автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Многоканальная распределенная автоматизированная система контроля содержания хлора в воздухе рабочей зоны промышленных предприятий

РГ6 од

пб од

и з ФЕВ 1998

На правах рукописи

ДЕМИДОВ ВИКТОР ДМИТРИЕВИЧ

МНОГОКАНАЛЬНАЯ РАСПРЕДЕЛЕННАЯ АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ СОДЕРЖАНИЯ ХЛОРА В ВОЗДУХЕ РАБОЧЕЙ ЗОНЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА -1997

Работа выполнена в Московской Государственной академии химического машиностроения.

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор

Кораблев Игорь Васильевич Научный консультант: Кандидат технических наук Зимин Павел Борисович

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор Пушкин Игорь Александрович Кандидат технических наук Салахов Хайдар Нуриевич

Ведущее предприятие: НПО "Химавтоматика".

■■Я*

Защита состоится " -< г" ^-^¡рр ■ 199^£г. в__часов на заседании

специализированного совета Д063.44.02 при Московском Государственном университете инженерной экологии, 107884, г.Москва, ул. Старая Басманная, 21/4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУИЭ. Автореферат разослан ^ЛсЬ 199^.

Ученый секретарь специализированного совета к.т.н. доцент

ГД.Шишов

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Хлор является одним из наиболее широко распространенных среди эименяемых в производстве сильно действующих ядовитых веществ ( СДДВ). Он ¡пользуется как непосредственно в химической промышленности (производство юрсодержащих органических и неорганических соединений - хлорная ромышленность ), так и в текстильной, целлюлозной, оборонной и других отраслях ромышленности, в коммунальном хозяйстве для хлорирования воды и для прочих шитарных нужд. Мировое производство хлора превысило 30 млн. тонн в год. [отребители хлора расположены часто в черте крупных населенных пунктов. При гом хлор является одним из сильнейших отравляющих веществ (достаточно :помнить, что это было первое отравляющее вещество, примененное против еловека в военных действиях ). Предельно допустимая концентрация содержания пора в воздухе (ПДК) составляет I мг/м3. Наиболее опасны выливы жидкого хлора, ак как 1 л сжиженного газа образует до 400 л воздушной смеси смертельно опасной онцентрации. Острое отравление парами хлора сказывается мгновенно, а ыздоровление проходит долго, часто сопровождается тяжелыми осложнениям!!, •пасен хлор и в малых концентрациях при длительном воздействии, вызывая ронические заболевания. В настоящее время все большее внимание уделяется оздействию хлора на природную среду в целом.

Как правило, объекты хранения и производства хлора укомплектованы остаточно надежными системами локализации и ликвидации его выбросов. Однако ффективность их применения напрямую связана со своевременностью включения, [оэтому так необходимо иметь надежные средства обнаружения и контроля одержания хлора в воздухе промышленных предприятий. Применяемые на практике ешения с использованием существующих газоанализаторов хлора не отвечают □временным требованиям. Полностью отсутствуют комплексные решения по онтролю за содержанием хлора в атмосфере на значительных площадях -ерритории предприятия, производства и т.п. Имеющиеся приборы не способны аботать в составе современных автоматических систем контроля. Поэтому создание втоматической системы контроля содержания хлора в воздухе рабочей зоны ромышленных предприятий (далее по тексту - АСКХ) представляет актуальную аучно-техническую задачу.

Цель работы

Создание многоканальной распределенной автоматизированной системы :онтроля за содержания хлора в воздухе рабочей зоны промышленных предприятий^ ысокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками. Для юстижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать методику анализа химической обстановки на объектах, [роизводящих, перерабатывающих или хранящих хлор.

2. Создать газоанализаторы хлора с различными диапазонами измерения, >твечающие техническим требованиям к приборам в составе АСКХ.

-1-3955

3. Разработать многоканальную распределенную АСКХ с измерительны» комплексом на основе созданных газоанализаторов.

Методика исследований

В диссертационной работе использованы методы системного анализа математического моделирования, технической кибернетики, системотехники 1 метрологии.

Научная ценность

1. Модифицирована методика анализа химичесхой обстановки на объектах производящих, перерабатывающих или хранящих хлор. Полученная методик; позволяет решать задачи прогнозирования химической обстановки при авариях < выбросом хлора, оценивать последствий таких выбросов, давать рекомендации п< ликвидации последствий выбросов, моделировать различные аварийные ситуации,; также служит основой для алгоритмического и программного обеспечения АСКХ.

2. Созданы электрохимические газоанализаторы хлора с диапазонам! измерения (0.5...50) мг/м3 - ППХ1 и (0...5) мг/м3 - ППХ2. В сравнении существующими фотоколориметрическими приборами ("Сирена-М'' и ФКГ-ЗМ данные газоанализаторы обладают следующими преимуществами:

- имеют значительно более широкий диапазон измерения;

- не нуждаются в специальных помещениях для установки, подводе воздуха I

тепла;

- питание осуществляется безопасным напряжением (24 В);

- практически не нуждаются в обслуживании - чувствительный элемен меняется один раз в год, проверка работоспособности газоанализатор осуществляется дистанционно;

- способны работать как автономно, так и в составе АСКХ;

• способны решать задачи экологического мониторинга.

3. Создана многоканальная (до 48 каналов) распределена автоматизированная система контроля содержания хлора в воздухе рабочей зон] промышленных предприятий с измерительным комплексом на основ газоанализаторов ППХ1 и ППХ2, способная контролировать концентрацию хлора широком диапазоне измерений на значительных производственных площадя; Высокая точность и широкий диапазон измерения концентрации хлора позволяе использовать АСКХ для задач экологического контроля.

Практически ценность

1. Впервые разработана, создана и серийно выпускается автоматическг система контроля содержания хлора в рабочей зоне промышленного' предприят* СКХ1.

2. Электрохимические газоанализаторы ППХ1 и ППХ2, созданные для СЮ 1, получили распространение в качестве приборов измерения концентрации хло; взамен фотоколориметрических газоанализаторов "ФКГ-З(ЗМ)" и "Сирена-М".

3. Система СКХ-1 и газоанализаторы ППХ1 и ППХ2 успешно выдержал; Госиспытания и внесены в Государственный реестр средств измерения.

4. На основе АСКХ ведется разработка многоканальных автоматизированных истем контроля других СДЯВ ( например, аммиака).

Реализация в промышленности

Экспериментальная партия первичных преобразователей хлора с диапазоном измерения 0...20 мг/м5 в количестве 15 илук более трех лет успешно эксплуатируется 10 "Капролактам" г. Дзержинска, Нижегородской обл.

Система СКХ-1 в составе 21 ППХ1 установлена и эксплуатируется в течение дух лет ПО "Химпром" г. Чебоксары. Вторичная аппаратура системы через :пециальный контроллер БУС управляет автоматической системой защиты от сбросов хлора. Рабочее место оператора оснащено ПЭВМ типа IBM-PC.

Первая очередь системы СКХ-1 из 11 ППХ1 эксплуатируется Восточной юдопроводной станцией Мосводоканала с сентября 1996 года. Ведется монтаж »торой очереди из 9 ППХ1.

Ведутся пуско-наладочные работы на ПО "Каустик" в г. Волгоград. В состав 2КХ-1 входят 48 ППХ1. Для системы разрабатывается программное обеспечение для 1рогнозирования развития химической обстановки на объекте.

Производится монтаж СКХ-1 в Производственном управлении водоснабжения г. Челябинск в составе 8 ППХ1 и блока управления системой защиты.

Планируется установка СКХ-2 на Рублевской водонапорной станции Мосводоканала. В составе системы 24 ППХ (10 ППХ2 и 14 ППХ1), блок управления системой защиты и ПЭВМ.

Разрабатывается СКХ-2 в составе 10 ППХ2 для замены газоанализаторов "Сирена-М" на ПО "Химпром" в г. Чебоксары.

Апробация работы

Система СКХ-1 была представлена на выставках МЧС России "Средства спасения - 96" в С.-Петербурге и "Средства спасения - 97. Безопасность города" в Москве.

Результаты работ по созданию электрохимических газоанализаторов ППХ-1 и ППХ-2 и многоканальной автоматизированной системы контроля содержания хлора в воздухе рабочей зоны предприятий АСКХ были доложены на научных конференциях в Тамбове - "Новейшие достижения в области электрохимических методов анализа, 1995" и Москве - "ILVII научно-техническая конференция, МГАХМ, 1997".

Объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, изложенных на 155 страницах, иллюстрируется 16 рисунками, содержит 24 таблицы, список литературы, включающий 61 наименование, четырех приложений.

Основное содержание работы

Во введения обосновывается актуальность разработки автоматических систем контроля (АСК) содержания сильнодействующих ядовитых веществ (СДЯВ) в воздухе, показывается преимущество комплекса газоанализаторов перед одиночными приборами и делается краткий анализ существующих средств контроля концентрации хлора в воздухе.

1-1*

3

В первой главе проводится сравнительный анализ современных методш оценки опасности выбросов СДЯВ в атмосферу и разрабатываете) модифицированная методика оценки химической обстановки на объектах содержащих хлор. Дальнейшая разработка АСКХ проводилась с у чего N использования данной методики в работе автоматической системы газового анализа.

Оценка химической обстановки производится с учетом последствий аварии н: объекте. Основными характеристиками химического заражения являются масштабы опасность и продолжительность поражающего действия хлора. В разработанно{ методике даны основные понятия и приведен набор количественных показателей характеризующих последствия аварий на объектах, содержащих хлор.

В качестве основных показателей, характеризующих масштабы химическогс заражения, определены:

- радиус района опасности и его площадь;

- глубина и площадь зон, опасных для заражения местности, техники и одеждь (обычной и защитной );

• глубина и площадь распространения первичного и вторичного облако: СДЯВ;

- глубина и площадь зоны, в пределах которой вода в открытых источника? может быть заражена до опасных концентраций.

Продолжительность химического заражения характеризует временньк пределы проявлений последствий аварий. В методике она характеризуется времене1* химического заражения воздуха в районе аварии и за его пределами, временегь естественной дегазации техники и самообеззараживания водоисточников, а такж! временем подхода облака СДЯВ к рубежам, расположенным на различном удаленш от места аварии.

Значение глубин распространения определяется по пороговой дозе дп взрослых людей (РС).

Количество вещества, переходящее в первичное облако СДЯВ при разрушенш емкости, рассчитывается по формуле:

где 12, -количество вещества, переводимое в первичное облако;

{2 - общее количество СДЯВ в емкости;

К5\ - доля СДЯВ, переводимая в виде пара за счет разности упругосп насыщенных паров СДЯВ в емкости и парциального давления ь воздух! (дроссельный эффект);

КЗ,-доля СДЯВ, переводимая в пар за счет изменения теплосодержани)

жидкости и тепла поверхности земли (материала поддона или обваловки).

= Cp.iT,- Г.) г

где Ср* - средняя удельная теплоемкость жидкости при постоянном давлении [кДж/кг град);

Ти - температура хранения СДЯВ, [град];

Тк - температура кипения СДЯВ, [град];

г - удельная теплота парообразования, [кДж/кг град].

Для емкостей с хлором в зависимости от температуры окружающего воздуха "в в диапазоне от -40 °С до +60 °С для приблизительной оценки К8\ можно юспользоваться следующей таблицей:

Тв, °С -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60

К5\, % 0 1.1 3.9 7.8 11.1 14.1 17.5 21.2 24.7 27.8 30.8

КЗ,- зависит от множества факторов, в том числе от времени испарения "ДЯВ, в течение которого испаряющаяся часть будет "подпитывать" первичное >блако. В данной методике этот период принят равным 10 мин. В зависимости от •емпературы воздуха Тв можно приблизительно оценить:

Тв ,°С Тв<10 10<ТВ<20 30<ТВ

К5-;, % 1 2 3

Основным процессом, определяющим поступление СДЯВ во вторичное облако, шляется процесс его испарения с зеркала пролива. В методике данный процесс рассматривается в квазистационарном приближением, т.е. в предположении о ггационарном режиме испарения.

Количество вещества, поступающего во вторичное облако, определяется из »отношения:

2 2 = 3.6 1 0 5 • Е • ' 'ксл .

где 0»2- количество СДЯВ, поступившего в атмосферу за интервал времени 1спарения (1Исп), кг,

Е - удельная скорость испарения, кг/м с;

1исп - время испарения, час;

Бпр - площадь поверхности зеркала пролива, м2.

Обычно поддоны и обвалования имеют форму окружности, поэтому в мелодике принято, что Бпр = Л-йщ, Щ.

Необходимое для расчетов значение приведенного диаметра пролива эпределяется го соотношения:

д /45ПР _ Г1-22 ■ - 61) / Р - с поддоном

"* V я- [5.04 • - £?,)/ р - без поддона

где 1.22 и 5.04 - размерные коэффициенты, м;

г - плотность СДЯВ, кг/м;

О - общее количество СДЯВ, находящееся в емкости, кг.

В этом соотношении высота поддона (обваловки ) принята равной 1м. Для тех случаев, когда она превышает указанную величину, рекомендуется соотношение:

= - вх)'р .

V 0

1-2-3955

5

где И» • высота поддона (обваловки), м.

Значение удельной скорости определяется по теоретическому соотношению \ Братсерта

г пи У , ■ М ,г ■ М . 1 1 ..

£ " °14Г".ги •■"Р(-Г-1[77- 77])-

где 11|- скорость ветра на высоте 1м, м/с;

М - молекулярная масса жидкости, г/моль;

Тн - температура слоя испарения, К;

Т» - температура кипения жидкости, К;

Ь - линейный размер зеркала пролива по направлению ветра (либ приведенный диаметр зеркала);

Я - универсальная газовая постоянная ( 8.3 кДж/кмоль К);

г - удельная теплота парообразования ( кДж/кг К).

Распространение облака СДЯВ в режиме турбулентного перемешивания методике описывается на основе комплексного подхода к процессу диффузи, примеси в приземном слое атмосферы. Разработанная модель применима источникам различных типов (точечный, линейный и плоский), с учето! метеорологических условий и взаимодействия примеси с подстилающе поверхностью.

В общем виде выражение для расчета концентрации от точечного источник пассивной невесомой примеси имеет вид:

Ст(х,у,1,Н)~ 1(2) - А • /(е) • ДДх), где Ц<5) и X - параметры

Ц0>—=?-г. I- 1+И

г.-ГО+р)* 2,-и,-г,

«у) - функция, характеризующая распространение примеси по оси У.

ДДх) - функция, характеризующая распределенность примесей по осям X, 2:

Д1(х)=(КУх)р • ехр (Я/х); где 0 - количество вещества, поступившее в атмосферу, г; г\ - высота флюгера, м; 41 - скорость ветра по высоте флюгера, м/с;

т, р - параметры, зависящие от метеорологических условий, приведены таблице "Значение параметров модели"; I р- время работы источника, с; Я - параметр

а . _2\ ' Ц I_ ( Н

(1 + т + е)1 • к, г,

где е - параметр, зависящий от температурной стратификации К| - коэффициент вертикальной турбулентной диффузии на высоте

где Ь0- параметр, зависящий от температурной стратификации.

Значение параметров модели

Температурим стратификация Значения параметров

е Р т Ь„ а

конвекция -0.20 1.21 0.15 0.13 0.36 0.90

изотерыия О.ОО 1.00 0.20 0.06 0.28 0.75

инверсия 0.20 0.86 0.28 0.03 0.20 0.60

Переход к линейному и плоскому источникам осуществляется исходя из равнений:

С,(х,у,/,Я ) = $ Ст(х,у,Т1 )<1п

I X - Ц X - ц

где у0 -1/2 размера источника по оси у, м;

2х0 - протяженность источника по оси х, м.

Исходя из этого, выражение для функции Г(у) в случае линейного источника [меет вид

/(у) =

4у» Ы2 3у -41 8,

а плоского -

где 5у - среднеквадратическое отклонение координат примеси по оси у с учетом гачального линейного размера, м.

здесь с!у, а - параметры.

Определение глубин распространения первичного и вторичного облаков 2ДЯВ осуществляется по вышеприведенным соотношениям методом юследовательного приближения. При этом значение граничной концентрации С или цозы Д определяется с учетом флуктуации и времени нахождения людей в зонах распространения СДЯВ по соотношению

Дгр(Сф) = РСт5о(РС5о)-Кр,

-2*

7

где РОг« (РСм) - пороговое значение дозы (концентрации), зависящее в случае малых концентраций от времени воздействия;

Кр - коэффициент превышения, учитывающий наличие в реальных условиях флуктуации значения дозы (концентрации). Значение коэффициента определяется в зависимости от величины доверительного интервала вероятностей, метеорологических и топографических условий распространения СДЯВ.

Продолжительность химического заражения приземного слоя атмосферы непосредственно на объекте оценивалась временем испарения СДЯВ с площади разлива

г

Тисп '

где (Зг- количество вещества, т;

Е - удельная скорость стационарного режима испарения, кг/м3с;

Бпр - площадь пролива, м2.

В случае оценки продолжительности химического заражения за пределами района аварии, .дополнительно учитывается влияние метеорологических и топографических условий на рассеяние СДЯВ в атмосфере.

Выводом первой главы является техническое задание на создаваемую систему контроля содержания хлора в атмосфере (СКХ).

Вторая глава посвящена разработке и исследованию характеристик газоанализатора хлора.

Анализ применяемых методов и приборов измерения концентрации хлора показал, что существующие фотоколориметрические газоанализаторы "Сирена-М" и ФКГ-3 (ЗМ) не могут быть использованы в автоматических измерительных комплексах, так как имеют большое время запаздывания и узкий диапазон контроля. Поэтому для измерения концентрации хлора был разработаны и созданы первичные преобразователи хлора - ППХ1 и ППХ2.

После сравнительного анализа имеющихся чувствительных элементов (ЧЭ) для ППХ был выбран электрохимических сенсор. Основными преимуществами электрохимического сенсора перед остальными из испытанных являются высокая избирательность, большой диапазон измерения (0...100мг/м}), практически линейный выходной сигнал, слабая зависимость от влажности и температуры окружающей среды. Важным свойством данного ЧЭ является нечувствительность к неизмеряемым компонентам, таким как СО, СОг, ШБ, 80г, N0, (ЫО)х, ЫНз, парам органики и хлорорганики.

На основании принципа работы электрохимического сенсора построена математическая модель ЧЭ. Математическое моделирование позволило определить направления исследования характеристик ЧЭ и основные конструкционные параметры газоанализаторов.

ЧЭ выполнен в виде таблетки, состоящей из плоскопараллельных электродов (индикаторный и вспомогательный ), разделенных слоем протонпроводящего электролита. Электроды изготовлены из активированного порошка титана. Индикаторный и вспомогательный электроды образуют симметричную

электрохимическую систему. В равновесных условиях на электродах протекает одна и та же электрохимическая реакция

Н20 = 2 Н* + -О, + 2 Г J 2 3

В отсутствии хлора в воздухе ЭДС на ЧЭ равна нулю. Воздействие хлора на индикаторный электрод смещает его потенциал в положительную сторону, вызывая перемещение электронов во внешней цепи от вспомогательного электрода к индикаторному, а в слое твердого электролита - миграцию протонов к индикаторному электроду. В этих условиях на индикаторном электроде протекает электрохимическая реакция

С11 + 2Г+ 2 Н* = 2 H Cl

В результате этой реакции хлор восстанавливается в виде хлорводорода и удаляется в атмосферу. На вспомогательном электроде в этих условиях протекает реакция в направлении образования протонов, кислорода и генерации электронов.

Для проведения исследований ЧЭ создана экспериментальная лабораторная установка, позволившая провести в полном объеме исследования характеристик экспериментальной партии электрохимических чувствительных элементов. Поверочные парогазовые смеси, создаваемые экспериментальной установкой, контролировались по методике МВИ Ф-02б-С1г.

На основании разработанной математической модели с учетом анализа экспериментальных данных были созданы различные макеты конструкций газового блока ППХ. В результате серии сравнительных испытаний макетов была выбрана конструкция с диффузионной подачей смеси, которая и явилась основой при создании газового блока газоанализаторов.

Главные требования к электронному блоку газоанализатора - высокая точность преобразования сигнала от ЧЭ, стабильность характеристик в большом температурном диапазоне ( от - 50 °С до + 50 °С ). Для получения высокой точности на всем диапазоне измерения от 0 до 50 мг/м3 ( особенно в начале шкалы ) было решено разработать две различные электронные схемы нормирующего преобразователя: одна для датчика с диапазоном ( 0...5 ) мг/м3, другая - ( 0.5...50 ) мг/м3. Выходным сигналом газоанализатора является ток 4...20 шА. Отказ от универсальной схемы нормирующего преобразователя позволил создать компактный и простой в настройке датчик, с малым потреблением электроэнергии.

С целью совершенствования конструкции газового блока и проверки работы электронных схем были проведены повторные испытания моделей ППХ. С учетом выявленных замечаний и пожеланий созданы газоанализаторы с различными диапазонами измерений - ППХ1 (диапазон измерения 0.5...50 мг/м3) и ППХ2 (диапазон измерения 0...5 мг/м3 ).

Номинальные статические характеристики преобразования аппроксимируются функциями:

дляППХ1 - /=032-С+4(тЛ);дляППХ2- 1 = Ъ2-С+4(тА),

где / - Выходной сигнал ППХ в шА, С - концентрация определяемого компонента в мг/м3.

В результате проведенных исследований и опытно-конструкторских работ разработаны электрохимические газоанализаторы хлора в воздухе промышленной зоны ППХ1' и ППХ2 со следующими техническими характеристиками, подтвержденными результатами Госиспытаний:

ППХ1 ППХ2

Диапазон преобразования ( линейный), мг/м3 0,5-50 0-5

Выходной сигнал, шА 4-20 4-20

Предел основной относительной погрешности 5,% 20 10

Динамические характеристики:

То.бз, с не более 20 не более 20

То,9 , с не более 60 не более 60

Дополнительные погрешности: 0,35 0,35

от изменения температуры окружающей среды

в диапазоне -30 °С - 0 °С на каждые 10 °С 0,55

от изменения относительной влажности 0,55

анализируемого воздуха в диапазоне 80-95 % на каждые 5 %

Анализируемая газовая смесь может содержать неизмеримые компоненты СО, СОа, ШБ, 502, N0, (>Ю)х, N113, паров органики и хлорорганики в пределах 1 ПДК рабочей зоны по каждому компоненту.

Габаритные характеристики газоанализаторов ППХ составляют: 0134 х 72 мм, масса не более 1.5 кг. Благодаря встроенной системе автоматического тестирования характеристик газоанализатора межповерочный интервал приборов ( при непрерывной работе) составляет 1 год и определяется в основном ресурсом электрохимического ЧЭ.

Разработанные газоанализаторы ППХ обладают следующими преимуществами по сравнению с прототипами: имеют значительно более широкий диапазон измерения; способны выдержать перегрузку по хлору до 1000 мг/м3 с последующим восстановлением первоначальной статической характеристики; газоанализаторы не нуждаются в специальных помещениях для установки, подводе воздуха и тепла; их питание осуществляется безопасным напряжением ± 24 В; газоанализаторы практически не нуждаются в обслуживании в течении межповерочного интервала и способны работать как автономно, так и в составе АСКХ.

Первичные преобразователи хлора ППХ1 и ППХ2 успешно выдержали Государственные испытания, получили Сертификаты на утверждение типа средств измерения за № 1512 и № 2597 и внесены в Государственный реестр средств измерений.

Третья глава посвящена разработке и созданию многоканальной автоматической системы контроля, способной охватить большие производственные

площади, измерительная часть которой основана на газоанализаторах ППХ1 и ПГТХ2.

В соответствии с методикой оценки химической обстановки измерительный комплекс СКХ должен охватывать большие по площади территории. Поэтому, с учетом требований надежности и целесообразности, была выбрана трехуровневая магистрально-радиальная структура АСКХ.

Рис.2.

Площадь, способная контролироваться АСКХ.

Первый уровень - первичные преобразователи измеряемых параметров. Сюда входят газоанализаторы хлора ППХ1 и ППХ2, а также измерительные преобразователи температуры, влажности, направления и скорости ветра. Все перечисленные приборы должны иметь нормированный выходной сигнал 1вых=4...20

шА. К системе можно подключать до 48 ППХ. Если измерительные преобразователи влияющих величин тоже имеют выходной сигнал 4...20 шА, то они могут подключаться к системе также, как и ППХ ( однако общее число измеряемых каналов не должно превысить 48). Иначе должна бьпъ предусмотрена возможность непосредственного подключения таких преобразователей к ПЭВМ системы. Газоанализаторы хлора и первичные преобразователи метеопараметров могут быть рассредоточены в радиусе до I км от блока трансляции.

На втором уровне системы находятся блоки трансляции (БТ). Они являются промежуточным звеном между измерительными преобразователями и контроллером системы (ПСОИ). БТ предназначены для преобразования сигналов постоянного тока, поступающих с ППХ, в пропорциональные им частотные сигналы; опроса ППХ со стороны ПСОИ; энергопитания ППХ и организации магистральной линии связи с ПСОИ. В составе комплекса может быть до трех БТ. Блоки трансляции могут быть удалены друг от друга и от пульта сбора и обработки (ПСОИ) на расстояние до 1 км. Так как БТ и ПСОИ связаны по магистральной линии, то крайний из блоков трансляции может быть удален от ПСОИ на 3 км.

На третьем уровне системы находится пульт сбора и обработки (ПСОИ). Он является центром измерительной части системы и выполняет следующие функции:

- прием входных частотных сигналов по магистральной линии связи;

- управление БТ по магистральной линии связи;

- обработку полученной информации по заданному алгоритму;

- формирование выходных дискретных сигналов (5 В, 10 мА) для включения локальной световой сигнализации о превышении порогового значения концентрации хлора в каждой из точек контроля на встроенном мнемотабло ( до 16 точек) или на выносном мнемотабло ( до 48 точек);

- отображение информации по каждому информационному каналу на цифровом табло;

- обобщенную световую и звуковую предаварийную и аварийную сигнализации;

- самопроверку системы с выдачей сигнала "ОТКАЗ" и классификацией отказа, постоянную проверку линий связи между БТ и ПСОИ, а также периодическую автоматическую проверку всех измерительных каналов системы;

- взаимодействие с ПЭВМ типа IBM PC.

Также на этом уровне может быть обеспечена возможность управления ПСОИ автоматическими системами защиты, установленными на производстве (в комплекте системы собственных систем защиты не предусматривается). Для решения такой задачи в комплект системы включается блок управления сигнализацией БУС. БУС подключается непосредственно к ПСОИ. По заданному алгоритму и сигналам от ПСОИ БУС может управлять 24-мя каналами систем защиты. В состав системы входят один ПСОИ и, при необходимости, один БУС.

Исходя из предложенной схемы были разработаны основные элементы технического обеспечения вторичной аппаратуры АСКХ (ПСОИ и БТ), проведены испытания (в том числе государственные) основных измерительных каналов. Результаты испытаний показали, что предел основной допускаемой относительной погрешности вторичной аппаратуры измерительного канала без учета ППХ не превышает 5 %.

Максимальная площадь, контролируемая АСКХ, как видно из на рис.2, составляет около 8 км2.

| Для решения задач прогнозирования химической обстановки на объекте контроля к ПСОИ может быть подключена ПЭВМ типа IBM PC с установленным на ней программным обеспечением. На ПЭВМ возложены следующие задачи:

- анализ текущей обстановки и графическое представление ее на мониторе;

- коррекция показаний в зависимости от погодных условий;

- прогнозирование распространения газового облака при авариях;

- выдача операторам в соответствии с возможными последствиями конкретных рекомендаций;

- управление комплексом защитных устройств;

- документирование и хранение информации.

Так как требования к программному обеспечению сильно зависят от конкретных параметров и конфигурации системы, которые отличаются для различных АСКХ, то не было возможности создать единую универсальную программу. Поэтому были проанализированы существующие наработки, подчеркнуты их достоинства и недостатки. Подробно рассмотрена программа "Гарант-!", созданная в 1992 г. Новокуйбышевским филиалом Гипрокаучук и для персональных ЭВМ типа IBM-PC.

С учетом алгоритма работы измерительного комплекса, модифицированной методики анализа химической обстановки на контролируемом объекте и анализа существующих программных решений приведен алгоритм программного обеспечения для созданной АСКХ. На основе данного алгоритма возможно создание программ для конкретных структурных решений, независимо от выбранных вычислительных комплексов и платформ.

Эта программное обеспечение предназначено для расчета полей концентраций вредных веществ в приземном слое атмосферы, содержащихся в выбросах предприятий. Программа обеспечивает проведение расчетов одновременно по 1000 источникам и 30 различным типам СДЯВ.

Расчет значения концентрации СДЯВ проводится в узлах сетки с заданной величиной шага по осям х,у. Форма расчетной площадки представляет собой произвольно ориентированный прямоугольник. В программе предусмотрено проведение расчетов по 20 подобным площадям, на каждой из которых может быть до 500 расчетных узлов. Исходные данные представляются в табличной форме в виде

текстового файла. Результаты расчетов представляются в виде поля концентрации вредных примесей, выдаваемых на печать в форме таблицы. Кроме того, если задан масштаб карты, то на печать выводится схема с отображением изолиний по ПДВ и ВСВ.

В результате выполнения работ по. созданию методического, алгоритмического, аппаратного и программного обеспечения АСКХ разработана и внедрена- в народное хозяйство система контроля содержания хлора в воздухе промзоны СКХ-1 со следующими техническими характеристиками, подтвержденными результатами Госиспытаний:

диапазон измерения концентрации хлора, мг/м3 0-50;

число информационных каналов до 48;

пороги сигнализации, мг/м3

предаварийные 1 , 5,

аварийные 3, 30;

предел основной относительной погрешности ± 25;

измерительного канала б, %

динамические характеристики измерительного канала

То.9, с не более 90;

время опроса (при 48 точках контроля), с не более 50;

потребляемая мощность не более 500 Вт;

допустимая перегрузка по хлору, мг/м3

до 1000 - с временем восстановления до б часов, до 100 - с временем восстановления до 10 мин; автоматическое тестирование неисправностей с выдачей информации о классификации отказов.

Четвертая глава посвящена метрологическому обеспечению АСКХ. Точность измерений и надежность получения информации являются одними из главных задач измерительного комплекса АСКХ. Обычно эти задачи решают подбором высококачественных компонентов приборов, введением информационной избыточности при обработке и передаче данных, резервированием и дублированием основных аппаратных средств системы. В данной системе, кроме перечисленных способов, в состав каждого ППХ встроен контрольный блок, содержащий электрохимический микрогенератор хлора.

По команде с блока ПСОИ (команда подается либо автоматически, с заданным временным периодом, или по запросу оператора) микрогенератор хлора подает на рабочую поверхность ЧЭ строго определенную порцию хлора. Измеренный сигнал по специальному алгоритму анализируется контроллером ПСОИ. При незначительном отклонении в запоминающее устройство вводится поправка, учитываемая при последующем представлении информации. Если величина отклонения превышает допустимую, соответствующая информация о

данном измерительном канале выводится на информационное табло ПСОИ, требуя проверки или настройки соответствующих приборов.

Используемый метод позволяет проверить работу всего измерительного канала - от ЧЭ газоанализатора до конечного преобразователя блока ПСОИ. При этом значительно повышается надежность работы системы - неисправный канал сразу же определяется, упрощается процедура проверки - отпадает необходимость с каким-либо переносным источником хлора обходить все размещенные на объекте газоанализаторы, сокращается до минимума время проверки.

Применение тестового способа также позволяет эффективно подавлять систематические составляющие погрешности измерительных приборов, отслеживая реальную статическую характеристику газоанализатора. Особенно важно это при резком изменении климатических условий.

Выводы и основные результаты работы.

В работе изложены научно обоснованные технические решения по созданию методического, аппаратурного, алгоритмического и метрологического обеспечения АСКХ и на этой основе впервые разработана и внедрена в народное хозяйство многоканальная автоматизированная система контроля содержания хлора в воздухе, способная отслеживать химическую обстановку на больших площадях и приводить в действие автоматически (или по запросу оператора) системы локализации и ликвидации выбросов хлора, что имеет важное значение для обеспечения безопасности жизнедеятельности производственного персонала и решения задач экологического мониторинга.

1. Разработана модифицированная методика анализа химической обстановки на объектах производящих, перерабатывающих и хранящих хлор, лежащая в основе алгоритма программного обеспечения АСКХ и позволяющая прогнозировать химическую обстановку при авариях, оценивать последствия выбросов хлора, моделировать различные аварийные ситуации.

2. Разработаны электрохимические газоанализаторы хлора в воздухе, которые по сравнению с существующими приборами имеют более широкий диапазон измерения, имеют встроенные системы проверки работоспособности, способны работать в суровых климатических условиях. Возможность дистанционного управления, длительный Срок непрерывной работы без вмешательства обслуживающего педсонала (до одного года) делают данные газоанализаторы пригодными для работы как автономно, так и в составе автоматических измерительных системах.

3. Разработано техническое обеспечение АСКХ (блоки трансляции, пульт сбора и обработки информации, блоки управления сигнализацией, установки для приготовления поверочных газовоздушных смесей и др.) и на этой основе создана

многоканальная (до 48 каналов) распределенная автоматизированная система контроля содержания хлора в воздухе рабочей зоны промышленных предприятий.

4. Разработано метрологическое обеспечение газоанализаторов и АСКХ. Газоанализаторы ППХ1 и ППХ2 прошли госиспытания, внесены в Государственный реестр средств измерений под № 14515-95 и № 16002-97 и рекомендованы к применению как стационарные газоанализаторы хлора. Измерительный комплекс АСКХ успешно прошел госиспытания, внесен в Государственный реестр средств измерений под № 14644-95 и рекомендован к установке на всех предприятиях, производящих, потребляющих или перерабатывающих хлор.

5. Более сотни разработанных электрохимических газоанализаторов и несколько (три установлены и две смонтированы) систем АСКХ внедрены в народное хозяйство. Получены положительные отзывы о работе данных устройств.

6. Опыт разработки газоанализаторов и АСКХ используется при разработке газоанализаторов и многоканальных автоматизированных систем контроля других СДЯВ, например аммиака.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Демидов В.Д., Зимин П.Б., Лихачева К.Н. "Многоканальная автоматическая система измерения концентрации хлора в воздухе". - Депонирована в ВИНИТИ, №3422-В97 от 19.11.97.

2. Демидов В.Д., Зимин П.Б., Лихачева К.Н. "Методика анализа химической опасности выбросов СДЯВ". - Депонирована в ВИНИТИ, №3423-В97 от 19.11.97.

3. Демидов В.Д., Зимин П.Б., Лихачева К.Н. "Применение твердотельных электрохимических сенсоров для измерения концентрации хлора в воздухе". -Депонирована в ВИНИТИ, №3424-В97 от 19.11.97.

4. Демидов В.Д., Кораблев И.В., Зимин П.Б. "Разработка системы автоматического контроля содержания хлора в воздухе производственны* помещений". Труды МГАХМ. Выпуск 1 - М.: МГАХМ.1997

5. Демидов В.Д., Кораблев И.В., Зимин П.Б. " Промышленные электрохимический газоанализатор ПДК хлора". Тезисы докладов научно-технической конференции "Новейшие достижения в области электрохимически; методов анализа", Тамбов, 1995

6. Демидов В.Д., Кораблев И.В., Зимин П.Б. "Разработка сисгемь автоматического контроля содержания хлора в воздухе производственны: помещений". Тезисы докладов научно-технической конференции "Новейши! достижения в области электрохимических методов анализа", Тамбов, 1995

В печать 24.11.97 Усл.-печ. л. 0,93 Тир. 100 экз. Зак 3955 ПИК ВИНИТИ