автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.11, диссертация на тему:Радиоионизационный метод детектирования паров эфиров. Газоаналитическое и течеискательное устройство на его основе

СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ЗАОЧНЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

РГБ ОД

- г.~'т На правах рукописи

ШУРАШОВ АЛЕКСАНДР ДМИТРИЕВИЧ

РАДИОИОНИЗАЦИОННЫЙ МЕТОД ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ПАРОВ ЭФИРОВ. ГАЗОАНАЛИТИЧЕСКОЕ И ТЕЧЕИСКАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО НА ЕГО ОСНОВЕ

05.02.11- Методы контроля и диагностика в машиностроении

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1994

Работа выполнена в Дзержинском филиале Нижегородского государственного технического университета.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Сахин С. Г.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, с. н. с

Кузьмин В. В

кандидат технических наук, с. н. с.

Евланпиев А. И. ,

Ведущая организация: Научно-производственное объединение «Технонаш».

Защита диссертации состоится 1994 г. в 1-1 часов

на заседании специализированного совета К 063.06.02 при

1910&5, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, 5.

С диссертацией мояно познакониться в библиотеке ■ Северо-Западного заочного политехнического института. Автореферат разослан «16» х-^-- 1994 г.

Ученый секретарь

Северо-Западной заочной политехническом институте по адресу:

специализированного

г. т. н., доцент

Т. П. Курчавова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. В настояс^е время промышленностью выпускается большое количество изделий, надёгность и долговечность которых определяется качествен их герметизации. При недостаточной герметизации оборудования, работающего с парами вредных веществ, отсутствии или недостаточной эффективности санитарно-технических устройств концентрация вредных примесей мохет достигать величин, представляювдх опасность для здоровья работающих.•

Практика гигиенического нормирования предельно допустимых концентраций СПДКЗ токсических веп$?ств требует систематического оперативного контроля производственной воздушной среды, а следовательно, и наличия чувствительных и, по . возможности, избирательных нетодов экспресс-анализа. Этим требованиям отвечает группа высокочувствительных лабораторных фотометрических нетодов анализа, но они не годятся для экспресс-контроля экологической обстановки, в тон числе для контроля утечек и концентрация паров эфиров.

Для обеспечения взрызсбезопасности технологических процессов используют автоматические. сигнализаторы довзрызсопасных концентраций, не предназначенные для количественной оценки концентрации. Автоматические сигнализаторы не обладают -высокой' чувствительностью. В связи с этим имеется необходимость создания устройстх. для контр:ля гернетичности л определения концентрации пароз вредных вецеств, удовлетворявших всем вышеназванным свойствам. . .

Настоящая работа проводилась в соответствии с Мегвузсвской целевой комплексной программой работ по развитию 1,еразрусэюг??го контроля и Координационным планом АН СССР по проблеме 1.3.9.

Целью работы является разработка на основании результатов исследования радиоионизационного. иетода детектирования паров эфиров газоаналитического и течеискательного устройства. Научная новизна работы:

-на основании результатов насс-спектронетрических исследований процессов в чувствительной элементе сделан вывод о протекании в чувствительной элементе вторичной ионизации за счёт ионко-молекулярных реакций. Наличие данных реакций приводит к увеличению концентраций ионов органических примесей по сравнению с вакуумной ионизацией;

-установлено влияние комплексных ионов СкластеровЭ, образующихся в датчике, на его выходные характеристики;

' -предложена и исследована математическая модель радиоионизационного нетода детектирования паров органических веществ, учитывающая конструктивные и технологические параметры чувствительного элемента;

-в результате проведённых экспериментальных исследований подтверждено влияние вторичной ионизации на величину ионного тока . и оценена величина коэффициента перезарядки;

-в результате проведенных экспериментальных исследований установлен диапазон рабочих режимов датчика, при которых обеспечивается высокая чувствительность; изучена зависимость нежду режимными и конструктивными параметрами и величиной ионного тока;

-предложены новые устойство и способ контроля герметичности изделий, новизна которых защипана патентом. Практическая ценность работы:

-установлены типы ионных источников, обеспечивающие оптимальные режимы ионизации;

-разработано аппаратурное газоан'алитическое устройство с радиоионизационным чувствительный элементом. По сравнению с применяемым методом фотометрического контроля достигнута возможность проведения экспресс-анализа и контроля герметичности оборудования непосредственно на рабочем несте. По сравнении с серийно выпускаемыми отечественной промышленностью приборами для экспресс-анализа, улучшен порог чувствительности на 2 порядка;

-разработана методика инженерных расчётов устройств, создаваемых на базе радиоионизационного чувствительного элемента;

-разработано и внедрено газоаналитнческое и течеискательное устройство на сложные эфиры с разделением ионов по подвижности.

Реализация в промышленности. Результаты проведенных исследований реализованы в виде газоаналитического и течеискательного устройства с радиоиокизационнын чувствительным элементом с разделением ионов по подвижности.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и отдельные ее разделы докладывались и обсуядались: на XII Всесоюзной научно-технической конференции «Неразрушаюцие физические методы контроля» в сентябре 1990 г., на Всесоюзной научно-технической конференции «Методы и технические средства контроля герметичности . технологического оборудования, магистральных трубопроводов и массовой продукции» в августе 1939 г., на II научно-технической конференции молодых ученых и . специалистов с мевдународным участиен «Контроль, управление и автоматизация в современном производстве» в октябре 1590 г. , на Всесоюзной конференции ^Экология и проблемы герметичности» в декабре 1991 г., на семинаре «Методы и средства испытаний

промышленной трубопроводной арматуры» в 1992 г., на семинаре Всесоюзной ассоциации «Герметичность» в 1990 г., на городских научно-технических конференциях нолодых учёных и специалистов в ноябре 1990 г. и ноябре 1988 г. сг. Дзержинск].

Публикации. По материалам диссертации опубликованы • две статьи, семь тезисов докладов, получено положительное решение по заявке N 5009892/28 от 22.09.93 на получение патента Российской Федерации. '

Структура и объен работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 143 страницы текста, 41 рисунок, 2 таблицы. Список литературы- 56 наименований.

Основные положения. представляемые к защите: -результаты насс-спектронетрических исследований . механизма работы датчика радиоионизационного газоанализатора, показавшие протекание вторичной ионизации за счет ионно-нолекулярных реакций невду газои-носителен и органическини микропримесями;

-математическая нодель процесса детектирования микропринесей органических веществ радиоионизационнын методом, составленная на основе изучения физических процессов в чувствительном элементе;

I

-результаты экспериментальных исследований датчика, показавших влияние технологических и режинных параметров на его стат кие и динамические характеристики;

-новая конструкция чувствительного элемента, обладающего более высоким по'рогои .чувствительности по сравнению с серийно выпускаемыми сигнализаторани и возможностью экспресс-анализа на рабочем месте;

-методика инженерного расчета р-радиоионизационных детекторов

сложных эфиров проточного типа с разделением ионов по подвижности;

-способ и устройство масс-спектрометрического контроля герметичности крупногабаритных изделий машиностроения с ионизацией при атмосферном давлении.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ И ФОРМУЛИРОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИИ

Показана актуальность проблемы разработки газоаналитического и течеискательного оборудования на пары сложных эфиров.

Дается характеристика различных нетодов детектирования паров эфиров. Проведен их анализ с точки зрения выбора наиболее предпочтительного для реализации в датчике ПДК и контроля гернетичности изделий машиностроения, и выбран метод, основанный на изнерении' подвижности ионов. Установлено, что этот нетод устраняет недостатки, характеризующие в отдельности другие методы. Показаны преимущества этого метода.

На основе анализа проблемы показана необходимость разработки нового чувствительного элемента, приспособленного к задачам промышленного производства. Поскольку конструирование чувствительного эленента необходимо проводить с учетом механизма работы датчика, то сделан обзор исследований явления, лежащего в основе этого механизма.

На основании проведенного . анализа поставлены задачи исследования:

-провести анализ возможностей применения различных нетодов детектирования эфиров;

-разработать физико-химическую и катенатическую модели детектирования эфиров нетодон СПИ. Сспектроиетрии подвижности ИОНОВЭ;

-провести экспериментальные и теоретические исследования данного нетода детектирования, на их основе оптимизировать конструктивные и технологические параметры чувствительного эленента;

-разработать и исследовать датчик СПИ;

-создать газоаналитическое и течеискательное устройство на пары метилакрилат.а в воздухе, провести его испытание и внедрить в производство.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ И УТЕЧЕК ПАРОВ ЭФИРОВ С ПОМОЩЬЮ РАДИОИОНИЗАЦИОННОГО ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО

ЭЛЕМЕНТА

Показан механизм образования положительных и отрицательных ионов.

Рассмотрен процесс вторичной ионизации анализируемого вещества, протекающий за счет , ионно-молекулярных реакций. Предлогены их возмояные схены: ионно-нолекулярная реакция с переносом заряда, с переносок протона либо лротонированием, с отрывом гидрид-иона, диссоциация с переносом протона, реакция присоединения, клйстерообразования и замещения.

Математически описан процесс детектирования паров эфиров с помощью радиоионизационного чувствительного элемента:

+D [v ]■-3

ml

v Cr3 т 'In;

»x2

dx_

dr

k-U

,/c

Cdr32+Cdx32

v CrD^g a «S

dS

j =enAv г r

о

C13 С 23

С 33

С 43 С 53 С 63

С 73

где п - концентрация нейтральных частиц вещества, т- текущее время, V- скорость конвективного переноса, х- продольная координата, о - коэффициент тейлоровской диффузии, пи-концентрация ионов, А- активность ионного источника, к - константа

п

Du-т

коэффициент

поперечная координата, R -

перезарядки, кр- константа реконбинации, тейлоровской диффузии для ионов, г наружный радиус чувствительного элемента, Rg- внутренний радиус чувствительного эленента, к- подвижность ионов, U - напряжение

А

анода, S- перемещение, пд- концентрация ионов в зоне дрейфа, v -

А

абсолютная скорость, j- плотность тока, е- единичный заряд, v,-скорость в радиальнон направлении, /- ток, F- площадь.

. йзненение концентрации молекул пробного вещества во времени и по продольной координате описывается уравнением CID. Процессы в зоне ионизации Срис. 13 даются уравнением С23. Уравнения СЗЭ и С 43 показывают характер траектории заряженной частицы в зоне дрейфа.. Йзненение концентрации заряженных частиц в зоне дрейфа показано ■ уравнением С53. Уравнения СбЭ и С73 описывают процесс формирования-ионного тока.

Изучена кинетика процесса ионизации и реконбинации, на основании чего определен концентрационный профиль ионов по

продольной координате.

Выявляя связь концентрации нейтральных частиц вещества п0-с изненениен ионного тока являющинся выходным параметром,

получаем функцию преобразования:

"„к

О п

1,38-10 с1пКн^Кв гШШ

л / у

-], ' С 83

О У Ю'^'

^1,38-10 сШКн/Кв /шш_

з /тДЁТ

V ^

2 а у Р

где с- скорость света; V- объемный расход газовой смеси; т- масса электрона; Р- площадь активной поверхности ионного источника; I-длина пробега /?-частиц; энергия излучения; V- объём полости ионизации; 1с - подвижность- ионов воздуха; к - коэффициент,

1 Н

обусловленный явлениен перезарядки; к2- подвижность ионов вещества.

В результате натенатического" исследования получены зависимости величины выходного сигцала от технологических и режимных параметров чувствительного эленента С8Э и создано математическое обеспечение инженерных нетодов расчета радиоионизационных чувствительных элементов с разделением ионов по подвижности.

Последующее сравнение расчетных и экспериментальных данных, проведенное. по критерии Фишера, показало адекватность матенатической модели.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИОИОНИЗАЦИОННОГО ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО

ЭЛЕМЕНТА .

Изложены результаты насс-спектрометрических исследований процессов, происходящих в радиоиониэационнон чувствительном элементе..

Поскольку в обычном воздухе в тон пли ином количестве всегда присутствуют пары воды, а ее нолекулы способствуют образованию ионов больших размеров Сводных кластеров:), то обращено внимание на возможность существенного уменьшения подвижности ионов, образованных при атмосферном давлении. Для подтверждения этой гипотезы на масс-спектрометрах МС 7303 и МС 730^ были произведены анализы ионного состава, имеющего место при атносферной ионизации различных газовоздушных снесей. Установлено наличие кластеров за счёт-присутствия паров воды в анализируенон газе. Вьполнена оценка линейного динамического диапазона по ряду веществ. Определены пороги обнаружения этих веществ в воздухе Срис. 2).

Исходя из литературных данных и проведенных анализов насс-спектров составов исходных реагентов был сделан вывод, "что для • повышения порога чуствительности существенную роль играет сродство вещества к протону или электрону. В частности, эксперименты,- проведенные в положительной ноде по определению никропримеси пиридина, являющегося типичнын представителен органического вещества с высоким значением сродства к протону, • дали его суммарный пик, соизмеримый с сумнарным пиком всех остальных компонентов снеси Срис. ЗЭ. Аналогичная картина наблюдалась в отрицательной ноде при определении ннкропринесей фреонов.

10-1

10-2

10-з

10-И

юп

131

10"

ионизации

Рис. 1. Зонная структура чувствительного элемента

О- Ру 9~ Че3М О- МН3

♦ - вмзо

д- МегСП Е+.ПН

Ю-Ю

Ю-9

10-8

10-7

Ю-6

10-5 10-4 С, об. доли

Рис. 2. Зависимость относительной интенсивности ионного тока I от относи- тельной ксние нтрации С в воздухе для разлихих пробных веществ

с/.:

75..

ЧТНгШп L9

37

кластеры пиридина МН'СНаШп ■

73

93

91

JL

не

108

50 100 n/z

Рис. 3. Масс-спектр пиридина в воздухе, полученный на иасс-спектрометрической устоноске с источником ионов с ионизахей гри атмосферном давлении

Проведенные исследования показали, . что в атносферноионизационном чувствительной элементе иолекула органической принеси склонна к образовании кластерных серий. Выявлена закономерность изменения интенсивности кластерного пика с увеличением размера кластера.

Результаты насс-спектрометрических исследований легли в основу конструкции чувствительного элемента и методики инженерных расчетов радиоионизационных чувствительных элементов.

Экспериментальные исследования, проведённые с

(?-радиоионизационным чувствительным элементов проточного типа с поперечным электрическин полем, подтвердили влияние вторичной ионизации на величину ионного тока и позволили оценить величину коэффициента перезарядки,' выявили оптимальные режимы работы чувствительного элемента при определении порога чувствительности Сллг, по метилакрилату с рис. О.

Расхождение расчетных и экспериментальных Сотнеченных точканиЭ зависимостей С рис.. 5> не превысило 12 X.

МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ ГАЗОАНАЛИТИЧЕСКИХ И' ТЕЧЕИСКАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ .НА БАЗЕ РАДИОИОНИЗАЦИОННОГО ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА

3 связи с тем, что в отечественной промышленности отсутствует вы'окочувствительный селективный зкспресс-метод определения метилзкрилата, предложен новый способ контроля его концентрации с поморю детектора подвижности ионов. - .

Ионизационный способ позволяет достичь порога

Сп'.п, ПАК Л

14 12

е в 4

г

V =1л/мин

,У = 0 5л /МШ

120

и, 2

о зо ¿о га

Рис. 4. Зависимость порога чувствителенссти по иетилзкрилату от нагЕЯлвьи?

на а-юде

ч v=C¿1ÚA/W*í J?»12mm2/C

О 5 10 15 20 25 30 25 40' 45 50 55 60 г, с

Риг. 5. Динамическая характеристика чувствительного злеиента .

чувствительности лабораторных фотометрических анализов, обеспечивая быстродействие тернохинического сигнализатора.

Его особенность_ заключается в тон, что проба газа пропускается через цилиндрическую ионизационную канеру, в которой производится ее ионизация источникон /^-излучения, разделение ионов по подвижности в поперечной электрической поле и регистрация определённой части ионного тока срис. 63. Предложенный способ реализован в детекторе нетилакрилата, ,предназаначеннок для применения в производственных условиях. Это позволило осуществлять экспресс-контроль за состоянием воздуха рабочего помещения.

Разработанный детектор внедрен на Дзержинском ПО «Оргстекло*.

Разработана нетодика инженерного• расчета радиоионизационных устройств детектирования эфиров,- применяемых главным образом в производствах хинической и хинико-фармацевтмческой промышленности.

■ Исходными данныни для расчета являются допустимая утечка паров эфира или установленная норна концентрации

газообразного продукта в воздухе с . и требуемая постоянная вренени. прибора 1. В результате проектного расчета были получены следующие величины: объемный расход пробы через датчик I., напряжение на электродах канеры и и активность ионного источника.

Предложенная методика инженерного расчета была использована при разработке промышленного образца газоаналитического и течеискательного устройства на нетилакрилат в воздухе рабочего помещения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основании • результатов масс-спектроне-ричесгих

1\Ч"

¿U=ccnst;;':'

x-oo-vv-vvv;.

! í I о

r=

!i

исследования физико-хинических процессов,- происходящих в чувствительном элементе ионизационного детектора подвижности,

показано, что в явлении уменьшения подвижности нолекул «

органических веществ существенную роль играют процессы образования водных кластеров. Выяснено, что подобные явления имеют несто как с положительными, так и с отрицательными ионами.

2. Разработана-математическая модель процесса детектирования эфиров с понощью радиоионизационного чувствительного зленента в виде системы уравнений, связывающих кинетические параметры физико-хинических процессов, протекающих в чувствительном элененте, с плотностью ионного тока. Модель описывает изменение ионного тока коллектора в процессе изменения подвижности ионов.

3. На основании экспериментальных и теоретических исследований количественно определено влияние конструктивных и технологических параметров чувствительного элемента на величину выходного сигнала. В частности ■ выявлена целесообразность применения трития б качестве источника ионизирующих /?-частиц, а также установлены диапазоны приемлемых значений объемного расхода воздуха в пределах 0,1+0,5 л/нин и напряжения на внешней обкладке в пределах 10+100 В. ПолученньЕ результаты экспериментальных исследований подтверждают адекватность предложенной математической модели.

4. Разработан радиоионизационный детектор эфиров с чувствительна эленентон, разделяющим ионы по подвижности, что позволило определять утечки и концентрации эфиров на уровне их ПДК. Это дает возможность непосредственно использовать созданный детектор при экспресс-анализе экологической обстановки на производстве.

5. Проведена оптимизация технологических режимов использования чувствительного элемента на основании созданной математической модели процесса детектирования.

ь. Разработана методика инженерных расчетов радиоионизационных детекторов эфиров, включающая проектный и поверочный расчеты.

7. Радиоионизационный детектор контроля концентрации эфиров внедрен в производство.

По тене диссертации опубликованы следующие работы,-

1. Способ контроля гернетичности и устройство для его реализации/ С. В. Виноградов, Е. М. Зарубин, В. М. Мясников,

С. Г. Сажин, А. Д. Шурашов.- Заявка на изобретение N 5009892/28; Решение о выдаче патента Российской Федерации от 22.09.93.

2. Сажин С. Г., Шурашов А. Д., Веренчиков А. Н. Нетрадиционные способы ионизации в течеискателъных устройствах// XII Всесоюзная научно-техническая конференция «Неразрушающие физические методы контроля»: ■ Тез. докл. / Свердловск, 11-13 сент. 1990 г./.-Свердловск, 1990.-Т. VI.- С. 69-70.

3. Шурашов А. Д. Ионные источники в масс-спектрометрии// Всесоюзная научно-техническая конференция «Методы и технические средства контроля гернетичности технологического оборудования, нагистральных трубопроводов и кассовой продукции»: Сборник тез. докл./Севастополь, 23-27 авг. 1989 г./.- М, 1989,-С.-62.

4. Шурашов А. Д. Пути использования ионизации в коронном разряде в течеискательных устройствах// II научно-техническая конференция нолодых ученых и специалистов с международным участием

«Контроль, управление и автоматизация в современном производстве»: Сборник докл. и сообщений/ Минск, 16-18 окт. 1990 г./. - М, 1990.-С. 10-11.

5. Зарубин Е. М., Мясников В. М., Шурашов .А. Д. Некоторые пути в поиске новых нетодик течеискания// Всесоюзная конференция «Экология и проблемы герметичности»: Сборник тез. докл./ 3-6 дек.

1991 г./. - Сергиев Посад, 1991.- С. 42.

6. Шурашов А. Д. Датчик контроля концентрации нетилакрилата в воздухе рабочего понещения// Методы и средства испытаний промышленной трубопроводной арматуры: Тез. докл. /22-23 сент.

1992 г./. - Пенза, 1992.- С. 37-38.

7. Шурашов А. Д. Компоновка роботизированных комплексов неразрушающего контроля// Научна-техническая конференция молодых ученых и специалистов, посвяфнная 70-летию ВЖСМ: Тез. докл. /Ноябрь 1988 г./. - Дзержинск, 1988.- С. 45.

.8. Сазин С. Г., Шурашов А. Д. Компоновочные схемы роботизированных течеискательных комплексов// Дефектоскопия. -1990.-. N 7.- С. 58-62.

9. Мясников В. М., Сатан С. Г., Иурапов А. Д. Ионизационные безвакуумные детекторы течи. СОбзор)// Дефектоскопия.- 1992. -Н8.-С. 85-89.

10. Шурашов А. Д. Разработка методов течеискания анализаторами с ионизацией при атмосферном давлении // Научно-техническая конференция нолодых ученых и специалистов

г. Дзержинска: Тез! докл. /Ноябрь 1990 г./. - Дзержинск, 1990,-С. 23-24.