автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Раннее обнаружение пожара на АЭС с применением термомагнитного датчика кислорода

9 15-5/971

На правах рукописи

/ /

Крупин Михаил Владимирович

РАННЕЕ ОБНАРУЖЕНИЕ ПОЖАРА НА АЭС С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕРМОМАГНИТНОГО ДАТЧИКА КИСЛОРОДА

Специальность: 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (технические науки, отрасль энергетика)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Крупин Михаил Владимирович

На правах рукописи

I /

РАННЕЕ ОБНАРУЖЕНИЕ ПОЖАРА НА АЭС С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕРМОМАГНИТНОГО ДАТЧИКА КИСЛОРОДА

Специальность: 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (технические науки, отрасль энергетика)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Академии Государственной противопожарной службы МЧС России на кафедре специальной электротехники, автоматизированных

систем и связи

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Зыков Владимир Иванович

Официальные оппоненты: Танклевский Леонид Тимофеевич,

доктор технических наук, профессор, федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого», заведующий кафедрой «Пожарная безопасность»

Самотаев Николай Николаевич,

кандидат технических наук, федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», доцент кафедры микро- и наноэлектроники

Ведущая организация: ФГБУ «Всероссийский ордена «Знак Почета»

научно-исследовательский институт противопожарной обороны» МЧС России

Защита состоится «02» декабря 2015 г. в 13 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 205.002.02 в Академии Государственной противопожарной службы МЧС России по адресу: 129366, Москва, ул. Б. Галушкина, 4, зал Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Академии ГПС МЧС России и на сайте: http://academygps.ru/uploads/files/UbgwV501KlbvGBISWU59.pdf

Автореферат разослан «30» сентября 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Стратегической целью государственной энергетической политики в сфере обеспечения энергетической безопасности является повышение устойчивости энергетического сектора к внешним и внутренним угрозам, надежному энергообеспечению. Существенный вклад в производство электроэнергии вносят десять атомных электростанций (АЭС). Аварии, поломки, выходы из строя любого объекта энергетики являются причиной многомиллионных потерь из-за упущенной выгоды, а также угрозой массовой гибели людей при возникновении крупных пожаров и аварий. Поэтому одним из важнейших направлений обеспечения безопасности энергетической отрасли является повышение пожарной безопасности АЭС.

Развитие пожаров до крупных размеров можно предотвратить созданием эффективной системы их обнаружения. Одним из перспективных направлений повышения эффективности систем автоматической пожарной сигнализации (АПС) является контроль изменений газового состава окружающей среды для более раннего обнаружения начальной фазы развития пожара при низкой вероятности ложных срабатываний. В настоящее время такой контроль осуществляется с помощью газовых пожарных извещателей, контролирующих концентрацию углекислого (СОг) и угарного (СО) газов. Благодаря современному развитию технологий появляются новые датчики газового состава, что позволяет использовать новые способы обнаружения пожара, например, контроль концентрации кислорода в окружающей среде.

Существуют различные методы определения концентрации кислорода в газовых средах. Но несмотря на значительный вклад ученых в решение этой задачи, проблема до конца так и не решена. Существующие методы или не совсем точны, или очень громоздки в аппаратурном оформлении. Для контроля концентрации кислорода в технологических помещениях объектов энергетики наиболее эффективен термомагнитный газоанализатор кислорода.

В настоящее время значение результатов диагностики как источника объективной информации о качестве производственных процессов возросло. В связи с этим к измерительным приборам предъявляются повышенные требования по точности измерений, быстродействию, надежности, массе и габаритным размерам, экономичности питания. Принципы действия основной массы измерительных приборов базируются на работе первичных преобразователей, которые в основном определяют конструкцию прибора, надежность и точность измерений.

Поэтому разработка новых и усовершенствованных первичных преобразователей, датчиков и измерительных приборов, работающих на их основе, является актуальной проблемой, особенно для АЭС, где раннее обнаружение пожароопасной ситуации служит для предотвращения пожара или взрыва, который может вызвать экологическую катастрофу, гибель людей или большой материальный ущерб.

Степень разработанности темы исследования. Значительный вклад в разработку теоретических основ и решение прикладных задач в области пожарной безопасности промышленных объектов энергетики в последние годы внесли такие российские ученые и специалисты, как Смелков Г.И., Микеев А.К., Алешков М.В., Топольский Н.Г., Федоров A.B., Членов А.Н. и др.

В России разработка магнитных газоанализаторов ведется с 1947 г. Первые промышленные образцы газоанализаторов были созданы в 1949 г. М.М. Файнбергом. В дальнейшем были проведены разработки термомагнитных газоанализаторов в специальном конструкторском бюро аналитического приборостроения АН СССР Д.М. Шейниным, Б.Б. Ершовым и Ф.М. Холовым под руководством В.А. Павленко. В настоящее время термомагнитные датчики кислорода используются в основном в стационарных газоанализаторах. В связи с этим требуется проведение дальнейших теоретических и экспериментальных исследований для внедрения термомагнитных датчиков в системы мониторинга окружающей среды.

Целью работы являлось создание термомагнитного датчика кислорода для повышения эффективности раннего обнаружения пожара системой автоматической пожарной сигнализации в помещениях АЭС.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. Проведен анализ пожарной опасности АЭС и методов повышения эффективности и надежности АПС;

2. Предложен метод совершенствования термомагнитного датчика кислорода для газовых пожарных извещателей АПС;

3. Создан экспериментальный стенд для исследования параметров термомагнитного датчика кислорода;

4. Разработана структура построения комплексной системы автоматического радиоканального мониторинга окружающей среды для раннего обнаружения пожара на АЭС с использованием нового термомагнитного датчика кислорода.

Объектом исследования являлась система автоматической пожарной сигнализации на АЭС, а предметом исследования - параметры термомагнитного датчика кислорода газовых пожарных извещателей.

Научная новизна работы заключается в развитии принципов построения и применения АПС на объектах АЭС, реализуемая посредством:

- разработки физико-математической модели термомагнитного датчика кислорода;

- создания экспериментального стенда и разработки методики проведения испытаний термомагнитных датчиков кислорода;

- обоснования возможности интеграции газовых пожарных извещателей на базе термомагнитного датчика кислорода в систему автоматического радиоканального мониторинга окружающей среды.

[ РОССИЙСКАЯ j

!ГОСУДАРСТВЕННАЯ |

Теоретическая значимость исслед(1в^шК# тем. что доказана

возможность применения полученных математических моделей для разработки термомагнитного датчика кислорода и его использования в системе раннего обнаружения пожара на объектах АЭС.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- усовершенствована система раннего обнаружения пожара за счет обеспечения газового контроля окружающей среды на АЭС;

- разработан новый термомагнитный датчик для детектирования кислорода в газовой среде в технических средствах контроля АЭС;

- установлено влияние различных факторов (температуры, давления, положения в пространстве) на метрологические, эксплуатационные и другие характеристики термомагнитного датчика при его использовании в системе мониторинга пожарной безопасности объектов энергетики;

- разработанный термомагнитный датчик кислорода нашел применение при создании газоаналитических приборов, что позволяет повысить уровень пожарной безопасности на АЭС.

Методология и методы исследования. Поставленные задачи решались путем теоретических и экспериментальных исследований. В процессе разработки принципа работы и применения термомагнитного датчика кислорода проводились разносторонние исследования с применением суперпозиции многих методов: теории вероятностей, математической статистики, математического анализа, теории автоматического управления, методов моделирования с применением программных комплексов FDS (Fire Dynamic Simulator), ANSYS, EXEL.

Информационной основой исследования являлись отечественные и зарубежные литературные, правовые и нормативные источники, материалы расследования аварий и пожаров, материалы научно-исследовательских работ по тематике пожарной безопасности.

На защиту выносятся:

1. Физико-математическая модель термомагнитного датчика кислорода;

2. Результаты экспериментальных исследований параметров новой конструкции термомагнитного датчика кислорода и его оптимизации;

3. Методика интеграции газовых пожарных извещателей на базе термомагнитного датчика кислорода в систему автоматического радиоканального мониторинга окружающей среды для раннего обнаружения пожара на АЭС.

Степень достоверности полученных результатов и выводов, сформулированных в диссертации, подтверждается значительным объемом экспериментальных исследований; использованием современных поверенных измерительных приборов и измерительной аппаратуры, обеспечивающих высокую точность измерения; применением для обработки полученных экспериментальных данных апробированных методов статистического анализа.

Материалы диссертации использованы:

- при разработке проектной документации раздела «Мероприятия по обеспечению пожарной безопасности» по системам автоматической противопожарной защиты отдельных зданий и помещений по реализации функции мониторинга газовой среды в целях раннего обнаружения пожара при низкой вероятности ложных срабатываний пожарных извещателей, входящих в систему контроля и управления противопожарной защитой энергоблока АЭС;

- при выполнении научно-исследовательской работы по решению Ученого Совета Академии ГПС от 12.12.2013 г. «Обоснование параметров термомагнитного газоанализатора кислорода в системе пожарного мониторинга объектов энергетики», Академия ГПС МЧС России, 2014 г.;

- при разработке предложений по использованию термомагнитного датчика кислорода в радиоканальной системе «Стрелец-Мониторинг» для мониторинга пожарной безопасности на объектах энергетики в различных городах России;

-в проектно-конструкторской деятельности НПЦ Дельта-5 ОАО «НПП «ДЕЛЬТА» и ООО «СанТан-М» для разработки газоанализатора кислорода с высокими эксплуатационными характеристиками;

- в учебном процессе Академии ГПС МЧС России при совершенствовании дисциплины «Электротехника и электроника».

Основные результаты работы доложены на:

-21-й Международной научно-технической конференции «Системы безопасности -2012» (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2012 г.);

- 1-й Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем, РАДИОИНФОКОМ - 2013» (г. Москва, 2013 г.);

- Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения, \NTERMAТ1С - 2013» (г. Москва,

2013 г.);

- Ш-й Научно-практической конференции «Пожаротушение: проблемы, технологии, инновации» (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2014 г.);

- Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения, ШТЕКМАТ1С - 2014» (г. Москва,

2014 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и четырех приложений. Содержание работы изложено на 157 страницах текста, включает в себя 71 рисунок, 35 таблиц, список литературы из 140 наименований, приложения на 19 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации и степень ее разработанности, сформулированы цель и задачи исследования, проанализированы объект и предмет исследования, показаны научная новизна работы, ее теоретическая и практическая значимость, описана методология и методы исследования, представлены положения, выносимые на защиту, степень достоверности и апробация результатов.

В первой главе «Анализ пожарной опасности АЭС и задачи совершенствования систем автоматической пожарной сигнализации» показано, что АЭС является пожаровзрывоопасным объектом энергетики. Пожарная опасность АЭС заключается в том, что они содержат большое количество горючей нагрузки: дизельное топливо, трансформаторные и турбинные масла, электрические кабели, жидкометаллические теплоносители. Основными причинами пожаров на этих объектах являются аварийные режимы работы электросетей и электрооборудования, неосторожное обращение с огнем, неисправность и нарушение правил эксплуатации технологического оборудования, самовозгорание материалов.

Для повышения безопасности АЭС создаются автоматизированные системы противопожарной защиты (АСПЗ), входящие в состав автоматизированной системы управления технологическим процессом АЭС. За раннее и достоверное обнаружение пожара в целях своевременного принятия мер по его ликвидации в АСПЗ отвечает система автоматической пожарной сигнализации. Несмотря на постоянное совершенствование средств пожарной автоматики, эксплуатационная статистика отмечает в них значительное количество ложных срабатываний, сбоев и отказов. Поэтому одним из важных направлений в обеспечении безопасной работы АЭС является повышение эффективности и надежности АСПЗ посредством развития систем раннего обнаружения пожара.

Современные пожарные извещатели уверенно регистрируют пожар при появлении открытого пламени, что сопровождается сильным изменением физических свойств окружающей среды. Такой пожар уже носит необратимый характер. Для раннего обнаружения пожара используется контроль химического состава воздуха, который резко изменяется при термическом разложении горючих материалов. Ряд газов, выделяющихся на начальной стадии горения, разнообразен и зависит от свойств материалов, участвующих в этом процессе. Однако в большинстве случаев можно уверенно перечислить основные параметры газовой среды для замкнутых помещений: снижение концентрации кислорода, нарастание концентрации углекислого и угарного газов. Контроль этих параметров позволяет своевременно выявить пожар на ранней стадии его развития и принять адекватные меры для его локализации и успешного тушения.

На объектах АЭС, где ложные сигналы при использовании пожарных извещателей с одним сенсором могут быть критичны для технологического процесса, к системе пожарной сигнализации предъявляются высокие требования

по достоверности извещения о пожаре. Поэтому на АЭС предпочтительней использовать мультисенсорные извещатели с несколькими каналами обнаружения пожара, что значительно повышает эффективность АПС в связи с существенным снижением ложных срабатываний извещателей.

Таким образом, возникла необходимость разработки автоматических систем обеспечения пожарной безопасности с дополнительным применением средств контроля загазованности объектов АЭС на основе газоанализаторов, реагирующих на факторы, предшествующие пожару.

В работе проведён анализ основных методов измерения содержания кислорода в газовых смесях, проанализированы их достоинства и недостатки. Показано, что одним из перспективных методов оценки содержания кислорода в газовой среде является магнитный метод, позволяющий использовать созданные на его основе мультисенсорные пожарные извещатели в системах автоматической пожарной сигнализации. В основе этого метода лежат парамагнитные свойства кислорода, магнитная восприимчивость которого в сотни раз выше, чем у других газов. Большинство распространенных газов (азот, двуокись углерода, водород и др.) являются диамагнитными, а их магнитная восприимчивость на два порядка ниже магнитной восприимчивости кислорода. В подавляющем большинстве случаев изменение концентрации кислорода изменяет магнитную восприимчивость смеси независимо от соотношения других компонентов, что и позволяет разработать датчики на кислород с высокой чувствительностью, простотой в изготовлении и независимостью показаний от состава неизмеряемых компонентов газовой среды.

Таким образом, применение термомагнитного датчика кислорода для раннего обнаружения пожара позволит снизить количество ложных срабатываний пожарных извещателей системы автоматической пожарной сигнализации и повысить пожарную безопасность АЭС.

Во второй главе «Разработка методов совершенствования термомагнитных датчиков кислорода» обосновано применение термомагнитного датчика кислорода в системе раннего обнаружения пожара. С помощью программного комплекса /7D.S, и подпрограмм РугоБт и Паттег проведен анализ изменения основных параметров окружающей среды при пожаре в замкнутом помещении, графическое отображение результатов анализа представлено на рисунке 1. Из графиков на рисунке 1 видно, что одним из первых параметров состава газовой среды в замкнутом помещении изменяется параметр концентрации кислорода, который приведен в объемных процентах (%(об.)). Резкое снижение этого параметра оправдывает применение термомагнитного датчика кислорода в составе газового пожарного извещателя. Таким образом, применение мультисенсорных пожарных извещателей с несколькими каналами обнаружения пожара непосредственно влияет на снижение количества ложных срабатываний и, как следствие, повышает пожарную безопасность АЭС.

В работе предложены методы, направленные на расширение эффективности применения термомагнитного датчика кислорода. Для этого был проведен анализ принципа работы предлагаемого датчика, который основан на использовании

явления термомагнитной конвекции кислородосодержащего газа в неоднородном магнитном поле при наличии в нем температурного градиента. В работе Павленко В.А. «Автоматические газоанализаторы» (М., 1961) показано, что сила, вызывающая перемещение элементарного объема газа при термомагнитной конвекции, определяется зависимостью:

1 лн

2 о$

где XI и Х2- магнитная восприимчивость газа при температурах Т\ и Тг соответственно; //-напряженность магнитного поля, А/м; сШ/сЬ - градиент напряженности магнитного поля в направлении действия силы /•"„, А/м2; V— объем газа, м3.

С0г,%(об.) СС0г,СС0,%( об.)

Рисунок 1 - Графики изменения концентрации (С) кислорода (Ог), оксида углерода (СО) и диоксида углерода (СОг) в зависимости от времени (т) после воспламенения пожарной

нагрузки в помещении

Оптимизация конструктивных параметров термомагнитного датчика кислорода потребовала проведения комплекса теоретических и экспериментальных исследований по моделированию структуры магнитного поля постоянных

магнитов, входящих в состав датчика. Для целевой функции выбора конструктивных параметров термомагнитного датчика в качестве количественного параметра в работе использовалось произведение параметров Нс1Н/с1$.

В магнитной части датчика в качестве постоянных магнитов используются наиболее распространенные цилиндрические магниты на основе сплава Ш-Ре-В толщиной 3 мм и диаметром 18 мм, на которые накладываются стальные наконечники соответствующей формы. Немагнитная часть датчика выполняется из алюминия по форме, аналогичной магнитной части. Вид сверху на базовый вариант магнитной системы без замыкающей верхней стальной пластины с указа-

без замыкающей верхней стальной пластины: 8 - ширина воздушного зазора;

И - высота полки; с1 - диаметр магнита; £ - ширина скоса наконечников; 4 - координата вдоль осевой линии; I - стальной наконечник; 2 - постоянный магнит Щ-Ре-В;

3 - немагнитное окружающее пространство; 4 - граница расчетной зоны

В программном комплексе АЫБУБ была решена трехмерная задача магнитостатики для четырех вариантов формы накладных стальных наконечников (/ на рисунке 2). Для этого была применена разработанная трехмерная модель (рисунок 3) магнитной системы термомагнитного датчика, использующая в качестве степени свободы магнитный скалярный потенциал. Стальные пластины и магниты со всех сторон окружались воздухом. Граничные условия задавались следующие: на плоскости симметрии магнитной системы - условие перпендикулярности магнитного потока; на всех внешних плоскостях трехмерной расчетной области - условие затухания магнитного поля на бесконечности.

Рисунок 3 - Расположение в магнитной системе датчика точки начала координат

В результате исследования разработанной физико-математической модели построения магнитной системы термомагнитного датчика кислорода рассчитаны значения напряженности магнитного поля Н = \НХ, Ну, Яг} в области воздушного зазора между стальными наконечниками, а также значения предложенной целевой функции - //¿/Я/а1,у (Р).

В на двумерной расчетной модели (рисунок 2) проведена оптими-

зация размеров и конфигурации магнитной системы датчика методом планирования эксперимента, кодирование факторов эксперимента приводится в таблице 1.

Таблица I - Кодирование факторов эксперимента

Независимые переменные S h L

Кодированные факторы XI Х2 хз

Нижний уровень (-1), мм 1,4 0 стремится к 0

Базовый уровень (0), мм 1,7 1,5 1.75

Верхний уровень (+1), мм 2 3 3,5

Интервал варьирования ДА, мм 0,3 1,5 1,75

В ходе проведения численного моделирования выполнена оптимизация трех магнитных систем: базовой (см. рисунок 2), с вогнутой и выпуклой внутренними поверхностями стальных наконечников. По результатам расчетов проведена аппроксимация распределения напряженности магнитного поля вдоль осевой линии с использованием полинома:

f(s) =D0 + D]S + D2s2 + D3s3 + D4S4 + D5s5 + Des6 + D7s7 + ZV, (1)

где 5 - координата вдоль осевой линии.

Производная от функции f(s) имеет вид:

df(s)/ds = D\+ 2 D2s + 3 D3s2 + 4 D4S3 + 5 Dss4 + 6DeS5 + W7s6 + 8 ¿V. (2)

В результате проведенных исследований обоснованы варианты конструкций магнитной системы, обладающие максимумом целевой функции оптимизации HdH/ds. При этом выявлено, что наилучшей конфигурацией магнитной системы является базовый вариант при 8 = 1,4 мм, h = 3 мм и 5 = 16,4 мм.

На рисунке 4 представлена расчетная зависимость напряженности магнитного поля (Н) в воздушном зазоре от осевой координаты ($), ее аппроксимация в окрестности максимума, а также зависимость произведения Нс1Н/сЬ от осевой координаты (5).

5, м

Рисунок 4 - Графическое отображение расчетных зависимостей Я=/(ж) для базового варианта магнитной системы с параметрами: 8 = 1,4 мм, /г = 3 мм, Ь —► О

Из рисунка 4 видно, что зависимость произведения Нс1Н/с18 от осевой координаты ($) около максимумов имеет очень крутые характеристики, поэтому чувствительные элементы необходимо располагать в местах, где произведение Нс1Н/сЬ максимально.

Реализация полного факторного эксперимента типа 23 позволяет получить полином вида:

Р = Ь0 + Ь\Х\ + Ь2х2 + ЬуХз + ¿12X1X2 + ¿>13X1*3 + ¿>23X2X3+6123X1X2X3, (3)

где ¿>0, ¿>1, 62, Ьз, ¿>12, ¿>13, ¿>23, ¿>123 - коэффициенты полинома, отражающего значение целевой функции Нс1Н/ск, и приведенные в таблице 2.

Ьо éi Ъг Ьз Ъп ¿>13 ¿23 Ь123

3,77375 -1,68125 0,99375 -1,53375 -0,54125 0,06125 -0,99375 0.54125

Найденные коэффициенты полинома Р = Нс1Н/с1$ позволяют вычислить произведение напряженности на её производную в окрестности максимума упомянутой функции.

Коэффициенты полинома, отражающего геометрическое место точек максимумов целевой функции HdH/ds, приведены в таблице 3.

Таблица 3 — Коэффициенты полинома функции мм

¿>о Ai Ъг Ъъ Ь12 ¿>13 ¿>23 ¿>123

15,4875 —0,1875 0,3375 0,1625 -0,0875 0,0375 -0,3375 0,0875

В точку с максимальным значение целевой функции Нс1Н/сЬ устанавливается рабочий чувствительный элемент (РЧЭ) в виде полой спирали диаметром 0,3 -0,4 мм и длиной не более 0,15 мм. Спираль чувствительного элемента приваривается на токопроводящие проводники, установленные в транзисторные стойки (рисунок 5). Такие, почти точечные, размеры спирали позволяют устанавливать РЧЭ в любое место магнитной системы датчика. Сравнительный чувствительный элемент (СЧЭ) размещается в месте, где нет искусственного магнитного поля, а аэродинамические условия аналогичны условиям размещения рабочего элемента (между ложными полюсами геометрически повторяющих магнитные полюса рабочего элемента).

Спираль

Рисунок 5 - Общий вид чувствительного элемента термомагнитного датчика

В термомагнитном датчике кислорода чувствительные элементы: рабочий (служащий для детектирования контролируемого параметра смеси) и сравнительный (для компенсации погрешностей, вызванных неконтролируемыми параметрами смеси) соединены по мостовой схеме (рисунок 6). Резистор /?2 позволяет уравновешивать измерительный мост.

Рисунок 6 - Принципиальная электрическая схема измерительной системы термомагнитного датчика: РЧЭ и СЧЭ - соответственно рабочий и сравнительный чувствительные элементы;

ЛI и /?2 - сопротивления плечей моста: (/„иг - напряжение питания;

С/о - выходной сигнал, пропорциональный контролируемому параметру

В термомагнитном датчике разогретый рабочим чувствительным элементом парамагнитный газ (кислород) в зоне неравномерного магнитного поля снижает свои магнитные свойства и выталкивается холодными частицами газа в сторону падения напряженности магнитного поля. Изменение температуры рабочего чувствительного элемента вызывает изменение его сопротивления и разбаланс измерительного моста. Установлено, что для обеспечения высокого уровня чувствительности термомагнитного датчика чувствительные элементы располагались в такой точке воздушного зазора, в котором термомагнитная сила будет максимальной, и, следовательно, будет максимальной скорость движения потока кислорода, обтекающего чувствительный элемент. Таким образом, величина разбаланса измерительного моста зависит от концентрации кислорода в анализируемой газовой среде.

В третьей главе «Методика и результаты экспериментальных исследований термомагнитного датчика кислорода» представлена методика проведения исследования термомагнитного датчика кислорода и результаты экспериментальной оценки влияния температуры, атмосферного давления и изменения состава неизмеряемых компонентов в газовой смеси на формирование выходного сигнала датчика, а также проведена количественная оценка влияния каждого из перечисленных факторов на погрешность измерения.

Суммарная магнитная восприимчивость смеси, состоящей из кислорода, /-парамагнитных и7-диамагнитных газов, может быть представлена как:

Хсм — 0>2Хо, + ^.СпХп+ У,

(4)

I

где С0г - концентрация кислорода в газовой смеси; Ср - концентрация парамагнитных газов в газовой смеси; С</ - концентрация диамагнитных газов в газовой смеси; Хо2 ~ магнитная восприимчивость кислорода; у^ - магнитная восприимчивость парамагнитных (некислородных) составляющих смеси; х</ - магнитная восприимчивость диамагнитных составляющих смеси.

В результате преобразований уравнение температурной погрешности примет следующий вид:

где АТ - отклонение значения температуры газовой смеси от исходной, К\ Г - текущая температура газовой смеси, К.

Коррекцию температурных погрешностей газоанализатора целесообразно осуществлять алгоритмическим способом посредством встроенного микропроцессора. Алгоритм коррекции синтезируется методом факторного эксперимента на имитационной модели газоанализатора.

Барометрическая составляющая погрешности рассчитывается по формуле:

где АР — отклонение значения давления газовой смеси от атмосферного давления, Па; Р - текущее значение давления газовой смеси, Па.

При формировании показаний термомагнитного газоанализатора в единицах парциального давления коррекция по атмосферному давлению не производится. Если необходимо получение информации о процентном содержании кислорода в анализируемой газовой смеси, то показания термомагнитного датчика корректируют по сигналу. Таким образом, введение микропроцессорной корректирующей цепи и обобщенного алгоритма обработки сигналов датчиков газоанализатора позволяет формировать показания прибора инвариантными к изменению величины дестабилизирующих факторов.

Большинство газов имеют магнитную восприимчивость на два порядка меньше магнитной восприимчивости кислорода, поэтому погрешность, вносимая ими в результат измерения кислорода в газовой смеси, оказывается незначительной. Относительно большую магнитную восприимчивостью имеют только окись и двуокись азота, причем окись азота в присутствии кислорода вступает с ним в реакцию и переходит в двуокись азота. Газовые смеси с двуокисью азота встречаются очень редко, поэтому рассматриваемая погрешность измерений

(5)

(6)

датчиком для подавляющего большинства газовых смесей незначительна и ее можно не принимать во внимание при соблюдении условия:

С0;Хо2 »ЕсДр+ЕсЛ- (7)

Экспериментальные исследования с термомагнитным датчиком проводились на разработанном испытательном стенде, состоящем из пневматической (рисунок 7), силовой и измерительной частей, смонтированных в едином корпусе.

Рисунок 7 - Пневматическая схема испытательного стенда: 1 - баллон с кислородом; 2 - редуктор; 3 - шаровой вентиль; 4 - тройник;

5 - баллон с азотом; 6 - асинхронный двигатель; 7 - вакуумный насос; 8 - вакуумметр;

9 - камера измерительной части

Силовая часть испытательного стенда состоит из вакуумного насоса, который приводится в действие трехфазным асинхронным двигателем. В измерительную часть испытательного стенда входят: термомагнитный датчик; два источника питания; два магазина сопротивлений; цифровые мультиметры. Термомагнитный датчик располагается в герметичной камере 9 (см. рисунок 7), в которой был установлен вентилятор для более равномерного перемешивания газовой смеси. В качестве источника питания термомагнитного датчика используется импульсный лабораторный блок питания.

Эксперименты проводились с использованием азотно-кислородной смеси при давлении 1 атм., температуре окружающей среды 26 °С и входных напряжений 3, 4 и 5 В. Дальнейшее увеличение питающего напряжения вызывает чрезмерное нагревание чувствительных элементов и искажение показаний термомагнитного датчика. Чувствительные элементы устанавливаются симметрично

в магнитной и немагнитной частях термомагнитного датчика на расстоянии 0,5 мм от внешних краев наконечников в середине воздушного зазора по толщине, что позволяет обеспечить необходимый температурный режим и решить проблему влияния сопутствующих компонентов смеси. Чувствительные элементы датчика включены по мостовой схеме и полезный сигнал (и, мВ) снимался с диагонали измерительного моста (см. рисунок 6). В качестве других плеч моста использовались образцовые магазины сопротивлений. Результаты измерений при изменении концентрации кислорода в азоте от 0 % до 25 % в виде графических зависимостей выходного напряжения измерительного моста от концентрации кислорода представлены на рисунке 8. Выходной сигнал датчика носит линейный характер на всем диапазоне концентраций кислорода и обладает чувствительностью к кислороду до 0,6 мВ/% (об.).

Рисунок 8 - Графические зависимости выходного напряжения моста от концентрации кислорода при различных значениях питающего напряжения

Также проведены экспериментальные исследования по определению влияния температуры газовой смеси на показания термомагнитного датчика при давлении азотно-кислородной смеси 1 атм. и питающем напряжении 5 В. С помощью камеры «тепла-холода» типа КТХ-74 изменялась температура газовой смеси в интервале от минус 50 до 70 °С с шагом 10 °С. По результатам анализа экспериментальных данных получена зависимость, которая аппроксимирует экспериментальную (табличную) зависимость с помощью многочлена первой степени у(х) = кх + Ь (рисунок 9). Оценка погрешности экспериментальных данных обрабатывалась методом наименьших квадратов и не превышала 5 %.

- г = -50 °С

— / = -40 °С

+ / = -30 °С

• * = -20 °С

ж / = -10 °С

X / = 0 °С

▲ / = 10 °С

■ / = 20 °С

♦ / = 30 °С

♦ / = 40 °С

■ / = 50 °С

А г = 60 °С

/ = 70 °С

-20

Рисунок 9 - Графическое представление результатов экспериментальных исследований и их аналитические зависимости при постоянном питающем напряжении 5 В

Кроме того, проведены эксперименты по определению зависимости показаний термомагнитного датчика от давления воздуха при температуре окружающей среды 26 °С и питающем напряжении 5 В. Графическая зависимость полученного аппроксимирующего многочлена представлена на рисунке 10.

4[/, мВ

/>изб, М.В.СТ.

0 1 2 3 4 5 6

Рисунок 10 - Графическое представление результатов экспериментальных исследований и их аналитическая зависимость при постоянном питающем напряжении 5 В

Таким образом, был установлено, что термомагнитный датчик кислорода производит измерения парциального давления, что соответствует объемной доли кислорода в газовой среде.

В четвертой главе «Обоснование применения комплексной системы автоматического беспроводного мониторинга окружающей среды» показаны преимущества программно-аппаратного комплекса (ПАК) «Стрелец-Мониторинг», принятого на снабжение в системе МЧС России, и исследована возможность интеграции газовых пожарных извещателей на базе термомагнитного датчика кислорода в систему автоматического радиоканального мониторинга окружающей среды для раннего обнаружения пожара на АЭС.

Большинство существующих систем мониторинга состояния объектов не удовлетворяют современным требованиям по параметрам живучести и надежности, так как в них используется только один канал для передачи данных о состоянии объекта контроля. Как правило, это общедоступные каналы связи, которые обладают существенными недостатками: перегрузки телефонных сетей в случае возникновения паники в городе при чрезвычайных ситуациях (ЧС); крайняя сложность использования GSM-связи в массовые праздники и при ЧС; отключение мобильной связи спецслужбами в случае террористического акта; высокая вероятность обрыва проводных линий связи в случае возникновения ЧС.

Анализ проблемы использования общедоступных каналов связи в нашей стране и за рубежом показал, что GSM канал, используемый в некоторых системах мониторинга, не в состоянии стать единственным средством для решения задач мониторинга. При любой чрезвычайной ситуации природного или техногенного характера, а также при террористических актах - первой отказывает сотовая связь, т.е. отключается GSM канал. Основная проблема сотовой связи -это ее массовость. Поэтому в случае любого чрезвычайного происшествия моментально наступает перегрузка и нарушение работы сотовой сети связи.

Таким образом, можно констатировать, что живучесть системы мониторинга состояния объекта при использовании только одного канала связи для передачи сообщений будет довольно низкой. Для повышения надежности и живучести необходим независимый от сторонних компаний радиоканал передачи данных, который будет надежен в условиях ЧС. В настоящее время таким требованиям удовлетворяет ПАК «Стрелец-Мониторинг», так как позволяет организовать несколько каналов передачи данных с контролируемых объектов: радиоканал, проводной канал, канал сотовой связи, IP-сети. Поэтому в работе рассматривается возможность интеграции газовых пожарных извещателей на базе разработанного термомагнитного датчика кислорода в ПАК «Стрелец-Мониторинг».

Радиоканальная система адресно-аналоговой пожарной сигнализации и оповещения ПАК «Стрелец-Мониторинг» - это семейство микросот, охватывающих защищаемый объект. Каждая микросота ПАК может функционировать самостоятельно, а в ее состав входят следующие составные элементы системы: приемно-контрольный прибор; до 32 охранных, пожарных или технологических радиоизвещетеля; до 16 исполнительных радиоустройств (речевые и звуковые оповещатели, релейные модули); до 16 радиоустройств управления (жидкокристаллические и светодиодные пульты, брелоки); проводные устройства управления.

К техническим факторам, определяющих выбор ПАК «Стрелец-Мониторинг» для решения задач контроля состояния потенциально опасных объектов, относятся: использование десяти рабочих радиоканалов в диапазонах частот 433 и 868 МГц; высокая дальность действия надежной радиосвязи; наличие криптозащищенного двухстороннего протокола обмена; средств постоянного контроля рабочего диапазона частот по обнаружению помех; изменяемая конфигурация радиосети (количество и расположение пожарных частей и радиоретрансляторов); информационная емкость системы мониторинга; разнообразие модельного ряда абонентского оборудования; средства контроля и диагностики системы радиомониторинга. Для обеспечения устойчивой радиосвязи и повышения ее надежности в ПАК «Стрелец-Мониторинг» используются: автовыбор резервных каналов; изменение периода выхода в эфир; изменение мощности излучения передатчика.

В состав радиосистемы ПАК «Стрелец-Мониторинг» входят полные аналоги проводных адресно-аналоговых извещателей и модулей: радиоканальные пожарные извещатели серии «Аврора»; радиоканальные ручные пожарные извещатели; радиоканальные входные и исполнительные модули; звуковые оповещатели «Сирена-Р». Для интеграции предлагаемых газовых пожарных извещателей как в ПАК «Стрелец-Мониторинг», так и в любые другие охранно-пожарные системы, необходимо и достаточно обеспечить сопряжение пожарного извещателя с приемно-контрольным устройством выбранной охранно-пожарной системы. Структурная схема комплексной системы радиоканального мониторинга окружающей среды для раннего обнаружения пожара на АЭС представлена на рисунке 11.

Извешатель пожарный

тепловой Извешатель

пожарный комбинированный

Блок исполнительный радиоканальный

Канал связи Исполнительные устройства

пожарной сигнализации

Пульт централизованного наблюдения

Рисунок 11 - Структурная схема комплексной системы радиоканального мониторинга окружающей среды

Основным каналом связи в ПАК «Стрелец-Мониторинг» является двухсторонний радиоканал на выделенных специально для МЧС России частотах. Также могут использоваться телефонные проводные сети, каналы сотовой связи GSM и GPRS, IP-сети. Приемно-контрольное устройство, находящееся в вершине системы, выполняет роль координатора радиосети, который осуществляет контроль состояния всех устройств радиосети; обработку, протоколирование и отображение поступающей информации; обмен данными с персональным компьютером; обмен данными с проводными приборами. Для управления устройствами пожарной и другой автоматики используется радиоканальный исполнительный блок. В целом интеграция различных пожарных извещателей в ПАК «Стрелец-Мониторинг» позволяет обеспечить комплексный подход к задаче обнаружения пожара на ранней стадии его развития.

ПАК «Стрелец-Мониторинг» обеспечивает выполнение информационных, управляющих и вспомогательных функций АПС. Широкий спектр пожарных извещателей позволяет грамотно подойти к вопросу выбора типа пожарного извещателя, которые подбираются в зависимости от параметров окружающей среды, так как в состав АЭС входит большое количество разнообразных технологических помещений, в которых обращается большое количество горючих веществ. Только разумное сочетание различных типов пожарных извещателей позволит повысить пожарную безопасность АЭС, а использование комбинированных пожарных извещателей с несколькими каналами обнаружения различных факторов пожара позволяет многократно повысить эффективность АПС. Применение ПАК «Стрелец-Мониторинг» на АЭС с использованием газовых пожарных извещателей на базе термомагнитного датчика кислорода позволит полностью выполнить требования действующих норм к системе пожарной сигнализации, которые год от года только ужесточаются.

Кроме того, такое крупное энергетическое предприятие, как АЭС, включает в себя большое количество элементов автоматической пожарной сигнализации, а гибкая структура ПАК «Стрелец-Мониторинг» позволяет объединить их в одну систему. Особенно это актуально для уже действующих АЭС при модернизации уже установленных и действующих систем противопожарной защиты. ПАК «Стрелец-Мониторинг» позволяет объединить как проводную, так и радиоканальную системы противопожарной защиты в единую систему.

Таким образом, в диссертации содержится решение задачи, направленной на снижение пожарной и промышленной опасности АЭС посредством обеспечения возможности раннего обнаружения пожара газовыми пожарными изве-щателями на базе разработанного термомагнитного датчика кислорода, интегрированными в систему автоматического радиоканального мониторинга окружающей среды ПАК «Стрелец-Мониторинг», внедрение которой вносит значительный вклад в обеспечение комплексной безопасности объектов энергетики.

Заключение содержит констатацию основных научных и практических результатов работы.

В приложениях приведены эскизы деталей термомагнитного датчика кислорода, основные технические характеристики камеры тепла-холода КТХ-74 и фотографии экспериментов по определению зависимости показаний термомагнитного датчика от температуры и давления азотно-кислородной смеси, а также представлены акты внедрения результатов диссертационной работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе получены следующие основные результаты:

1. Установлено, что технические средства раннего обнаружения пожара, применяемые в системах автоматической пожарной сигнализации на АЭС, нуждаются в повышении их надежности и эффективности в связи с имеющими место частыми отказами и ложными срабатываниями.

2. Предложен метод совершенствования системы раннего обнаружения пожара в помещениях АЭС на основе контроля концентрации кислорода с использованием разработанного термомагнитного датчика для системы радиоканального мониторинга пожарной безопасности.

3. Разработана физико-математическая модель термомагнитного датчика кислорода, на основании численного решения которой проведена оптимизация параметров датчика и сформулированы требования к конструктивным особенностям датчика.

4. По результатам теоретических и экспериментальных исследований разработана новая оптимальная конструкция термомагнитного датчика кислорода, обладающего чувствительностью к кислороду до 0,6 мВ/% (об.) и простотой изготовления.

5. Разработан испытательный стенд для проведения экспериментальных исследований с термомагнитным датчиком кислорода, по результатам которых было установлено, что выходной сигнал датчика носит линейный характер на всем диапазоне концентраций кислорода и при различном пространственном расположении термомагнитного датчика.

6. Анализ источников погрешностей выявил, что наибольшее влияние на показания термомагнитного газоанализатора кислорода оказывают такие дестабилизирующие факторы, как температура и давление газовой смеси; при этом на основе построенной имитационно-эмпирической модели появилась возможность проводить вычисления выходного параметра газоанализатора.

7. Разработанный датчик кислорода с оптимальными параметрами магнитной системы и высокими эксплуатационными и функциональными характеристиками предлагается использовать на объектах энергетики в системе мониторинга пожарной безопасности ПАК «Стрелец-Мониторинг».

Основные положения диссертации опубликованы в следующих ведущих периодических изданиях из перечня ВАК:

1. Крупин, М.В. Термомагнитный принцип детектирования кислорода в газовых смесях [Текст] / М.В. Крупин, В.И. Зыков // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. - 2012. -№ 1. - С. 19-23.

2. Рязанов, A.B. Оптимизация размеров и конфигурации магнитной системы прибора термомагнитной конвекции газов [Текст] / A.B. Рязанов, М.В. Крупин, C.B. Антонов // Контроль. Диагностика. - 2012. - № 5. - С. 39-45.

3. Зыков, В.И. Стенд для испытаний термомагнитных газоанализаторов кислорода на объектах энергетики [Текст] / В.И. Зыков, М.В. Крупин [и др.] // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. - 2012. -№ 3. - С. 58-63.

4. Зыков, В.И. Система пожарного мониторинга на объектах энергетики с использованием термомагнитных газоанализаторов кислорода [Текст] / В.И. Зыков, М.В. Крупин [и др.] // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. - 2012. - № 3. - С. 64-70.

5. Зыков, В.И. Анализ погрешностей термомагнитного газоанализатора [Текст] / В.И. Зыков, М.В. Крупин, М.С. Левчук // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. -2014. -№ 2. - С. 5-10.

6. Крупин, М.В. Экспериментальные исследования термомагнитного датчика кислорода [Текст] / М.В. Крупин, A.B. Рязанов // Пожаровзрывобезопас-ность. -2015. -№ 1.-С. 73-76.

7. Крупин, М.В. Применение газовых пожарных извещателей на АЭС [Текст] / М.В. Крупин, В.И. Зыков, A.B. Рязанов // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. -2015. -№ 1. - С. 28-31.

Остальные публикации по теме диссертации:

8. Крупин, М.В. Термомагнитный датчик кислорода [Текст] / М.В. Крупин // Материалы 21-й Международной научн.-техн. конф.: Системы безопасности -2012.-М.: Академия ГПС МЧС России, 2012. - С. 230-233.

9. Крупин, М.В. Микропровод в термомагнитном датчике кислорода [Текст] / М.В. Крупин // Материалы 21-й Международной научн.-техн. конф.: Системы безопасности - 2012. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2012. - С. 233-234.

10. Рязанов, A.B. Датчик термомагнитного газоанализатора на кислород [Текст] / A.B. Рязанов, М.В. Крупин // I Международная научн.-практ. конф.: Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфоком-муникационных систем РАДИОИНФОКОМ - 2013. - 2013. - С. 150-153.

11. Зыков, В.И. Радиоканальная система мониторинга пожарной безопасности объектов энергетики с использованием термомагнитных газоанализаторов кислорода [Текст] / В.И. Зыков, М.В. Крупин [и др.] // Международная научн.-техн. конф.: Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения INTERMA TIC - 2013. - 2013. - С. 17-23.

12. Крупин, М.В. Методы измерения концентрации кислорода в газовых смесях [Текст] / М.В. Крупин // III Научн.-практ. конф.: Пожаротушение: проблемы, технологии, инновации. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2014. -С. 156-157.

13. Зыков, В.И. Система радиоканального мониторинга пожарной безопасности энергетических комплексов с использованием газоанализаторов кислорода [Текст] / В.И. Зыков, М.В. Крупин, A.B. Рязанов // Международная научн.-техн. конф.: Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения INTERMATIC-2014. - 2014. - С. 38-40.

Подписано в печать 22.09.2015. Формат 60x84/1/16. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 317

Академия ГПС МЧС России. 129366, г. Москва, ул. Б. Галушкина, 4

2015672689

2015672689