделей и применением математических методов, применением современных методов и вычислительных средств, сравнением результатов моделирования с экспериментальными данными.
Практическая ценность работы. Разработанный прибор позволяет определять интегральную взрывоопасность смеси горючих и, как следствие, использоваться в системах предотвращения аварийных ситуаций в быту и на производстве совместно с исполнительными устройствами. Схема включения сенсора без сравнительного элемента в импульсном режиме работы может быть использована в автономных беспроводных сенсорных сетях.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. В данной диссертационной работе отражено создание оборудования для производства материалов, полупроводников и приборов электронной техники. Разработанное оборудование повышает безопасность технологических процессов производства. В работе проведены научные и технические исследования и разработки в области конструирования, технологии, моделирования, измерения характеристик материалов электронной техники.
Реализация результатов работы. Разработан и произведён опытный образец эксплозиметра. Получен патент на полезную модель. Результаты работы внедрены в ООО «НТЦ ИГД».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной Молодёжной Конференции «XXXVI Гагаринские Чтения»; Международной Молодёжной Конференции «XXXIX Гагаринские Чтения»; XIX Международная научно-практическая конференция "Наука вчера, сегодня, завтра", XXIX Международная выставка «Eurosensors 2015», Международная конференция Environmental, Energy and
Structural Monitoring Systems (EESMS) 2015.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 научные статьи в рецензируемых изданиях, входящих в перечень рекомендованных ВАК при Минобрнауки России. 4 статьи были опубликованы в зарубежных изданиях, входящих в систему цитирования Scopus. 5 статей были опубликованы в прочих изданиях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 136 страницах машинописного текста, списка литературы из 92 наименований, приложений на 2 стр. и содержит 62 рисунка и 10 таблиц.
Методы селективного определения концентраций горючих газов на полупроводниковых сенсорах
В 1957 году А.Н. Баратовым была высказана возможность интегрального измерения содержания горючих газов и паров в воздухе [1]. Основная идея состоит в одинаковости теплового эффекта реакции горения различных газов при равных концентрациях в %НКПР.
В приложении 1 приведена таблица теплового эффекта реакции сгорания различных газов. Как следует из таблицы, значения СНКПР Q равны 9,792±0,832. При определении концентрации горючего газа или их смеси значение СНКПР Q принято одинаковым для всех горючих газов, в среднем равным 9,79, что не оказывает существенного влияния на установление наличия или отсутствия взрывоопасности многокомпонентных смесей на основе полученных результатов определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде.
Для термокаталитического сенсора в настоящее время известны следующие способы интегрального измерения многокомпонентных газовых смесей.
Известен способ определения концентрации горючих газов в кислородсодержащей среде, заключающийся в измерении теплового эффекта реакции окисления горючего компонента на поверхности каталитически активного ЧЭ, соединенного последовательно с пассивным компенсационным элементом, идентичным ЧЭ по теплофизическим параметрам; регулировкой тока питания в последовательной цепи чувствительного и компенсационного элементов поддерживают температуру компенсационного элемента на постоянном уровне [39].
В данном устройстве непрерывно работают оба элемента, что обуславливает большое энергопотребление. Наличие механической модуляции света, излучаемого ЧЭ и компенсационным элементом посредством электродвигателя с обтюратором, существенно усложняет способ, приводит к дополнительному расходу электроэнергии и снижает надежность конструкции, служащей для реализации способа; кроме того, данный способ требует постоянной продувки реакционной камеры, а также светоизоляции.
Известен также способ определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде, заключающийся в том, что термокаталитический элемент помещают в измерительную камеру, содержащую анализируемую газовую смесь, и подают на него импульсы тока, нагревая его до заданной температуры и уменьшая длительность импульсов до установления начального значения температуры; цикл измерения производят при подаче одного импульса, при чём нагрев ведут в термоударном режиме до температуры выше температуры активации катализатора, а после нагревательного импульса на термокаталитический элемент дополнительно подают зондирующий импульс, по амплитуде и длительности меньший, чем нагревательный, регистрируют изменение амплитуды напряжения на термокаталитическом элементе во время подачи зондирующего импульса, многократно повторяют цикл измерения и по результатам совокупных измерений судят о концентрации компонентов смеси [40].
Этот способ более прост в реализации и позволяет несколько уменьшить энергопотребление в сравнении со способом [39]. Однако весьма серьезным недостатком данного способа является подача нагревательных импульсов в термоударном режиме, что ведет к ускоренному выходу термокаталитических элементов (ТКЭ) из строя; кроме того, термоударный режим нагрева ТКЭ обусловливает практически мгновенное образование нагретого газового пограничного слоя вокруг ТКЭ, что приводит к значительному изменению крутизны градировочных характеристик выходного сигнала ТКЭ в зависимости от концентрации горючих газов, выраженной в %НКПР, при различной молекулярной массе анализируемых горючих газов. Этот разброс значений крутизны указанных характеристик можно объяснить тем, что в нагретом газовом пограничном слое вокруг ТКЭ происходит образование каталитически активных веществ, являющихся продуктом разложения анализируемого горючего газа; эти вещества обусловливают быстрое окисление части анализируемых горючих газов вне контакта с поверхностью ТКЭ, что приводит к потере тепла ТКЭ и, соответственно, к снижению выходного сигнала от ТКЭ. Таким образом, способ можно использовать для определения степени взрывоопасности только какого-либо одного горючего газа в кислородосодержащей среде. Это обстоятельство свойственно не только указанному выше способу по [40], но и всем другим известным способам определения концентраций горючих газов в кислородосодержащей среде с использованием ТКЭ, например [42]. Для каталитических ЧЭ имеет место весьма большой разброс крутизны статических характеристик выходного сигнала в случае анализа газов с различной молекулярной массой. Все современные газоанализаторы имеют градуировку по одному определенному горючему газу (как правило, метану). Для определения концентраций остальных горючих газов необходимо менять чувствительность газоанализатора или осуществлять пересчёт. Определение степени взрывоопасности многокомпонентных газовых сред, включающих горючие компоненты, значительно отличающиеся по молекулярной массе, с помощью как указанного способа, так и других известных способов невозможно. Кроме того, к числу недостатков данного способа относится то обстоятельство, что для его реализации необходимо использование не менее двух ТКЭ, работающих в непрерывном режиме питания; это не позволяет создавать портативные приборы с длительным временем непрерывной работы. Например, время непрерывной работы газоанализатора СГГ-4М (Россия) при габаритных размерах 150x55x188 мм и массе 1,8 кг составляет 4-8 часов, а газоанализатора метана GP-82 (Япония) при габаритных размерах 78x142x26 мм и массе 310 г - не более 6 часов.
Известен способ определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде, который обеспечивает возможность определения интегральной взрывоопасности многокомпонентных газовых сред, включающих горючие компоненты, значительно отличающиеся по молекулярной массе, а также позволяет решить задачу увеличения срока службы ТКЭ и уменьшения энергопотребления, что увеличивает время непрерывной работы приборов, реализующих способ [38].
Указанный способ определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде заключается в том, что термокаталитический элемент помещают в измерительную камеру и подают на него импульсы электрического тока, предварительно измеряют значение сопротивления Rzo-i термокаталитического элемента в момент времени в интервале от т0 до ті, где т0 -момент времени до начала подачи импульса электрического тока, ті - момент времени до начала реакции окисления горючих газов на поверхности ТКЭ, а также значение сопротивления термокаталитического элемента в момент времени в интервале от ті до т2, где т2 - момент времени до начала образования нагретого газового пограничного слоя вокруг термокаталитического элемента, в который прекращают подачу импульса электрического тока, затем определяют постоянный коэффициент К = RTI-2/RTO-I, после этого измеряют текущее значение сопротивления Rui термокаталитического элемента в момент времени т2, текущее значение сопротивления RT2 термокаталитического элемента в момент времени Т2, определяют значение сопротивления R = KR, термокаталитического элемента в момент времени т2 при отсутствии в кислородосодержащей среде горючих газов, затем определяют ARc2 = RT2 - R и по величине ART2 судят о значении концентрации газов в кислородосодержащей среде.
Мультисенсорные измерительные приборы
В этой части работы будут рассмотрены существующие и разрабатываемые способы измерений концентрации горючих газов в анализируемой атмосфере при работе сенсора в динамическом режиме с отказом от использования сравнительного элемента и введением компенсации влияния изменения влажности и температуры за счет анализа организованных переходных процессов изменения температуры сенсора.
1.Электрическая схема, замещающая измерительный мост Уитстона.
См. рисунок 2.17. Сенсор устанавливается в цепь стабилизатора напряжения или стабилизатора тока, собранного на операционном усилителе ОУ1. Напряжение питания задается цифро-аналоговым преобразователем ЦАП1. Последовательно с сенсором установлен прецизионный резистор, соединённый с землей. Таким образом, падение напряжение на резисторе будет пропорционально току, протекающему в цепи резистор-сенсор. Изменение падения напряжения на резисторе свидетельствует об изменении сопротивления сенсора, а, следовательно, и об изменении измеряемой концентрации горючего газа. Исходя из этого, сигнал пропорциональный измеряемой концентрации снимается с резистора и подается на вход блока формирования и усиления сигнала. Напряжение смещения ОУ2 задается ЦАП2 таким образом, чтобы при 0 концентрации выходной сигнал ОУ2 соответствовал примерно 100мВ. Вид выходного сигнала при работе сенсора в 2% концентрации метана приведен на рисунке выходная характеристика сенсора при подаче 2% об. долей метана.t1 – начало реакции, t2 – пик выгорания, t3 – установившееся значение. Поскольку в схеме задействован только один рабочий элемент, статическое потребление энергии снизится примерно в 2 раза по сравнению с мостовой схемой, где задействован и рабочий и сравнительный элементы.
Следует учесть, что отсутствие сравнительного элемента скажется на выходном сигнале схемы при изменении температуры и влажности, поэтому в статическом режиме, без организации работы сенсора в динамическом режиме, такая схема не работоспособна.
Динамический дифференциальный метод измерения концентрации горючих газов в анализируемой атмосфере основанный на анализе переходного процесса выгорания горючего газа в реакционной камере сенсора.
Используется схема измерения, описанная выше в пп.1, работающая в режиме стабилизации напряжения. Реализация динамического режима работы сенсора осуществляется путём импульсного питания чувствительного элемента, размещенного в реакционной камере с ограниченным доступом диффузионного потока анализируемой метано-воздушной смеси через газообменный фильтр, калиброванное отверстие, капилляр и тому подобные средства и приёмы ограничения доступа. Импульс напряжения нагревателя чувствительного элемента, в течение которого производится нагрев до рабочей температуры выгорания метана и снятия информации, чередуется с паузой, в течение которой при снятом импульсе напряжения, происходит выравнивание концентраций метана между анализируемой атмосферой и реакционной камерой, в которой во время импульса часть метана выгорает. После установления газового равновесия цикл завершается, на чувствительный элемент вновь подается импульс, и начинается очередной цикл. Временная диаграмма, иллюстрирующая метод, приведена на рисунке 2.19, выходной сигнал на рисунке 2.20 (1% CH4). За выходной сигнал принимают разницу напряжений в двух разнесённых во времени точках переходного процесса выгорания метана в реакционной камере сенсора.
Дифференциальность этого метода позволяет не только нивелировать влияние изменения окружающей влажности и температуры, заменяя сравнительный элемент, но и сократить дрейф нулевых показаний, существенно улучшая метрологические характеристики термокаталитического сенсора. Действительно, если по какой либо внешней причине (влажность, температура и т.п.) значение напряжения U1 изменилось, то по тем же причинам U2 изменится на ту же величину и, при вычитании, изменения компенсируются. В конце XX века ряд приборов (МСТ01 производства НТЦ ИГД, МХ2100 производства Oldham, Франция) работали, используя этот метод измерения. Приборы имели небывало малогабаритный по тем временам блок питания, что делало их конкурентно способными на рынке. Однако вследствие перечисленных ниже недостатков, массовое производство этих приборов было свернуто.
Для получения выходного сигнала необходимо включение сенсора как минимум на 2000мс, таким образом, исходя из требований обновления измерительной информации 1 раз в 15 секунд, потребляемая стандартным термокаталитическим сенсором мощность составит около 10 мВт, по сравнению со 170 мВт в мостовой измерительной схеме и статическом режиме. Это неплохо, но недостаточно для создания устройств и систем, способных проработать от одной батарейки длительный срок.
Переход на динамический режим работы сенсора с частыми включениями -выключениями приводит к быстрому износу нагревательного элемента из-за пиковых токов вызывающих термо-электродиффузию материала нагревателя. Поэтому метод требует применения специальных сенсоров, где нагреватель защищён защитным покрытием.
К недостаткам метода необходимо добавить тенденцию к смещению зоны выгорания в сторону увеличения времени, что вынуждает разработчиков увеличивать время включения датчика, уменьшая достигнутые преимущества в энергопотреблении.
3. Динамический дифференциальный метод измерения концентрации горючих газов в анализируемой атмосфере с компенсацией влияния изменения влажности и изменения температуры окружающей среды на основе анализа переходного процесса нагрева термокаталитического сенсора до рабочей температуры.
Используется схема измерения, описанная выше, в пп.1. Реализация динамического режима работы датчика осуществляется путём импульсного питания чувствительного элемента, где импульс напряжения, обеспечивающий нагрев до рабочей температуры, при которой происходит диффузионное горение горючего газа на поверхности катализатора, чередуется с паузой, во время которой элемент остывает до температуры окружающей среды. За выходной сигнал принимают разницу двух разнесённых по времени точек переходного процесса нагрева элемента. Первая точка выбирается при температуре сенсора не поддерживающей горение, вторая при температуре диффузионного горения на катализаторе. Метод проиллюстрирован на рисунке 2.21, на рисунке 2.22 – вид выходного сигнала для пяти разных по массе элементов. Идея метода состоит в том, что при температуре ниже начала горения горючих газов t1 – 200С, (500мс) на сенсор влияют внешние воздействия (влажность, температура окружающей среды, и т.п.), а при рабочей температуре t2 – 450С (4с) к внешним факторам добавляется активный сигнал от горения содержащегося в атмосфере горючего газа. При вычитании внешние влияния компенсируются, оставляя влияние горения в чистом виде. SИ=U2(t2) – U1(t1) (2.41) Следует учесть, что выходной сигнал S0 вычисленный при 0 концентрации не равен 0, поэтому из измеряемого SИ следует вычесть калибровочное значение S0. S=SИ – S0 (2.42)
Анализ существующих решений в области интегрального определения взрывоопасности
В данной главе проведено исследование термокаталитического сенсора в импульсном режиме работы и включением его в цепь измерений без сравнительного элемента. Главным преимуществом каталитических сенсоров является их селективность к горючим газам, что позволяет применять их для определения интегральной взрывоопасности атмосферы.
При работе в импульсном режиме с ограничением натекания газов внутрь реакционной камеры, выходной сигнал увеличивается до максимума, а затем спадает до некоторого значения. Количество тепла, выделившееся за счёт окисления горючих компонентов на поверхности чувствительного элемента, пропорционально концентрации горючих газов по шкале НКПР, и пропорционально площади под кривой выходного сигнала. Таким образом, для определения концентрации горючих газов необходимо непрерывно измерять напряжение на рабочем элементе в течение цикла измерений и затем сравнить это значение с калиброванным.
Для обеспечения полноты сгорания газовой смеси, камеру необходимо закрыть на момент включения питания. Однако, подобные клапаны очень трудно реализовать, поэтому было принято решение ограничить диффузию внутрь реакционной камеры путём задания отверстия в стенке реакционной камеры. Подобный подход позволяет значительно улучшить точность измерений.
Переход к схеме включения без сравнительного элемента обеспечивает меньшее энергопотребление, но осложняется исключением компенсации внешних условий: температуры и влажности. Применение сложного профиля нагрева чувствительного элемента позволяет компенсировать отсутствие сравнительного элемента, используя рабочий элемент в качестве опорного. А используя температурную коррекцию, применяя внешний датчик температуры, возможно улучшить точность по сравнению с классической схемой моста
Для проведения эксперимента были изготовлены десять каталитических сенсоров производства «НТЦ ИГД» с изначальными чувствительностями 25-40 мВ/%СН4. Сенсоры используются с калиброванными отверстиями, описанными в главе 2.5 настоящей работы.
Схема тестового стенда представлена на рисунке 3.1. Схема состоит из (1) микроконтроллера ADuC831, имеющего два 12-битных ЦАП и 8-канального 12-битного АЦП. Один канал ЦАП используется для задания напряжения питания сенсора. Второй канал ЦАП подключается к инвертирующему входу ОУ AD8532. Формирователь напряжения питания ЧЭ выполнен на основе (2) операционного усилителя AD8532 в виде токовой петли. (3) В измерительной части постоянный резистор и рабочий установлены последовательно. (4) Усилительная часть собрана на ОУ AD8532, работающего в режиме дифференциального усиления. Управление схемой производится с помощью микроконтроллера ADuC831. Питание схемы осуществляется стабилизатором ADP3335. В качестве системы сбора данных использовалась плата L-791 производства L-card. Она имеет 32 входных аналоговых канала с 14-битными АЦП и частотой дискретизации 400 кГц [44]. Система сбора данных L-791 совместно с ПО Lgraph2 позволяет задавать питающее напряжение, а также измерять напряжения в диапазонах ±10 В, ±5 В, ±2,5 В, ±1,25 В, ±0,6 В, ±0,3 В, ±0,15 В, ±0,07 В.
Измерительный стенд позволяет проводить измерения одного сенсора в мостовой схеме, схеме с одним рабочим элементом. Выходной сигнал с моста можно измерить напрямую, или использовать настраиваемый усилитель с коэффициентами усиления 2, 5, 10 и 100. Измеряемые параметры: фотография измерительного стенда. Ряд различных ПГС с довзрывными концентрациями горючих газов был использован для проведения эксперимента. Описание смесей представлено в таблице 3.1. Концентрация в объёмных долях была приведена к шкале НКПР. Здесь и далее используется шкала НКПР (т.к. нижние концентрационные пределы отличаются для различных горючих газов). Выбор газов обусловлен широтой применения природного газа в промышленности и быту, основной компонент природного газа – метан. Сжиженные газы – пропан, бутан широко используются в быту и промышленности, автотранспорте. Гексан – газ, обладающий свойствами эквивалентными парам бензина, соответственно контроль паров гексана актуален для автотранспорта, предприятий органического синтеза. Водород необходимо контролировать на больших станциях зарядки аккумуляторов, на электростанциях, где с помощью водорода организован отвод тепла от подшипников и т. д.
Каждый сенсор предварительно прогревался напряжением 2,8 В не менее 20 минут. Далее камера стенда заполнялась горючим газом, после чего стенд переводился в импульсный режим.
Подробное описание импульсных режимов расписано в разделе 2.6 настоящей диссертации. Наиболее подходящей импульсной характеристикой является импульс, представленный на рисунке 2.21. Однако для обеспечения полноты процесса выгорания требуется большее время и обеспечение компенсации условий окружающей среды. Переходной процесс выгорания метана в камере объёмом 33 мм3 происходит в течение 5 секунд. Таким образом, импульс питающего напряжение состоит из 2 ступеней: на первой ступени имитируется работа сравнительного элемента подачей напряжения 600 мВ в течение 2 секунд; на второй ступени подаётся напряжение 1,95 В, соответствующее рабочему напряжению, при котором происходит окисление горючих компонентов и удерживается в течение 5 секунд.
Выходной сигнал записывался с помощью платы сбора данных L-791 в программе «L-card graph 2». Дальнейшая обработка происходила в Origin Pro – пакете программ фирмы OriginLab Corporation для численного анализа данных и научной графики [79]. Каждый сенсор испытывался сначала в среде чистого воздуха, а затем в камеру по очереди подавались смеси горючих газов с воздухом (ПГС), указанные в таблице 3.1. Далее результат усреднялся и записывался в память. По полученным результатам были построены графики для чистого воздуха и каждого горючего газа. 3.2. Результаты эксперимента и обсуждение результатов
На рисунке 3.3 представлен выходной сигнал сенсора при воздействии на него атмосферного воздуха. ЦАП – напряжение, подаваемое на «мостовую» измерительную схему с микроконтроллера через формирователь напряжения. Сигнал с сенсора предварительно усиливается десятикратно.
Как видно из рисунка, отчётливо просматривается 2 этапа цикла измерения. Первая полка, отвечающая за формирование сигнала виртуального сравнительного элемента, длится 2 секунды. Уровень сигнала при этом постепенно растёт, достигая напряжения примерно равного 1,34 В. Вторая фаза цикла длится ещё 5 секунд. ЧЭ прогревается до рабочей температуры и выходит на стабильный уровень сигнала в 1,97 В.
Для выхода на рабочий режим, сенсору требуется 0,75-1 с. Через указанный промежуток времени сенсор прогревается до рабочей температуры и проводимые измерения дают корректный результат. Скорость нагрева во многом зависит от массы самого ЧЭ. Поэтому для достижения лучшего результата в динамических измерениях желательно подбирать элементы, обладающие наименьшей массой.
После выхода сенсора на рабочую температуру, выходной сигнал стабилизируется на одном уровне. Этот уровень используется как опорный для последующих вычислений.
При подаче 1% метана кривая выгорания принимает вид как на рисунке 3.4. Эта концентрация соответствует 23% НКПР. Кривая на первом этапе, соответствующая сигналу «виртуального» сравнительного датчика, повторяет аналогичную кривую при снятии показаний на чистом воздухе. На втором же этапе виден характерный выброс, соответствующий выгоранию накопившегося метана в камере. Вначале, по мере разогревания ЧЭ, сигнал растёт, достигая пика через примерно 0,4 секунды. Далее, по достижении сенсором максимальной рабочей температуры, количество метана в камере уменьшается путём его окисления, и, таким образом, выходной сигнал уменьшается. Поскольку при этом в камеру продолжает поступать метан из атмосферы путём диффузии из-за градиента концентраций, то установившееся значение немного превышает аналогичный сигнал при отсутствии горючих компонентов.
Разработка электрической схемы
Очень часто стоит задача мониторинга окружающей среды в жилых помещениях и производственных объектах. Сейчас основным инструментом газового мониторинга являются сенсорные сети, как правило, включающие в себя несколько стационарных сенсоров различных газов, разнесённых по площади контролируемого объекта, информация с которых собирается на диспетчерский пункт, где, после обработки, вырабатываются управляющие сигналы к исполнительным устройствам, способным исправить ситуацию (например, к системам вентиляции), и/или выдаётся аварийный сигнал [78]. Основными недостатками этих систем являются: необходимость прокладки протяжённых проводных линий связи между сенсорами и диспетчерским пунктом, что часто приводит к нарушению дизайна помещений и связано с дополнительными расходами на кабельную продукцию; необходимость проведения достаточно сложных калибровочных и поверочных действий при проведении замены сенсора.
Одним из перспективных путей в развитии сенсорных сетей является передача информации по радиоканалу. Существует целый ряд стандартов беспроводной передачи данных, в частности стандарт 802.15.4, включающий протокол обмена информацией в сетях «ZigBee», разработанный специально под малопотребляющие сенсорные сети и рассчитанный на передачу небольших пакетов информации [54, 84]. Серийно выпускаются миниатюрные радиомодемы, реализующие этот протокол. Проблема в том, что применение радиоканала в основном актуально только для микропотребляющих, энергонезависимых сенсоров, имеющих автономное питание. Действительно, если все равно придётся тянуть к сенсору сетевой питающий шнур, то вполне актуально организовать обмен информацией с диспетчером или стойкой сбора информации по стандартному проводному каналу, например с использованием интерфейса RS485, или любого другого последовательного интерфейса, обеспечивающего обмен на требуемом расстоянии. Существует два принципиально различных подхода к организации беспроводных сетей. В первом случае в разработанный эксплозиметр дополнительно внедряется беспроводной модем. В результате получается автономная носимая система, способная не только оповестить работающий с ней персонал, но также передать данные о превышении пороговой концентрации в диспетчерскую службу. Кроме того, существуют решения для определения местоположения прибора на основе существующих беспроводных сетей [37, 62]. Второй путь – стационарная автономная беспроводная система, способная работать длительный срок (до 1 года) без вмешательства. Преимуществом такого рода сетей является простота установки и эксплуатации, ввиду отсутствия необходимости прокладывать кабели. Такой сенсор может быть установлен в любом потенциально опасном месте и может обмениваться информацией с соседними сенсорами, образуя т.н. ячеистую сеть с высокой степенью надёжности [61]. Однако для создания таких узлов необходимо использовать энергоэффективные решения с суммарным средним потреблением не более нескольких мВт. В работе [87] приведён пример подобной системы с гарантированной передачей данных на расстояние до 100 м и средним энергопотреблением в спящем режиме на уровне долей мВт.
Термокаталитические сенсоры взрывоопасных газов и паров, потребляют от 150 до 300 мВт, что делает их применение в автономном питании невозможным даже при использовании современных аккумуляторов и батарей. А применение импульсных режимов работы позволяет достичь среднего энергопотребления на уровне единиц мВт [66]. Поэтому для включения этого типа сенсоров в состав сенсорных сетей с передачей информации по радиоканалу, необходимо создание сенсоров горючих газов и паров с потреблением в единицы мВт. В тоже время, требуется обеспечить передачу измерительной информации от сенсора к радиомодему в цифровом виде, что требует размещения АЦП и последовательного порта непосредственно в корпусе сенсора. Такой сенсор помимо цифрового выходного сигнала можно будет оснастить памятью, в которой будет содержаться функциональное назначение, заводской номер, калибровочные характеристики, что позволит без проблем проводить замену сенсоров в любой части сенсорной сети. Существенно облегчатся процедуры калибровки и поверки, так как эти операции можно будет проводить в лаборатории, не вынося громоздкое поверочное оборудование к месту установки сенсора каждый раз по мере необходимости устанавливая откалиброванный сенсор вместо сенсора, нуждающегося в поверке.
В настоящее время несколько фирм в России активно работают над созданием серии датчиков с цифровым выходом DS – digital sensor, обладающих единым цифровым интерфейсом, протоколом обмена данными, унифицированным набором команд, методиками настройки, калибровки и поверки [32]. Датчики должны обладать возможностью горячей замены, и функцией идентификации и конфигурации в измерительных сетях при подключении. В дальнейшем, расширив возможности датчика интеллектуальными алгоритмами самокоррекции и самокалибровки, на этой базе будет легко перейти к DIS – Digital Intellectual Sensor – цифровым интеллектуальным датчикам.
Если обобщить требования к разрабатываемым датчикам горючих газов получим: 1) Датчик должен потреблять не более 10-20мВт энергии, что обуславливается требованием питания от автономной батареи и реализуется подбором микропотребляющих элементов первичных преобразователей и переводом их в специальные динамические режимы питания; 2) Датчик должен иметь встроенный АЦП, цифровой выход по последовательному порту, например, по интерфейсу UART, часто используемому при работе с радиотрансиверами (модемами) стандарта IEEE 802.15.4, работающими в не лицензируемом ISM диапазоне и соответствующими спецификации ZigBee; 3) Датчик должен иметь универсальный, стандартный для своей группы установочный разъём, не менее 10 контактов, необходимых для подачи аналогового и цифрового напряжений питания, 4 линий порта последовательного порта, резерва. 4) Должна быть обеспечена функциональная возможность замены датчика без проведения настроечно-калибровочных работ.
В настоящее время в «МАИ» – Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) совместно с ООО «НТЦ ИГД» проводится разработка беспроводных модулей с возможностью объединения их в единую сеть под управлением стационарного контроллера [67, 86, 88].
Функционально-структурная схема беспроводного датчика метана для сенсорных сетей приведена на рисунке 5.1. Рисунок 5.1 – функционально-структурная схема беспроводного датчика метана для сенсорных сетей. 1 – DS сенсор метана, 2 – беспроводной датчик метана с радиомодемом ETRX357, батареей, стабилизатором напряжения, установочным разъёмом для сенсора, 3 – установочный десятиконтактный разъём. Беспроводной датчик метана (2) состоит из: батареи, обеспечивающей не менее чем полугодовой интервал беспрерывной работы датчика; стабилизатора напряжения на базе DC-DC преобразователя, формирующего напряжение питания для плат и сенсора – 3,3 В; радиомодема, обеспечивающего приём измерительной информации по интерфейсу UART и её передачу по протоколу-спецификации ZigBee к сетевой стойке сбора информации; DS сенсора (1), с 10 контактным установочным разъемом (3).