автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Исследование и реализация быстродействующего анализатора кислорода на эффекте тушения люминесценции красителей

Введение.

Глава 1. Задачи оперативного измерения концентрации кислорода.

1.1 Постановка задач.

1.1.1 Системы взрывозащиты промышленного назначения.

1.1.2 Системы взрывозащиты специального назначения.

1.1.3 Аппаратура дыхательного назначения.

1.1.4 Классификация основных технических требований.

1.2 Обзор методов измерения концентрации газообразного кислорода.

1.2.1 Полупроводниковые методы анализа.

1.2.2 Электрохимические методы анализа.

1.2.3 Магнитные методы анализа.

1.2.4 Люминесцентно-кинетический метод.

1.3 Выбор метода анализа.

Выводы по первой главе.

Глава 2.Особенности люминесцентно-кинетического метода анализа.

2.1 Основные характеристики метода и аппаратура для его изучения.

2.1.1 Описание эффекта тушения люминесценции трипафлавина.

2.1.2 Схема и установка для изучения люминесцентных свойств.

2.1.3 Влияние концентрации кислорода на сигнал люминесценции.

2.1.4 Влияние температуры на сигнал люминесценции.

2.1.5 Влияние других газов на сигнал люминесценции.

2.2 Анализ текущего положения в исследовании метода.

Выводы по второй главе.

Глава 3 Теоретический расчет оптимальных параметров чувствительного элемента на основе комплекса «трипафлавин - силикагель».

3.1 Определение направления исследований.

3.2 Способы получения исходных данных.

3.2.1 Технология изготовления чувствительного элемента.

3.2.2 Установки для изучения оптических свойств элемента.

3.3 Расчет основных характеристик чувствительного элемента.

3.3.1 Физическая модель элемента.

3.3.2 Определение оптимальной толщины элемента.

3.3.2.1. Одномерная модель распространения излучения в элементе.

3.3.2.2 Уточненная модель распространения излучения в элементе.

3.3.3 Определение потенциального быстродействия люминесцентнокинетического метода анализа кислорода.

Выводы по третьей главе.

Глава 4 Погрешность при измерениях люминесцентно-кинетическим анализатором кислорода и методы ее уменьшения.

4.Юбщие соображения.

4.20птимизация оптического тракта.

4.2.1 Синтез оптического фильтра.

4.2.2 Синтез оптимального оптического тракта прибора.

4.3 Потенциальная погрешность прибора.

4.3.1 Источники погрешности измерения.

4.3.2. Оценка погрешности закона преобразования.

4.3.3 Влияние температуры на чувствительный элемент из трипафлавина.

4.3.4 Оценка энергетических параметров сигнала.

4.3.5. Оценка влияния шума и нестабильности фотоприемника.

4.3.6 Влияние на погрешность измерения конструкции измерительной кюветы.

4.3.7 Влияние дестабилизирующих во времени факторов.

4.3.8 Стабильность одноканального метода измерения.

Выводы по четвертой главе.

Глава 5. Практические конструкции люминесцентно-кинетических анализаторов кислорода.

5.1 Общий подход к конструированию.

5.2 Быстродействующий датчик системы предупреждения взрыва.

5.3 Переносной одноканальный анализатор кислорода.

5.4 Анализатор кислорода дыхательной системы.

Выводы по пятой главе.

Актуальность работы

Проблемы анализа содержания кислорода в газообразной среде связаны как с широким применением кислорода в технологических процессах, так и особым местом кислорода в процессах жизнедеятельности.

Особенно следует остановиться на анализе кислорода в условиях, где недостоверная информация в каждый текущий момент времени ведет к тяжелым последствиям, несоизмеримым с возможными затратами на получение этой информации. Это, в первую очередь, работа устройств газового анализа в системах обеспечения дыхания, контроля содержания кислорода при организации работ в замкнутом пространстве, в системах взрывозащиты. При этом требования к анализатору кислорода определяются спецификой работы этих систем. Например, анализаторы кислорода, обеспечивающие необходимые условия жизни и деятельности человека, должны обеспечивать высочайшую надежность и достаточное быстродействие - несколько секунд. Другим примером являются системы предотвращения взрыва, которые применяются в хранилищах топлива, на судах, транспортирующих топливо, для обеспечения безопасности высокоэнергетических процессов, например в ракетной технике. Эти системы контролируют процесс вытеснения кислорода инертными газами, и незначительное превышение концентрации кислорода определенного уровня является сигналом опасности. Анализаторы кислорода, необходимые для этих систем, должны обладать быстродействием, сравнимым с динамикой закачки инертных газов, и для специальных устройств постоянная времени прибора не должна превышать одной секунды. Время от подачи питания на аппаратуру до получения информации должно также исчисляться секундами.

Необходимость данной работы вызвана отсутствием таких специальных быстродействующих анализаторов кислорода достаточной точности. Приборы для решения вышеперечисленных задач в России никто не разрабатывает и не производит.

Предмет и методы исследования

Предметом исследования является изучение возможностей разработки и практическая реализация быстродействующего анализатора кислорода.

Для организации работы с целью определения существенных целей исследования, повышения его эффективности, были применены методы проектного анализа [1]. На начальном этапе было проведено исследование проектной ситуации с формулированием задач. Были рассмотрены основные области функционирования быстродействующего анализатора кислорода, определены характерные условия, которым должен отвечать прибор, сформулированы конечные требования, сведенные в техническое задание. Для оценки наличных ресурсов, выбора метода разрешения проблемы, проводился литературный поиск и дальнейшее ранжирование методов анализа кислорода. С целью определения главных задач реализации отобранного метода, концентрации усилий на анализе и оценке результатов исследований и уменьшении усилий на проведении малоэффективных действий была применена кумулятивная стратегия Пейджа. Для ликвидации недостатков разработанных приборов проводился процесс трансформации их конструкции.

Проведенный анализ показал, что оптимальное решение поставленных задач возможно при помощи известного, но практически не применяющегося метода люминесцентно-кинетического анализа кислорода. Он в наибольшей степени соответствует требованиям реализации в быстродействующих приборах дистанционного автоматического контроля содержания кислорода в средах. Изучение особенностей этого метода, разработка перспективного газоанализатора кислорода являлись предметом настоящих исследований. В работе изучалось влияние внешних воздействий на характеристики и погрешности метода, долговременные характеристики первичного преобразователя (чувствительного элемента). Проведена разработка методов, позволяющих провести расчет характеристик отдельных узлов анализатора. Была рассчитана и воспроизведена оптимальная конструкция прибора.

Цель работы

Решение основной проблемы разработки быстродействующего анализатора кислорода потребовало:

Сформулировать реально необходимые основные технические требования к конструктивным особенностям быстродействующего анализатора кислорода.

2. Проанализировать известные физико-химические эффекты и основанные на них методы анализа кислорода.

3. Установить технологические возможности этих методов и выбрать потенциально пригодный метод для решения поставленной задачи.

4. Разработать алгоритм работы по изучению необходимых свойств люминесиентно-кинетического метода анализа кислорода, способов его технологической и конструктивной адаптации.

5. Исследовать особенности люминесцентно-кинетического метода анализа кислорода, провести технологические и конструктивные работы в запланированном объеме.

6. Теоретически и практически обосновать достижимость основных параметров газоанализаторов при помощи разработанных технических решений.

7. Создать реальные конструкции приборов, уточнить их характеристики, провести испытания, разработать и провести конструктивные доработки.

Основные результаты диссертационной работы

• В работе выполнен обзор потребности в быстродействующем анализаторе кислорода, сформулированы требования к нему;

• проанализированы реальные возможности создания в настоящий момент быстродействующего анализатора кислорода;

• исследованы основные физические закономерности выбранного метода анализа;

• создана технология изготовления чувствительного элемента и защищена авторским свидетельством (АС 1558953);

• создана математическая модель распространения излучения в чувствительном элементе, что дает возможность проводить оптимизацию свойств чувствительного элемента;

• создана математическая модель процессов диффузии в чувствительном элементе, что позволило рассчитать потенциальное быстродействие анализатора;

• разработаны методы и программы для ПЭВМ, позволяющие синтезировать оптимальные оптические тракты люминесцентно-кинетических анализаторов кислорода;

• выбраны факторы влияния и получены данные их долговременного воздействия на характеристики анализаторов;

• проанализирована потенциальная погрешность при измерениях люминесцентно-кинетическим анализатором кислорода, разработаны меры по ее уменьшению;

• получены всесторонние экспериментальные данные, подтверждающие проведенные теоретические выкладки;

• выбраны и внедрены инженерные решения по конструированию быстродействующих анализаторов кислорода, которые могут служить основой для разработки приборов нового, люминесцентно-кинетического класса анализаторов кислорода.

Научная новизна теоретических исследований и результатов экспериментальных исследований, полученных автором

• Впервые, на основе анализа проектной ситуации, обоснована возможность применения люминесцентно-кинетического метода анализа кислорода, как единственно возможного для решения специальных практических задач;

• впервые представлены теоретические исследования и, на базе построенных моделей, практические расчеты по определению и оптимизации основных характеристик конструируемых приборов;

• впервые приведены результаты экспериментальных исследований долговременного воздействия на чувствительный элемент прибора дестабилизирующих факторов;

• впервые предложены и конструктивно проработаны технические решения оптимизированной конструкции быстродействующего анализатора кислорода.

Методы исследований, обоснованность результатов диссертационной работы

• Получение практически значимых результатов диссертационной работы обусловлено применением эффективных методов планирования работы и проектирования;

• разработка моделей и теоретических положений, создание на их основе конструктивных образцов стало возможным благодаря комплексному использованию теоретических и экспериментальных методов исследования. Решение задач, позволивших создать ряд действующих приборов, стало возможным благодаря использованию аппарата математики, физики, прикладных наук, и не противоречит их положениям. Созданные методики расчета согласуются с практическими результатами.

• разработанные положения и новые технические решения проверены экспериментально, метрологически обеспечены. Созданные приборы прошли испытания у заказчиков, и внедрены в производство.

Практическая и научная полезность результатов диссертационной работы

• разработанные в диссертационной работе методы расчета позволяют проектировать и создавать приборы нового класса анализаторов кислорода;

• полученные решения оптимизационных задач позволяют сократить объем экспериментальных исследований при разработке новых анализаторов кислорода этого класса;

• методы и программы синтеза оптических трактов могут быть использованы при проектировании иных оптических приборов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Обоснование возможности построения быстродействующего анализатора кислорода на люминесцентно-кинетическом методе, как единственно возможном в настоящее время.

2. Методы проектирования чувствительного элемента анализатора кислорода, изготовленного по технологии, защищенной авторским свидетельством.

3. Математическая модель распространения излучения в чувствительном элементе, позволяющая разработать оптимальные по свойствам чувствительные элементы.

4. Математическая модель процессов диффузии в чувствительном элементе, позволяющая рассчитать потенциальное быстродействие анализатора кислорода с подобным элементом.

5. Методы и программное обеспечение для ПЭВМ, позволяющие синтезировать из стандартных светофильтров оптические фильтры и оптические тракты с требуемыми спектральными характеристиками.

6. Методика оценки потенциальной точности характеристик анализатора.

7. Технические решения конструкций люминесцентно-кинетических анализаторов кислорода.

Результаты личной работы автора изложены в главах 3-5 настоящей работы, разработка приборов велась под руководством автора как главного конструктора приборов.

Апробация работы

Основные результаты работы представленные в диссертации докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах: на 3-ей Украинской научно-технической конференции "Теория и практика использования химических методов проверки негерметичности в машиностроении" Киев 1988 г. на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Вопросы теории и принципы построения устройств и систем автоматизации" Новочеркасск,1986 г на Всесоюзном семинаре "Современное приборное обеспечение санитарного, экологического и радиационного контроля" С-Пб, 2001г. на Всесоюзном семинаре "Комплексное оснащение лабораторий экологического и санитарного контроля" С-Пб, 2002г. на 2-ой Всероссийской научно-практической конференции "Окружающая природная среда и экологическое образование и воспитание" Пенза,2002 г.

Автором опубликовано 5 научных работ по теме диссертации. Работа награждена дипломом ВДНХ СССР по разделу "Охрана природы СССР" (Приложение 1)

Изготовление чувствительного элемента защищено АС 1558953 Практические конструкции приборов внедрены в производство (Приложение 2)

Выводы по пятой главе.

В результате проделанной работы:

• Определены пути и принципы построения шоминесцентно-кинетических анализаторов кислорода.

• Созданы и прошли испытания практические конструкции нескольких этапных образцов быстродействующих анализаторов кислорода.

Заключение.

Развитие техники поставило задачу создания быстродействующего анализатора кислорода. Ее решение на путях используемых в промышленности физических принципах и методах оказалось невозможным.

Проведенные исследования, результаты которых изложены выше, практически доказали возможность создания требуемого анализатора кислорода, использующего новый физический метод измерения -люминесцентно-кинетический. По основным характеристикам - точности, диапазону измерений, стоимости, весо-габаритным показателям он не уступает существующим методам. При этом по таким показателям, как быстродействие, избирательность по газу он не имеет аналогов. Данная работа призвана помочь внедрению метода в широкую инженерную практику за счет проведения всестороннего исследования метода, разработки принципов и рекомендаций по конструированию быстродействующих анализаторов кислорода.

В процессе работы были решены следующие основные задачи:

1. На основе проведешгого анализа известных физико-химических эффектов, потенциально пригодных для анализа кислорода, вы бра] г эффект и осповашплй па нем метод, удовлетворяющий требованиям поставленной задачи.

2. Разработана комплексная модель чувствительного элемента для люминесцентно-кинетического метода анализа кислорода.

3. На основе модели проведены теоретические расчеты и практическая оптимизация конструкции и технологии изготовления элемента.

4. Определены потенциальные характеристики по быстродействию и точности люминесцентно-кинетических анализаторов кислорода на основе оптимизированного чувствительного элемента.

5. Определено влияние на характеристики чувствительного элемента дестабилизирующих факторов, определены его долговременные характеристики.

6. Разработаны методы и программное обеспечение для расчета и реализации максимальной точности анализатора.

7. Определены основные принципы конструирования люминесцентно-кинстичсских анализаторов кислорода, проведена оптимизация его основных узлов, исследована и выбрана элементная база, пригодная для организации серийного производства.

8. Созданы практические конструкции приборов и внедрены на производстве.

Объем проведенных исследований и расчетов позволяет внедрить в практику невостребованный в настоящее время быстродействующий люминесцентно-кинетический метод анализа кислорода, и создавать на его основе газоанализаторы кислорода, не уступающие по основным характеристикам распространенным анализаторам кислорода, но имеющие недостижимое для последних быстродействие.

1.Дж.К.Джонс Методы проектирования (пер.с англ.)М. "Мир" 1986г.

2. Провести исследования и разработать комплекс нормативно-технической и методической документации пожарной безопасности при производстве огневых работ на судах.Отчет/ВНИИПО.Л: 1983г №81095084

3. Техническое задание по теме 8371 (ДСП)

4. Техническое задание по теме ИМБП(ДСП)

5. П.Прингсгейм Флуоресценция и фосфоресценция Ил.М. 1967г.

6. Теренин А.И. Фотоника молекул красителей и родственных органических соединений Л.Наука 1967 г.

7. Левшин В Л. Фотолюминесценция жидких и твердых веществ. ГИТТЛ МЛ.1951г.

8. Валика XV. ФРГ,09.06.83,13.12.84,пат. N 3320752,МКИ 6 СЮ1 N 21/17 42282.05 " Люминесцентные слои, применяемые в устройствах для определения концентрации кислорода в газах и аналогичных веществах путем измерения уменьшения люминесценции"

9. США, ^ 854901, 23.04.86 опубл.04.10.88, пат. N 4775514 , МКИ 4 СО! N 21/64, УДК 681.2.08,422-68 "Люминесцентные слои, используемые в газах, жидкостях и биологических тканях в измерителе концентрации кислорода"

10. Брюханов В.В.ДСецле Г.А.,Лауринас В.Ч.и др.СССР,Л<Г 4406471/31-25, 07.04.88 ,а.с. N 1539613 МКИ 4 G01 N 21/64, опубл. 1990 г. "Способ определения кислорода в газах"

11. США, 3.N 300105,19.01.89,опубл. 10.09.91,naT.N 5047350, МКИ 5 G01 N 21/64 ,436-136 "Способ и материал для обнаружения кислорода"

12. США, 3.N 655648,14.02.91,опубл.02.03.93,naT.N 5190729 , МКИ 5 G01 N 21/64,422-91 "Люминесцентный кислородный датчик на основе лантанидного комплекса"

13. Bell Tomas W., Sahni Suresh К., Skotheim Teije А., США, 3.N 93924, 12.12.94, on. 1997, пат. N 5580527,МКИ 6 GOl N 21/64,422-82.05, 422 -82.06, 42282.07, 422-82.08 "Полимерные люминофорные материалы для обнаружения кислорода"

14. Плотников В.Г.,Сабадаш Н.С.,Савельев В.А.СССР, .N 3471982/18-25, опубл.19.07.82,а.с. N1065746,МКИ 3 G01 N 21/64 "Устройство для определения концентрации кислорода"

15. Савельев В.А., Плотников В.Г., Пилипчук Ю.Л., Микитченко В.Ф., СССР, 3.N 4626148/31-25 ,27.12.88,опубл. 1991 г. а.с. N 1603259 МКИ 5 G01 N 21/64 "Способ определения содержания кислорода"

16. CU1A,3.N 825735, 03.02.86,опубл. 09.07.91,пат. N 5030420,МКИ 5 G01 N 21/64,21/77,422-82.07 "Устройство для определения кислорода"

17. Захаров И.АХришаева Т.И. Бардин В.В.,Картавцева О.Н., Козлов В.В." АС N1558953 от 18 04.88 г"Способ получения люминесцентного сенсора кислорода"

18. Гершун А.А.Избранные труды по фотометрии и светотехнике. М. Гостехиздат. 1958 г.

19. Иванов.А.П. Оптика рассеивающих сред. Минск. Наука и техника1969 г.

20. Райст.П Аэрозоли Москва.Мир 1987 г.

21. Потемкин В.Г. Система MATLAB. Справочное пособие.-М: Диалог-МИФИ,1998

22. Тихонов А.Н.,Самарский A.A. Уравнения математической физики.-4-e изд.М:НаукаД972.

23. Аэров М.Э.,Тодес О.М. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем. М.Химия 1968 г.

24. Аксененко М.Д., Бараночников М.Л., Смолин О.В. Микроэлектронные фотоприемные устройства М.Энергоатомиздат 1984 г.

25. Акимов П.С. Сенин А.И. Соленов В.И. Сигналы и их обработка в информационных системах. М.Радио и связь 1994 г.

26. А.Вап-дер-Зил Шумы при измерениях(пер с англ.)М. "Мир" .1979

27. Томский К. А. Разработка и создание измерителей видимого и ультрафиолетового излучений: Дис.канд.техн.наук.С-Пб.1999г.

28. Цветное оптическое стекло. Каталог.М.1970 г.

29. Краузе В.Конструирование приборов (пер.с нем) М.Машиностроение 1987г.

30. Повышение стабильности и надежности работы чувствительного элемента фл газоанализатора. Отчет/ЛТИ им.Ленсовета.Л.:1988г №01.88.0018172

31. ЗЗ.Ишанин Г.Г.Приемники излучения оптических и оптико-электронных приборов Л.Машиностроение,1986

32. Ишанин Г.Г.Панков Э.Д. Андреев A.A. Источники и приемники излучения СПб.Политехника.1991

33. Новицкий П.В.,Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений Л.Энергоатомиздат 1991г.

34. Бурдун Г.Д. Марков Б.н. Основы метрологии.Учебное пособие для вузов. Изд.стандартов 1975 г

35. Михеев М.А. Михеева И.М. Краткий курс теплопередачи М-Л.ГЭИ 1960

36. Лыков А.В.Теория теплопроводности М."Высшая школа" 1967

37. Увеличение ресурса работы чувствительного элемента для фл— газоанализатора. Отчет/ЛТИ им.Ленсовета.Л.:1987г №01.87.0064566

38. СССР »19 65 году за РаЗШбоТГГУгазоанализатора кислороду

39. Директор по« ильокв и О к рана природы СССР»1. ВДНХ СССР1. Лрвдсед«т«льэкспертной1. КОМИССИИ1.уаЗЙЙВ1. Г.В.ЕпихЬт1.§ | I I *51. В?1. УТВЕРЖДАЮ1. ТЕКО"1. CS Сочено*1005.95г.1. АКТо «жцрении быстродействующего люмиясамггно-кюяттеошю «имимтора ■шслорол*

40. Настошин* «кг еоспилм а юн что быотргдсЛствуюший шлкятор кислорода работающий hi принципе тутекия яюмммевменцин (шифр "МАК'Х разработишый пол руюво.ютвом В В. Катом, внедрен « промзволсяа, тгогиммепя н посгаммтся мало* серией

41. Н«ж>*щий »я не может служш-ь осномяиен два финансов«* р»счето»r^eodpaaoB&reJUi вйммэатоЕ* хяе^орр^,

42. ВимродмюиунвдИ *и»нв&цемн»й' ' ' перакчнь» nç«o6pa»ciafMk для «таляМтерв мдеором, рм&омтя« на пршадшв хэасракия отапенм »ушвиия «минвонвиици крво»»вд«1в кислорц»«ы , раарябомн по твхнкчвекоыу «адали» (¡КЗ ГА.

43. ВэнДу этеутчзтви* анвдэгеа првоЙржа-о»в»«д* и ancoparyfn факгачгаскяЯ якоиомнпаскхя вффект не расчитывается. НдсюящкИ an« не может ' "Ьцучмть оонаяамк«*^ для финанойм*реечото». . •' •;."" .. . . > с >' '• Г •

44. Программа синтеза кривой пропускания (целевой функции) как суммыпропусканий базовых функцийclearformat short3адаем диапазон изменения функцийvH360;380; 400; 420; 440; 450; 460; 480; 500; 520; 540.;3адаем вид базисных функций

45. Переходим от произведения к суммам, и вычисляем минимум невязки c=log(t);

46. Р=0; 1=0.05; for г=0:1:2 Ь=-г+с; р=р+1; X=nnls(A,b); Y=norm(A*nnls(A,b)-b); Res(:,p>=Y; Re(:,p)=X; end1. F,p.=min(Res)1. G=-Re(:,p)r=l*(p-l)1. O-A *Gxl=exp(0);yl=exp(-r+c);

47. Выводим в виде графиков plot(w,xl ,'c',w,y 1 ,Y)

48. Программа синтеза оптимального набора светофильтров для люминесцентнокинешческого анализатора кислородаclearformat long

49. Вводнм интервал длин волн.записанный в файле "lenth'fid = fopenClenth.rn'/rt');1.= fscanf(fid,'%f ,16); fclose(fid);

50. Вводим спектры светофильтров записанных в файле "sfspectr* fid = fopen('sfspectr.m,,,r{,); fori =1:16 forj= 1:61.i j) fscanf(fid,'%f ,1); end endfclose(fid);

51. Вводим спектр поглощения записанный в файле "goalin' fid = fopenCgoaiin.mVrt');

52. G1 = fscanf(fid,'%f ,16); fclose(fid);

53. Вводим спектр поглощения записанный в файле "goalout* fid = fopen('goalout.mVrt');

54. G2 = fscanf(fid,'%f ,16); fclose(fid); Smin4nf;

55. Вводим интервал изменения переменных) for m=l:10; for e=l:10; for f=l:10;

56. F,p.~min(Res); T=Re(:,p); r-l*(p-l); P=I*T; xl=exp(P); yl=exp(-r+c); %Для выходных c2~log(G4); p2=0; 12-0.05; for r2=0:12:4 b=-r2+c2; p2-p2+l; X2=nnls(I,b); Y2-norm(I*nnls(I,b)-b); Rs(:,p2)=Y2; R(:,p2)-X2; end

57. F2,p2.=min(Rs); T2=R(:,p2); й=12»(р2-1); 02-I*T2; x2=exp(02); y2=exp(-r2+c2); %Вычисляем площадь псрскрытня-прямое прохождение h=xl.*x2;

58. Учитываем спектры излучателя и фотоприемника %Вводим интегральную величину приведенного электрического шума фотоприемника А=0.1;