автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.11, диссертация на тему:Пьезорезонансные газоаналитический сенсор контроля герметичности аммиаконаполненных изделий

СЕВЕРО - ЗАПАДНЫЙ ЗАОЧНЫЙ ГШИТЮШИЧЕСКИЙ ШЮТИГУТ

На правах рукописи

МАСЛЕННИКОВ АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ

ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЫЙ ГАЗОАНАЛИТИЧЕСКИЙ СЕВЗОР КОНТРОЛЯ ГЕРЫЕТИЧВЭСТИ АШЙАН0НА1ЮЛНЕНШХ ИЗДЕЛИЯ

05.02.11 - Мзтоды контроля и диагностика в машиностроении

Автореферат

, диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Санкг-Штербург 1994

Работа выполнена в Дзержинском филиале Нижегородского ордена Трудового Красного Знамени государственного технического университета.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Сажин С. Г.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кузьмин ЕВ

кандидат технических наук, с.н.с. Пэпов Е. Д.

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт "Ва-кууммашприбор".

Зашцта диссертации состоится " Ол&ЛУУ) 1994 г. в

и ' ~Г

/ т часов на заседании специализированного совета К 063.06.02 при Северо-Западном заочном политехническом институте по адресу: 191065, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Северо-Западного заочного политехнического института.

Автореферат разослан " 1% " ^¿/^ЗЗЛьС 1994 г.

Учёный секретарь

специализированного совета ^ Т. Е Курчавова

К» Т» Н» у с* н» с«

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Важнейшей задачей, стоящей перед современным промышленным производством является повышение качества выпускаемой продукции. Для большой группы изделий герметичность является одним из основных критериев качества В связи с этим возникает задача расширения парка современного высококачественного газоаналитического течеискательного оборудования, работающего на различных пробных газах. Другими немаловажными причинами необходимости развития течеискательного оборудования является экологическая обстановка на планете, а также требования взрыво-пожаробе-зопасности. В настоящее время в большинстве высокочувствительных течеискательных устройств, использующих газоанализ, применяются: масс-спектрометрический метод с"масс-спектрометром, настроенным, как правило, на гелий; галогенный метод с определением различных типов фреонов; электронозахватный метод, основанный на регистрации потока электроотрицательных газов, таких как элегаз, галоге-нос-щержащие газы, кислород и другие. Эти методы, решая широкий круг проблем и имея весьма отработанную материально-техническую базу, имеют свои преимущества и недостатки. Общим является то, что эти методы требуют применения своего газа. В большинстве случаев этот газ является пробным, го есть специально используется для ¿контроля герметичности. В некоторых случаях технологический газ служат одновременно и пробным газом.

Кроме того, контроль герметичности с помощью классических течеискательных установок носит одномоментный, разовый характер. Изделие контролируется, дается заключение о годности и оно передаётся в эксплуатацию, при которой возможны нарушения герметичности. Поэтому возникает необходимость оснащения наиболее опасных с точки зрения возникновения утечек участков оборудования отдельными датчиками утечки, которые должны работать вместе с работах^ щим оборудованием. Такого рода проблемы характерны, в том числе,

3

и для аммиачного холодильного и химического оборудования, а также при контроле герметичности а-лмиаконаполненных изделий.

В связи с этим к таким датчикам должны быть предъявлены следующие требования: достаточная чувствительность и быстродействие, высокая надёжность, долговечность как самого чувствительного элемента (в дальнейшем-сенсора) так и устройства, обрабатывающего его сигнал. Этим требованиям отвечают твердотельные чувствительные элементы, а среди них наиболее перспективным для задач тече-искания является газоаналитический пьезорезонансннй сенсор. Поэтому изучение пьезорезонансного сенсора на аммиак и разработка на его основе различного течеискательного оборудования является актуальной научно-технической задачей. Шстояшэя работа направлена на решение этих вопросов.

Вопросы создания оборудования для контроля герметичности изделий машиностроения включены в Межвузовскую целевую комплексную программу работ на 1987 - 1990 годы по развитию неразрушаюшего контроля (приказ N 282 Минвуза СССР от 20.04.87г.), в Комплексную научно-техническую программу на 1986 - 1990 годы (постановление N 543/226 ГКНТ СССР от 21.10.85г. ), в Координационный план АН СССР по проблеме 1.3.9.

Целью работы является проведение теоретических и экспериментальных исследований пьезорезонансного газоаналитического сенсора, предназначенного для регистрации аммиака, а такзке схем тече-искания, улучшающих работу и повышающих эффективность его применения; разработка методики инженерных расчетов; разработка и промышленное внедрение течеискательных и газоаналитических устройств на его основе.

Научная новизна работы состоит в следующем: -выполнена классификация твердотельных газоаналитических сенсоров. В результате установлено, что наиболее перспективным чувствительным элементом для задач течеисканил является пьезоре-

4

зонансный газоаналитический сенсор. Выполнен анализ существующих газочувствительных покрытий пьезорезонансного сенсора на аммиак и установлено, что наиболее подходящими для решения задач течеиска-ния являются хелатные комплексы салицелиденэтаноламина с солями меди и никеля;

-осуществлено теоретическое исследование процесса детектирования утечки с помощью пьезорезонансного ■ газоаналитического масс-чувствительного сенсора, путём рассмотрения работы элегаро-механической модели кварцевого резонатора. Показано, что для повышения чувствительности испытаний необходимо использовать кварцевые резонаторы АГ - среза с частотами основного резонанса в пределах 10 - 15 МГц;

-выполнен анализ механизма работы пьезорезонансного сенсора с учётом задач контроля герметичности и установлено, что для регистрации утечки аммиака чувствительное покрытие необходимо наносить в количестве, эквивалентном снижению начальной частоты резонатора на 0,5 -17.;

-предложена и исследована математическая модель процесса испытаний на герметичность с повышенной чувствительностью за счёт применения сорбциокного накопительного элемента В результате использования системы дифференциальных уравнений динамики и кинетики, адсорбции пробного газа адсорбентом установлены оптимальные условия использования сорбционного накопителя, заключающиеся в ослаблении эффекта размывания концентрационного фронта аммиака в адсорбенте и выборе оптимальных температуры десорбции и величины зерна адсорбента. Создано математическое обеспечение инженерных расчетов системы камера изделия - пьезорезояансный газоаналитический сенсор - сорбционный накопительный элемент;

-впервые установлена эффективность использования сорбционного накопительного элемента в системе камера изделия - сорбционный накопитель - пьезорезонансный сенсор и экспериментально подтверх-

5

дено повышение крутизны статической характеристики системы в восемь раз, а порога её чувствительности на три порядка;

-предложен и экспериментально исследован способ ускоренного восстановления исходной частоты пьезорезонансного сенсора, после воздействия на него чрезмерно высоких концентраций аммиака, путём конвективного теплового или импульсного высокочастотного воздействия на пьезорезонансный сенсор, позволяющий повысить точность и производительность испытаний;

-предложен подход к решению задачи локализации течей с учётом динамических свойств пьезорезонансного аммиачного сенсора, заключающийся в организации потока газа-носителя вдоль изделия и определении концентрации аммиака в газе-носителе с помощью пьезорезонансного сенсора и реализованный при локализации утечки из цилиндрического аммиаконаполненного изделия, имеющего продольный сварной шов;'

-предложена уточнённая методика параметрического контроля герметичности кварцевых резонаторов и фильтров, основанная.на уходе резонансной частоты Э1!их элементов после выдержки во влаго-камере при повышенной температуре, что позволило сократить перебраковку таких изделий'вследствие дифференцированного подхода к величине допустимой утечки в зависимости от номинальной резонансной частоты контролируемого прибора;

-разработан щуповой автономный течеискатель аммиака, позволяющий повысит^' чувствительность, надёжность и технологичность определения утечек из работающего аммиачного оборудования в' условиях высокой фоновой концентрации аммиака; фактическая ценность работы:

-разработана методика инженерных расчетов устройств создаваемых на базе пьезорезонансного чувствительного элемента;

-создана экспериментальная установка и методика исследований

работы системы пьезорезонансный газаналитический сенсор - сорбци-6

онный накопитель;

-разработана методика камерной локализации утечки и установка для её реализации;

-предложен новый способ восстановления чувствительного элемента, улучшающий динамику работы сенсора, на который составлена заявка на изобретение и получена приоритетная справка от 22.04.1992г.

-исследована и оценена эффективность методики параметрического контроля герметичности вакуумированных и газонаполненных кварцевых резонаторов.

-разработан и внедрён суповой течеискатель аммиака ТА-1 и создан комплект технической документации для тиражирования тече-искателя.

-разработана система гаэоаналитического контроля 'состояния рабочей зоны холодильных камер и машинного зала аммиачного промышленного холодильника.

Реализация в промышленности. Результаты исследований использованы при разработке щупового течеискателя аммиака ТА-1, предназначенного для поискапутечек аммиака из работающего аммиачного оборудования и аммиаконаполненных изделий, и в системе газоаналитического контроля воздуха рабочей зоны по аммиаку. Течеискатель внедрён на ГП "Капролактам"г. Дзержинска и на Дзержинском мясокомбинате, имевших мощное холодильное аммиачное оборудование.

Апробация работы. Основные положения защищаемой работы доло-жэны на XII Всесоюзной научно-технической конференции по неразру-шаюшему контролю, Свердловск 1990г.; на научно-технической конференции молодых учёных и специалистов г. Дзержинска 1990г.; на научно-технической конференции "Управление качеством уплотнений и метрологическое обеспечение процессов механообработки" (г.Пенза 1991 г.); на научно-технической конференции "Штоды и средства испытаний промышленной трубопроводной арматуры"!г.Пенза 1992 г.);

7

на Всесоюзной конференции "Экология и проблемы герметичности" в г. Сергиев-ГЬсад 1991г.; на Всероссийской выставке "Высшая школа России и конверсия" г. Шсква 1993г.; а также на семинарах в ИФХ им. Писариевекого АН УССР в г.Киеве и г.Алуште 1990г.

Публикации. Ш результатам выполненных исследований опубликовано 8 научных статей и докладов.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит Í52 страниц текста, 45 рисунков, 12 таблиц. Список литературы 60 наименований. В приложении 2 акта внедрения.

Основные положения, представляемые к защите:

- научно-методический подход к решению задач течеискания, основанный на принципе кварцевого микровзвешивания и позволяющий создать высокочувствительное и высокопроизводительное течеиска-тельное оборудование на базе пьезорезонансного сенсора;

- способ накопления утечки пробного газа в сорбционном накопителе и математическую модель работы системы пьезорезонансный газоаналитический сенсор - сорбционный накопительный элемент;

- математическая модель дефектоскопического сигнала, получаемого при проведении камерной локализации утечки из аммиаконапол-ненного изделия, имеющэго продольный сварной шов;

- способ улучшения динамических свойств пьезорезонансного чувствительного элемента, основанный на заявке на изобретение;

- методика инженерных расчётов и проектирования пьезорезонансного сенсора;

- принципы построения и конструирования течеискательньн и газоаналитических устройств на базе пьезорезонансного сенсора.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ И ФОРМУЛИРОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ Дана характеристика четырём основным типам твердотельных

сенсоров нового поколения. Среди них полупроводниковые сенсоры двух видов - гомогенные (основанные на изменении проводимости гомогенной структуры оксидов олова и цинка с легирующими добавками при появлении аналита) и гетерогенные основанные на изменении порогового напряжения или ёмкости МОП - структуры либо р-п - перехода. Далее рассмотрены свойства пьеаорезонансных сенсоров работающих на обемной акустической волне, принцип действия которых основан на изменении (уменьшении) частоты колебаний кристалла кварца в результате присоединения к их поверхности дополнительной массы (аналита). Отмечена их чрезвычайно высокая чувствительность к присоединённой массе; порог оценивается в 10 грамм. Третьим рассмотренным типом сенсоров явился очень активно исследуемый в последнее время оптико-волоконный сенсор принцип действия которого основан на изменении параметров излучения, выходящего из све-товодного волокна, покрытого специальным составом при появлении аналита Отмечено, что эти сенсоры начали активно изучаться лишь в последние годы и не исчерпали и малой доли своих газоаналитических возможностей. И, наконец, дана характеристика сенсоров работающих на поверхностной акустической волне - ПАВ-сенсоры, принцип действия которых основан на изменении параметров ПАВ в зависимости от концентрации аналита. Отмечена их значительно большая . чувствительность к дестабилизирующим факторам по сравнению с пьезорезонансными сенсорами имеющими с ПАВ-сенсорами родственную природу. Обоснован выбор именно пьезорезонансного сенсора для решения задач контроля герметичности. Выполнен анализ разработанных хемосорбционных покрытий на аммиак и определены наиболее полно отвечавшие задачам контроля герметичности аммиаконаполненых изделий и аммиачного оборудования.

Для проведения исследований пьезорезонансного сенсора на аммиак были использованы три различных чувствительных покрытия*,.

9

высокочувствительное покрытие ЛА-1 (хелатный комплекс салицелиден этанолашша с хлоридом меди, менее чувствительное Лк-7 (аналогичный комплекс» но с хлоридом никеля) н еде менее чувствительное АХ24 (хелатный комплекс два ди-хлор салицилиденэтаноламина с медью).

В качестве примера приведена химическая' формула чувствительно- _ у~~\ £{> го покрытия ЛА-1, которое пред- /( - У\-0~Си___ИгО

ставляет из себя темно-зеленые ,, (1)

зерна следующего химического \

строения (1).

Рассмотрены существующие метода нанесения чувствительных покрытий на поверхность сенсора- На основе проведённого анализа теоретических и экспериментальных работ в области течеискания, а также по смежным разделам науки и техники выполнена постановка задач исследований. "

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ УТЕЧЕК С ПОМОЩЬЮ ПЬЕЗОРЕЗОНАШНОГО СЕЖОРА -

Обосновано применение пьезорезонатора АТ - среза, как наиболее чувствительного, стабильного и технологичного среза для реализации пьезорезонансного сенсора.

При рассмотрении механизма работы пьезорезонансного сенсора была изучена электромеханическая модель работы кварцевого резонатора, а также энергетика колебаний масс-чувствйтельных резонаторов и было показано, что резонаторы с колебаниями сдвига по толщине наиболее высокочастотны, а значит и наиболее чувствительны и термостабильны (АТ-срез). в то же время резонаторы толщинного сдвига - единственные, обладающие независимостью масс-чувствительности от упругих характеристик присоединяемого покрытия. Это 10

позволяет сделать однозначный вывод о том, что эти резонаторы -оптимальный тип масс-чувствительных пьезорезонансных сенсоров. Масс-чувствительный резонатор момэт рассматриваться как преобразователь масса - частота и в этом случае его удобно характеризовать чувствительностью по массе Сга=Гр .где р -плотность присоединяемого материала; М-частотная постоянная; 31 -поверхность пьезоэлемента; Гр - резонансная частота, Чувствительность См растет как квадрат частоты, откуда ясно, что для получения высокой крутизны преобразования целесообразно применять высокочастотные резонаторы. На рис. 1 показан общий вид пьезорезонансно-го масс-чувствительного газоаналитического-сенсора.

Нетрудно показать, что соотношение ДГ/Гр=- дт/т справедливо

Рис.1. Общий вид пьезорезонансного тсс-чувствительного газоаналитического сенсора

и для случая, когда свойства пленки отличны от свойств пьезоэлемента. Для кварцевых резонаторов АТ-среза (Н >=1770 кГц * мм,

где Дм -масса покрытия,г; Гр -частота, (¿ГЦ; ДГ -приращения

Р =2,б5г/см3)

(2)

о

частот»,Гц; 5Х-площадь покрытия, см .

Если f-10 МГц, S «0,1 см^, то чувствительность пьезорезо-нансного сенсора по массе £f/Am - 2,3 кГц/мкг.

фи рассмотрении работы системы пьезарезонансный сенсор -сорбционный накопительный патрон было отмечено, что не во всех случаях чувствительность пьезорезонансного сенсора удовлетворяет требованиям процесса контроля герметичности. Повышение чувствительности процесса контроля предлагается осуществить путем применения сорбционного накопительного элемента (СЮ).

Схема течеискатенльной системы ПРС - СНЭ показана на рис. 2.

¿t

QnP(fp)

Е>——-

v>

■i—ь

Чч К

\камвра1х

—*

CcpSjjuoHUbiCi s накопителб

*2

чу&стВигпельный, ъ/кнент ( ц1 т°)

Рис.2. Схема течеискательной системы: пьезорезонансный сенсор - сорбционный накопительный элемент

При размещении в камере изделия, в ней начинает накапливаться пробное вещество. Одновременно организуется продувка камеры изделия - газом-носителем, который проходит затем через накопитель с сорбентом (активированный уголь, силикагель и т.п.) и только после этого выбрасывается в атмосферу. При этом происходит вынос пробного газа из камеры изделия и накопление его в СНЭ. Этот процесс длится какое-то время, определяемое технологическими требованиями. Затем происходит нагрев СШ и продувка его в обрат-12

i

L

ном направлении и подача этой газовой смеси в камеру чувствительного элемента (сенсора). Для оценки эффективности и границ применения данного метода необходимо математически описать работу сорбционного элемента как при накоплении (адсорбции), так и при отдаче (десорбции) пробного газа. Работа системы пьезорезонансный сенсор сорбционный накопитель определяется несколькими факторами; кинетикой и динамикой сорбционных и десорбционных процессов, происходящих в накопителе, процессом накопления утечки в,среде газа-носителя и процессом преобразования концентрации пробного вещества в частотный выходной сигнал пьезорезонансным сенсором. Система описывающая совокупность вышеназванных процессов представлена уравнениями (3- 6):

Ж+и&Г + дГ V да ; <3>

п Л / втс а' Non 4+атс

L QnP ? Af^(C).

Систему следует дополнить1 начальными и граничными условиями. Начальное; t - О; 0 < х < L; С = 0; а =» 0.

Принятое начальное условие означает, что до начала процесса ни в газовой, ни в твердой фазах на всем протяжении патрона с активным углем адсорбат не содержался. Граничное условие при х » О формулируют следующим образом:

t > О; х= 0; С = Со = const; а = а( t); Т = const, то есть в течение всего процесса в слой поступает газоръ:? поток при постоянных концентрации абсорбтква и температуре.

(4)

(5)

(6)

Принятые обозначения: N0 - концентрация адсорбционных центров; В - равновесная.константа адсорбционного процесса; Т - температура; С - концентрация сорбируемого компонента (ЛН3) в подвижной фазе; а - концентрация того же компонента в неподвижной фазе; и(х,и - линейная скорость переноса подвижной фазы; Б(хЛ) > 0 - коэффициент диффузии (зависящий от координаты и времени в случае медленных возмущений среды); х - координата, направленная вдоль потока по длине патрона, изменяющаяся от 0 до Ь; Ь - длина слоя адсорбента; Ь - время; <?;- величина утечки; Опр - расход газа-носителя;^ - изменение- частоты пьезорезонансного сенсора; Ф -некоторый интегральный оператор, который зависит от свойств сенсора и определяется в экспериментальной части данной работы.

Решение данной системы уравнений позволяет получить в аналитическом виде дефектоскопический сигнал измерительной системы "камера изделия - сорбционный накопительный элемент - пьезорезо-нансный газоаналитический сенсор", установить оптимальные условия использования сорбционного накопителя, заключающиеся в ослаблении эффекта размывания концентрационного фронта аммиака в адсорбенте и выборе оптимальных температуры десорбции и величины зерна адсорбента, создать математическое обеспечение инженерных расчетов измерительной системы.

Другой важнейшей задачей течеискания, как известно, является задача локализации утечки. В работе показано, что используя такие свойства пьезорезонансного сенсора как миниатюрность, высокая чувствительность, малое энергопотребление, относительно низкая стоимость Еозмолко проведение камэрной локализации утечки из ам-«иаконаполнекного изделия с использованием той же (или аналогичной) камеры,- что и при определении суммарной негерметичности.

для изучения вопроса о локализации утечки с помощью пьезоре-гснаионсгд сенсора необходимо рассмотреть вопрос о диффузии пробного газа (аммиака) из течи, допустим, что юд^кулы аммиака появ-

ляютса кз течи о интенсивность» я. т. е. за время от I до Ь+лЬ на интервале от х до х+дх (координата х направлена вдоль сварного ива изделия, поэтому задачу полагаем одномерной). Уравнение диффузии для концентрации аммиака С:

д С

(8)

где аз - эффективный коэффициент диффузии (ег.о значение мо-авт учитывать среди прочих факторов и геометрию задачи); х - «ордината, направленная вдоль и изменяются от О до Ьизд; !лгад -длина изделия; С - концентрация аммиака в газе-носителе; Ъ - время; ч (х,1) - величина 1- й течи. Схема задачи локализации утечки показана на рис. 3.

й -

ПРО

Рис.3.Схема задачи локализации утечки из аммиакакаполненного изделия

Исходя из анализа зависимости (8) и учитывая свойства пьезо-резонансного сенсора были получены заисишсти между велииной течи, расстоянием мевду соседними течами и пороговой чувствительностью пьезорезонансного сенсора. Полученные зависимости показаны на рис. 4.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНОГО СЕНСОРА У, СХЕМ ТЕЧЕИСНАНИЯ НА ЕГО ОСНОВЕ

В вводной части главы проанализирован кеханиоа. взаккодо/-

ствия пробного вещества с чувствительный покрытием гьсьорзг.г,-

течным расстоянием для различных значений пороговой чувствитель-

-2 -2 '3

ности сенсора. Спрр,=5*10 мг/л, Спо рг «1*10 иг/л, Спор3=5*10 мг/л,

Спор^-1*10 мг/л

нансного сенсора с точки зрения основных положений физической химии, касающихся протекания гетерогенных реакций (так как взаимодействие происходит по схеме газ - твёрдое тело). На поверхности сенсора протекает химическая реакция присоединения мевду аммиаком и чувствительным покрытием сенсора Если, эта реакция необратима, то заднего Фронта динамической характеристики не будет вовсе и будет получен химический дозиметр одноразового использования. Для контроля герметичности, особенно автоматизированного, важно, чтобы после воздействия аналита и последующего его удаления сенсор восстановился и как можно быстрее. Такому течению процесса будет удовлетворять обратимая химическая.реакция на поверхности сенсора. Эта реакция будет характеризоваться скоростью прямой реакции, определяющей передний фронт динамической характеристики, ско-

ростью обратной реакции, определяюдей задний фронт динамической характеристики и константой равновесия реакции, равной отношению этих скоростей и определяющей чувствительность сенсора. На эти параметры реакции оказывают существенное влияние внешние факторы, прежде всего температура и давление. На основе этого предложены пути улучшения статических и динамических характеристик сенсора и проведено их экспериментальное исследование.

Экспериментально показано, что при повышении температуры и снижении давления улучшаются динамические свойства, но снижается чувствительность сенсоров и наоборот. Шэтому предложено проводить регистрацию аммиака, используя передний фронт динамической характеристики при нормальном давлении или температуре, а восстановление пьезорезонансного сенсора используя задний фронт динамической характеристики проводить при повышенной температуре или . при пониженном давлении. На рис. 5 показаны зависимости постоянной времени пьезорезонансного сенсора по заднему Фронту динамической характеристики от температуры (а) и давления (б) после воздействия на сенсор смеси с концентрацией аммиака 0,1 мг/л.

сенсора по_ заднему фронту динамической характеристика ог туры (а) и давления (б)

На основе экспериментальных исследований, описанных выше предложены и подтверждены экспериментально пути радикального улучшения динамических свойств аммиачного сенсора, на базе чего составлена заявка на изобретение и подучена приоритетная справка от 22.04.92г.

Проведено исследование работы системы пьезорезонансный сенсор - сорбционный накопитель, экспериментально подтверждена эффективность её применения и доказано значительное повышение чувствительности испытаний при определении суммарной негерметич-

А*

Гц

ности контролируемого изделия.

Результаты экспериментов показаны на рис. 6. Из приведенных зависимостей (зависимость 1 относится к случаю без использования накопительного элемента, а зависимость 2-при его использовании) можно видеть, что отклик сенсора на одну и туже исходную концентрацию аммиака в камере изделия, т.е. при такой же величине утечки во втором случае, почти в 8

раз выю,чем в первом. В качест- О 5 'Ь ¿5 20 25 Ь,С ез чувствительного сенсора ис- Рис. 6.Оценка эффективности ра-пользовался сенсор с чувств иге- . боты сорбционного накопителя дьным покрытием типа ЛА-1 и име- '

юяий предварительную загрузку этим покрытием, равную 30. Z кГц.

Выполнена экспериментальная локализация течей в режиме камерных испытаний с помощью пьезорезонансного сенсора и экспериментально показана эффективность проведения локализации из длинного изделия-правильного поперечного сечения, имеющего одну про-

дольную вону возможного расположения утечек, например, продольный сварной шов. Кроме того выявлена возможность маскировки мелких течей близко расположенными крупными. Этот факт, являясь, в общем случае, ограничением исследуемой схемы, в толе время присущ, в той или иной степени, любому дефектоскопическому исследованию, когда значительно более крупный дефект маскирует близлежащий мелкий. Поэтому исследованная схема локализации утечек является перспективной для решения определённого круга задач.

Результаты экспериментов с сорбционнчм накопительным элементом и исследование локализации утечки бшш обработаны на предмет соответствия математическим моделям. Среднее отклонение теоретических и экспериментальных результатов не превышало 10%. Сопоставление этих же результатов по критерию Фишера показало адекватность математических моделей.

МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ ТЕЧЕИСКАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ НА БАЗЕ ПЬЕЗОРЕЗОНАЮНОГО СЕНСОРА

Исследован параметрический метод контроля герметичности газонаполненных и вакуумированных кварцевых резонаторов и. разработана методика параметрического контроля герметичности таких резонаторов, в результате•чего уточнены требования к степени герметичности и показано что для резонаторов различных частот, эти требования неодинаковы. Работа выполнена для Душанбинского НПО "ЭЛТО".

Предложена методика инженерного расчёта и проектирования пь-езорезонансного сенсора, с учётом технике-метрологических требований предъявляемых к проектируемому прибору.

Разработаны и изготовлены два образца переносного щупсвсго аммиачного течеискателя с автономным питанием, которые внедрены на Дзержинском ГП "Капролактам" и Дзержинском иясокомС:.?н":т>;

используется для контроля герметичности аммиачного холодильного оборудования. Течеискатель состоит из следующих основных частей; основного блока, содержащзнго электронные схемы обработки и выдачи сигнала на индикатор, преобразователь напряжения, побудитель расхода и блок управления им, батарею аккумуляторов; выносного щупа, содержащего камеру с измерительным и опорным кварцем, которые подключены к входам соответствующих электронных генераторов и жгут соединительных проводов и трубки побудителя расхода; выносного блока питания и зарядки аккумуляторов.

Приведены результаты перспективных исследований по созданию стационарной системы газоаналитического контроля воздуха рабочей зоны холодильных камер по аммиаку на Череповецком мясокомбинате.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Обоснована целесообразность применения твердотельных сенсоров в течеискании и показано,- что наиболее перспективным твердотельным чувствительным элементом для задач контроля герметичности является, пьезорезонансный сенсор.

2. Теоретически исследован процесс детектирования утечки • с помощью пьезорезонансного газоаналитического масс-чувствительного сенсора, путём рассмотрения работы электромеханической модели кварцевого резонатора и показано, что для повышения чувствительности испытаний необходимо использовать кварцевые резонаторы АТ -■ среза с частотами основного резонанса в пределах 10 - 15 МГц и при этом загрузка чувствительным покрытием должна быть эквивалентна снижению базовай частоты на 0,5 - IX.

3. Для решения задач контроля герметичности с повышенной чувствительностью предложено использовать течеискательную систему, состоящую из пьезорезонансного сенсора и сорбционного накопителя. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена 20

возможность повышения порога течеискания на три порядка.

4. Показано, что такие свойства пьезорезонансного сенсора, как высокая чувствительность, малогабаритность и другие позволяют проводить качественную локализацию течей в режиме камерных испытаний.

5. Проанализирован механизм взаимодействия пробного вещества с чувствительным покрытием пьезорезонансного сенсора. Изучено влияние внешних факторов, прежде всего температуры и давления на статические и динамические характеристики сенсора и предложены пути улучшения этих характеристик.

6. На основе полученных статических и динамических свойств исследуемого сенсора предложен и экспериментально подтвержден новый подход к использованию влияния температуры и давления для радикального улучшения динамических свойств пьезорезонансного сенсора на аммиак. :

7. Исследован параметрический метод контроля герметичности кварцевых резонаторов и разработана уточнённая методика параметрического контроля герметичности вакуумированных и газонаполненных кварцевых резонаторов и фильтров.

8.-Разработана конструкция и изготовлено два экземпляра валового течеискате ля, предназначенного для поиска негерметичностей в, оборудовании и коммуникациях аммиачного холодильного оборудования на Дзержинских предприятиях "Капролаетам" и мясокомбинат.

9. Выполнены перспективные исследования и разработки по созданию газоаналитической системы контроля концентрации аммиака з воздухе рабочей зоны на Череповецком мясокомбинате.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Масленников А. Е Новые применения твердотельных чувствительных элементов в течеискании //Тезисы доклада XII Бсесокс-нсй научно-технической конференции "Нзразрушавпш Физические к-к'у.:-:

и средства контроля", 11-13 сентября 1990 г. - Свердловск, 1990.-Т.6 , с. 77 - 78. '

контроля герметичности и особенности его применения //Тезисы доклада научно-технической конференции молодых учёных и специалистов г. Дзержинска, ноябрь 1980 г. - Дзержинск, 1990,- С. 20-21.

3. Масленников А. Е Контроль герметичности уплотнений с помощью течеискателя на аммиак //Тезисы доклада конференции "Управление качеством уплотнений и метрологическое.обеспечение процессов механообработки" г. Пэнза 20-21 июня 1991 г. - Пенза, 1991. С. 50-51.

4. Масленников А. К Пьезорезонансный детектор в течеискании: проблемы и пути их решения //Тезисы доклада Всесоюзной конференции "Экология и проблемы герметичности" г. Сергиев Посад 3-6 декабря 1991 г. - Сергиев ГЬсад, 1991.- С. 41.

5. Масленников А. Е , СажинС. Г. Течеискатель-газоанализатор паров аммиака ТГА-1 //Холодильная техника. N 6. 1992.- С.2 - 3..

6. Масленников А. В. Характеристики пьезорезонансного сенсора на аммиак и возможности их улучшения //Тезисы доклада конференции "Штоды и средства испытаний промышленной трубопроводной арматуры" г. Шнза 22-23 сентября 1992 г. - Шнза, 1992. - С. 35-36.

7. Сажин С. Г., Масленников А. К Направления применения твердотельных сенсоров в течеискании и экомониторинге //Дефектоскопия, 1993. N 1. С. 78-84.

8. Масленников А. Б. Автономный течеискатель аммиака // Каталог выставки Всероссийской научно-практической конференции "Высшая школа России и конверсия" г.Москва 22-26 ноября 1993 г. -}.'_ . 1993. - С. 165.

2. Масленников А. В. Пьезорезонансный детектор в устройствах

Александр Владимирович Масленников

Автореферат диссертация на соискание ученой степени . кандидата технических наук

Подп. к печ. 27.01.94. форма? 60x8^/16. Бумага газетная. Печать офсетная. Уч.-изд.л. 1,0. Тира* 70 экз. Заказ Бесплатно.

Лаборатория офсетной печати полиграфической базы Нижегородского государственного технического университета. 603022, Н.Новгород,

пр. Гагарина, I.