автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Распределённые газоаналитические системы безопасности на основе твёрдотельных сенсоров

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ

ПАТРИКЕЕВ ВИКТОР АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ ГАЗОАНАЛИТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ НА ОСНОВЕ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ СЕНСОРОВ

Специальность 05 11 13 Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 2008

003449281

Работа выполнена на кафедре ТКА (сектор MACK) МГУИЭ и в ОАО НПО «Химавтоматика»

Научный руководитель Официальные оппоненты

Ведущее предприятие

доктор технических наук Рылов Владимир Аркадьевич

доктор технических наук, профессор Пушкин Игорь Александрович

кандидат технических наук, с н с Чернякин Владимир Николаевич

Федеральное государственное унитарное предприятие «Центральное конструкторское бюро тяжелого машиностроения», г Москва

Защита состоится 23 10 2008 г в часов на заседании диссертационного совета Д212 145 02 при Московском государственном университете инженерной экологии, 105066, г Москва, ул Старая Басманная, 21/4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУИЭ

Автореферат разослан « 23 » сентября 2008 г

Ученый секретарь

диссертационного совета, и ,

кандидат технических наук 1 Мокрова Н В

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В настоящее время существует множество различных распределенных измерительных систем и систем управления, в том числе газоаналитических Распределенными газоаналитическими системами (далее - РГС) будем называть системы, предназначенные для аналитического контроля концентрации определяемых компонентов в разнесенных точках объекта контроля с централизованным выводом измерительной информации

По назначению среди РГС можно выделить системы безопасности, экологического мониторинга и технологического контроля РГС безопасности в свою очередь подразделяются на системы взрыво-, пожаро- и санитарной безопасности В работе наибольшее внимание уделено системам взрыво- и пожаробезопасности

Интересная инженерно-техническая задача возникает при разработке систем безопасности с территориально разнесенными датчиками, заключающаяся в метрологическом обеспечении канала измерения РГС без проведения каких-либо настроечных операций по месту

Актуальной задачей является совершенствование существующих и разработка новых сенсоров водорода В системах взрывобезопасности требуется измерение концентраций веществ на уровне 10 % НКПР, что соответствует 0,1 - 0,4 % об В настоящее время для этих задах широко применяются термохимические сенсоры Однако они отравляются хлоро- и серосодержащими примесями, поэтому имеют ограниченную область применения Высокая рабочая температура и отравляющие примеси ограничивают их срок службы Альтернативным решением для задач взрывобезопасности при обнаружении утечек водорода на объектах водородной и ядерной энергетики в качестве аналитической базы могут служить термокондуктометрические сенсоры, выполненные с использованием микроэлектронных технологий

Для обеспечения пожарной безопасности помещений перспективным является использование систем раннего обнаружения пожароопасной ситуации, основанных на контроле химического состава воздуха Характерными предвестниками пожароопасной ситуации является увеличение содержания в воздухе водорода Н2 и оксида углерода СО до уровня нескольких десятков ррт

Цель работы. Целью работы является исследование методов проектирования распределенных газоаналитических систем, аналитических измерительных преобразователей, влияния особенностей обеспечения метрологических характеристик канала измерения на его структуру и разработка РГС обеспечения взрыво- и пожаробезопасности

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи

— выявить методы построения РГС, исследовать различные структуры систем,

— рассмотреть особенности обеспечения метрологических характеристик канала измерения РГС,

— сформулировать требования к аналитическим измерительным преобразова-

телям РГС, оценить перспективы применения в качестве первичных измерительных преобразователей (ПИП) твердотельных сенсоров,

— оценить перспективность использования в РГС аналитических измерительных преобразователей на базе твердотельного термокондуктометрического и потенциометрического газового сенсора, принцип работы которого основан на низкотемпературной ионной проводимости,

— исследовать возможность улучшения динамических характеристик измерительного канала РГС

Методы исследования В диссертационной работе для решения поставленных задач использованы методы системного анализа, математического моделирования и экспериментального исследования метрологических характеристик газоаналитических устройств

Научная новизна. На основе анализа методов проектирования распределенных газоаналитических систем предложена структура системы, метрологически обеспечивающая ее измерительные каналы без проведения настроечных операций по месту эксплуатации, в качестве перспективных ПИП предложены твердотельные сенсоры, а также показана возможность использования для задач РГС существующих протоколов информационных промышленных сетей

Предложено зависимость коэффициента теплопроводности от состава рассматривать в виде суммы двух составляющих линейной зависимости и функции прогиба Показано, что функция прогиба с высокой точностью аппроксимируется гиперболической функцией, зависящей от двух параметров Гиперболическая функция аппроксимации, в отличие от традиционно используемого уравнения Васильевой, гораздо удобнее для математического анализа, существует алгоритм однозначного определения значений ее коэффициентов, а также она описывает зависимость теплопроводности смеси от состава при любом расположении экстремума

Предложена математическая модель для термокондуктометрических преобразователей на основе проволочных и тонкопленочных (твердотельных) сенсоров, учитывающая концевые потери чувствительного элемента - терморезистора Показано, что доля концевых потерь однозначно определяется безразмерным критерием, значение которого зависит от геометрических размеров терморезистора и камеры, теплопроводности материала терморезистора и теплопроводности газа

На основании предложенной математической модели получено выражение статической характеристики термокондуктометрического преобразователя, выполненного с использованием схемы уравновешенного моста

Практическая ценность. Разработана структура распределенной газоаналитической системы обеспечения взрыво- и пожаробезопасности объектов специального назначения РГС-07, а также комплект конструкторской доку-

ментации для серийного выпуска ее структурных блоков

Разработана методика, позволяющая экспериментально определить долю концевых потерь тепла термокондуктометрического чувствительного элемента

Проведены исследования характеристик потенциометрических газовых сенсоров на основе низкотемпературной ионной проводимости и показана их высокая чувствительность к водороду

Разработаны алгоритм работы и программное обеспечение, позволяющие улучшить динамические характеристики измерительного канала РГС за счет увеличения погрешности

Созданы методические указания для расчета уравновешенного моста термокондуктометрического газоанализатора

Реализация Рассмотренные твердотельные термокондуктометрические сенсоры используются в качестве ПИП в газоанализаторах ИВА-1В, BXJII-4, которые обладают высокими метрологическими характеристиками, выпускаются серийно и используются для измерения концентрации диоксида серы на производстве серной кислоты и хлора в технологических газах хлорных производств

Разработана и изготовлена пневматическая установка разбавления, позволяющая получать смеси газов и паров с различной концентрацией Данная установка была использована при проведении испытаний термохимического аналитического преобразователя и потенциометрического газового сенсора на основе низкотемпературной ионной проводимости

Изготовлен и испытан опытный образец системы РГС-07, содержащий шесть аналитических преобразователей (термохимических и электрохимических)

Материалы диссертации использованы при чтении курса лекций «Расчет и проектирование анализаторов»

Публикации Основные положения диссертационной работы изложены в восьми печатных работах, в т ч в одном журнале, рекомендованном ВАК

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на XVIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Казань, 2005 г), Международной конференции «Аналитические методы измерений и приборы в пищевой промышленности» (Москва, 2006 г) и научных конференциях МГУИЭ в 2004 и 2007 г г

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, изложенных на 198 страницах, иллюстрирована 39 рисунками, содержит 16 таблиц, список литературы, включающий 116 наименований, 6 приложений

Основное содержание работы

Во введении раскрыты отличительные признаки РГС, мотивирована актуальность рассмотрения РГС безопасности, показана необходимость разработки новых сенсоров водорода для систем взрывобезопасности объектов водородной и ядерной энергетики, а также систем раннего предупреждения пожара Сформулированы цели и задачи, раскрыты научная новизна и практическая ценность работы, приведены результаты реализации и апробации

В первой главе рассмотрены методы проектирования РГС, проведен обзор существующих систем, рассмотрены вопросы их метрологического обеспечения

Структура РГС определяется преимущественно пространственным расположением точек контроля, расстояниями между ними Существуют два принципиально разных подхода к решению измерительных задач РГС, отличающиеся территориальным расположением преобразования концентрации в электрический сигнал Первый подход предполагает наличие одного малоинерционного многофункционального газоанализатора, в который по пневмопроводу поочередно подаются пробы анализируемого газа со всех точек контроля Ряд таких многофункциональных газоанализаторов соединяют уже электрически, образуя РГС При втором подходе в каждой точке контроля устанавливают датчик, на выходе которого формируется электрический сигнал В небольших и не требующих быстродействия системах довольно часто целесообразным является использование схем с пневмокоммутацией В РГС безопасности, где время отклика системы является решающим, использование схем с пневмокоммутацией становится нецелесообразным

При размещении в каждой точке контроля датчика задача метрологического обеспечения существенно усложняется Основу метрологического обеспечения составляют либо поверочные газовые смеси (ПГС), либо образцовые газоанализаторы, что регламентируется методикой поверки В небольших системах допустима калибровка и поверка датчиков по месту подачей ПГС из баллона в каждый из датчиков Такое решение является неприемлемым уже при нескольких десятках разнесенных точках контроля, особенно расположенных в труднодоступных местах (например, в узких туннелях) Это приводит к разбиению всех функций преобразования аналитического сигнала между отдельными, конструктивно обособленными функциональными блоками Неоднозначным является выбор оптимального разбиения, т е получение оптимальной структуры измерительного канала

В типовом газоаналитическом устройстве выходной сигнал ПИП подвергается усилению, нормированию, переводу в цифровой код с последующей индикацией Ключевым техническим решением при этом является отказ от проведения каких-либо настроечных операций по месту (в каждой точке контроля) Поэтому предлагается разбиение датчика на две части съемную (аналитический преобразователь) и стационарную (системный преобразователь) Этот подход позволяет избавиться от проведения его калибровки или поверки непосредственно в точке контроля Тогда при необходимости проведения ка-

либровки или поверки аналитический преобразователь заменяется на аналогичный, прошедший эти операции Для обеспечения этого решения аналитический преобразователь должен обеспечивать сохранение метрологических характеристик в межрегламектный период С другой стороны, для уменьшения затрат на изготовление и обслуживание, необходимо минимизировать состав аналитического преобразогателя Итак, задачу можно сформулировать следующим образом минимизировать съемную часть датчика при одновременном сохранении ее метрологических характеристик Для этого предлагается введение в аналитический преобразователь ячейки памяти, куда заносятся его индивидуальные параметры При замене аналитического преобразователя системный преобразователь автоматически распознает новый преобразователь, считав параметры из ячейки памяти, и начинает с ним работать Схема преобразования аналитического сигнала в измерительном канале РГС при таком разбиении представлена на рис 1

Для уменьшения затрат на разработку новых РГС (под конкретный объект) необходимо обеспечить требования по унификации и взаимозаменяемости блоков РГС, т е их совместимости по электрическим и конструктивным параметрам Такой подход позволит при разработке новой системы максимально использовать уже разработанные блоки

Рис 1 Схема преобразования аналитического сигнала в измерительном канале РГС С - концентрация анализируемого компонента, ЭП - элементы пробо-подготовки, ПИП - первичный измерительный преобразователь (например, термокондуктометрическая ячейка), СМО - средства метрологического обеспечения, УП - усилитель, НП - нормирующий преобразователь, МК - микроконтроллер, И - индикация, П - ячейка памяти, ПА - аналитический преобразователь, ПС - системный преобразователь

Составными частями РГС являются аналитический преобразователь, системный преобразователь, концентратор и блок управления, питания и сигнализации Аналитический преобразователь преобразует концентрацию анализируемого газа в электрическую величину (например, напряжение V, ток / или частоту /) Системный преобразователь принимает выходной сигнал от аналитического преобразователя, обрабатывает его (фильтрация, учет дрейфа и т д), формирует и передает на следующий уровень соответствующий цифровой код или нормированный аналоговый сигнал (4 - 20 мА) Системный преобразователь может отсутствовать, тогда его функции выполняет концентратор Концентратор принимает сигналы от нескольких системных преобразователей (в

случае их отсутствия - от аналитических преобразователей), формирует цифровой код, содержащий информацию по каждому каналу измерения, и передает на следующий уровень Блок управления, питания и сигнализации обеспечивает подачу электрического питания, сбор и обработку информации от всех подключенных к нему измерительных каналов и передачу ее на верхний уровень (например, на пульт оператора), включение при необходимости собственной сигнализации об уровне опасности, а также подачу сигнала на внешние устройства

Аналитический и системный преобразователи представляют собой датчик Если датчик выдает сигнал в цифровом виде, то существует возможность подключения ряда датчиков с применением магистральной структуры, которая довольно широко распространена в информационных системах различного рода Ее преимуществами являются простота и дешевизна, минимальное количество линий связи, она допускает отключение и подключение устройств во время работы Другим типом является радиальное соединение, которое предпочтительно с точки зрения надежности и трудоемкости локализации неисправностей Для датчиков, не имеющих цифрового выходного сигнала, радиальное соединение является единственно возможным

Главным элементом аналитического преобразователя является ПИП Миниатюрный и высокотехнологичный ПИП называют сенсором В качестве сенсора аналитического преобразователя наиболее привлекательно использовать твердотельные, т е выполненные по микроэлектронной технологии

В работе проведена классификация методов газового анализа, наиболее подходящих для построения сенсоров аналитических преобразователей РГС В настоящее время в РГС взрывобезопасности наиболее широко применяют термохимические сенсоры, в системах пожарной и санитарной безопасности -электрохимические Однако в будущем можно ожидать расширения номенклатуры применяемых методов измерения в аналитических преобразователях РГС и переход на твердотельные сенсоры Так, в системах взрывобезопасности свою нишу начинают занимать полупроводниковые сенсоры, а для контроля утечек водорода могут оказаться перспективными современные термокондук-тометрические сенсоры

Рассмотрены существующие протоколы информационных промышленных сетей, тенденции их развития и возможность применения в РГС Среди протоколов физического уровня, наиболее подходящих для использования в РГС, следует отметить интерфейсы Я5-422А и 115-485 Среди существующих протоколов информационных промышленных сетей для применения их в РГС следует выделить Мос)Ьиз, РгойЬиэ-РА и Роипс1а1юп РшШЬиэ

Вторая глава посвящена разработке аналитических преобразователей на основе твердотельных термокондуктометрических сенсоров Показана возможность их применения в РГС, в частности для анализа содержания водорода Проведена классификация термокондуктометрических преобразователей по элементной базе, способу транспортировки пробы к терморезистору, схеме включения в измерительную цепь и режиму питания

Проведено сопоставление существующих методов расчета теплопроводности смеси от ее состава, оценена погрешность расчета Практически все они сводятся к форме уравнения Васильевой Однако по ряду причин для получения значения теплопроводности смеси заданного состава по сей день используется интерполяция экспериментальных значений для данной смеси газов

Предложено зависимость теплопроводности от состава рассматривать в виде суммы двух составляющих линейной зависимости, определяемой взаимодействием однородных молекул, и функции прогиба, равной отклонению от линейной зависимости и обус позленной взаимодействием разнородных молекул

Показано, что функция прогиба с высокой точностью аппроксимируется гиперболической функцией, зависящей от двух параметров

ОЛ{С) = К(Х]-Л2)у{С,Я), (1)

С(1-С)(Я-1)

где у{С, Я) =-- —— - нормированная функция прогиба,

С —Са+А

, Л2 - теплопроводности чистых газов (Л, > Л2), С - концентрация газа с большей теплопроводностью, Я, К - параметры функции

При значениях параметра Я > 1 кривые у{С, Я) вогнутые, при Я <-1 - выпуклые, а при Я = 1 кривая вырождается в прямую (рис 2) Прямая у =1 - 2С является геометрическим местом точек экстремумов семейства кривыху(С, Я)

при различных значениях параметра Я

В качестве параметров функции аппроксимации могут выступать координаты экстремума функции прогиба, нормированной на диапазон изменения теплопроводности, которые однозначно связаны с параметрами Я и К

с =

7л+Г

РЯ(С') = _ л/л-1 (Л-Яг)" 7д+1

К( 1 - 2С )

(2) (3)

Систематическая погрешность гиперболической аппроксимации оценена на уровне 10'4 от диапазона изменения теплопроводности, что на 1 - 2 порядка меньше среднеквадратического отклонения для случайной составляющей погрешности эксперимента

Сопоставление гиперболической функции аппроксимации с функцией Васильевой показывает, что первая из них обладает определенными преимуществами Гиперболическая функция гораздо удобнее для математического анализа (она представляет собой кривую второго порядка, а уравнение Васильевой описывает кривую третьего порядка), существует алгоритм однозначного определения значений ее коэффициентов, а также она описывает зависимость теплопроводности смеси от состава при любом расположении экстремума (функция Васильевой применима лишь в случаях, когда экстремум лежит в области К > 1) Проведенная обработка эмпирических данных с применением гиперболической функции показала, что значительная часть смесей имеет экстремум в области К< 1, те выше прямой ЛС) =1-2 С (рис 3) Для них определение коэффициентов в функции Васильевой дает неоднозначное решение и большую систематическую погрешность

Ш(С) 0 (А1-А2) -0,05 -0,10 -0,15 -0,20 -0,25 -0,30

(С) =4 -1С

н2-с 2П Ые-А оН2 Ш,

Аг-Кгс Аг-Хе Не ^ео"4 □н2-ы гН -Аг

■2Оо □Н2-С 2Н4 -С02

оНе-А \ОНе г Кг

Не-Хе

0,50 0,54 0,58 0,62 0,66 С, об доли Рис 3 Точки экстремумов для ряда смесей

Можно рассчитывать, что высокая точность гиперболической аппроксимации коэффициента теплопроводности (а также по аналогии коэффициента вязкости) газовых смесей послужит основанием для создания стандартных справочных данных в виде единой формулы и коэффициентов, определенных до 4 - 5 знака для каждой смеси, а также функций зависимости этих коэффи-

циентов от температуры и давления

На основании коэффициентов гиперболической аппроксимации, полученных с высокой точностью, появляется возможность по измеренному коэффициенту теплопроводности проводить аттестацию (вычисление объемной доли компонентов) бинарных смесей с погрешностью на уровне 0,01 %

При разработке новых типов термокондуктометрических преобразователей непременным требованием является оптимизация конструктивных параметров Из всех видов теплопереноса наряду с теплопроводностью газа ощутимое влияние на режим работы оказывает теплоотвод через элементы конструкции, или, как его еще называют - концевые потери тепла Предложена математическая модель термокондуктометрических преобразователей на основе проволочных и тонкопленочных (твердотельных) сенсоров, учитывающая концевые потери терморезистора Термокондуктометрический ПИП с проволочным терморезистором при математическом моделировании можно рассматривать в виде закрепленного с обоих концов цилиндрического стержня длиной Ь, который размещен в цилиндрической камере Нагрев стержня происходит за счет электрического тока, а теплоотвод - за счет двух составляющих потока, переносимого анализируемой средой (полезный информативный сигнал) (2л, и осевого потока за счет концевых потерь тепла ()кп Доля концевых потерь тепла определена как ()к„ / (()кп + (?{) Уравнение для температуры стержня в установившемся режиме имеет вид

d2T{x) аР Я

(Г(х)-Г0)--^, (4)

где Т(х) - профиль температуры вдоль стержня (хе 0 - L), Т0 - температура окружающей среды, Лс - теплопроводность материала стержня, q — плотность источников тепла, Р = 2я Rc - периметр поперечного сечения стержня, S = л Rc2 - площадь поперечного сечения стержня, а = ^¡\rc 1 n(RK/ Лс ) ] - коэффициент теплоотдачи, Л - теплопроводность

газа, Rc, Rk - радиус стержня и внутренний радиус камеры соответственно

Уравнение (4) решено относительно Т(х) с использованием граничных условий Т(0) = T(L) - TQ, получено выражение, описывающее распределение температуры вдоль стержня, т е профиль температуры

11 sh{m (х/L-\))-sh{m x/L) sh(rn)

L2 1

T(x) = TQ+qy—~j лс m

г" (6>

Параметр т является безразмерным комплексом Его значение зависит от теплопроводности газа Л, параметров терморезистора и камеры геометрии

(Яс, , £ ) и физических свойств ( Лс)

Тепловой легок за счет концевых потерь равен

д

и 1 <к

= К 2 Л ^

(7)

;с=0

;с=0 с с Л

Продифференцировав Т(х) и подставив результат в уравнение (7), получено выражение для расчета теплового потока за счет концевых потерь

2

Учитывая, что суммарный тепловой поток равен Q = qv л Ь, доля концевых потерь составляет

О 1 БМгпИ)

(2 т/2сИ(т12) У>

Из уравнения следует, что доля концевых потерь и, соответственно, доля теплового потока за счет теплопроводности газа определяются исключительно критерием чг

Получено уравнение для расчета квадрата напряжения на терморезисторе, который пропорционален выделяемой на нем мощности, при включении герморезисторс, ь схему уравновешенного моста

2 ' (к Л)"

(9)

ку/л/гЩк^Пиг)

где а и к - патаметры термокондуктометрического ПИП,

ггК.1 Иа(\+асТс)Лс( ч а =----[Ту-Го), (Ю)

* = (11)

На рис 4 приведен график зависимости и' (А) (при а = I и к = 15), нормированный по водороду Рисунок наглядно показывает, что график зависимости квадрата напрчжения на терморезисторе от теплопрозодности газа с высокой степенью точности является прямой линией (по расчетам погрешность аппроксимации модельной кривой не превышает 1 %). смещенной относительно начала координат При этом значение, в котором функция 2 / 2 -

и (Л)/1/ (/// ) пересекает ось ординат, есть ни что иное, как доля концевых

потерь тепла на водороде

Для исследуемого терморезистора были получены экспериментальные значения напряжения на нем при подаче аргона, азота и водорода Все экспериментальные точки (рис 4) с высокой степенью точности аппроксимируются прямой (погрешность аппроксимации не превышает 2 %), что подтверждает адекватность выбранной модели

от теплопроводности газа (при а = 1 и к - 15)

Предложена методика, позволяющая экспериментально определить долю концевых потерь тепла Для этого строится экспериментальная зависимость квадрата напряжения на терморезисторе от теплопроводности газа Учитывая, что она линейна, необходимо хотя бы два экспериментальных значения напряжения на терморезисторе при подаче двух смесей (газов) с различными теплопроводностями - например, азот и водород С помощью данной методики на основе экспериментальных данных была рассчитана доля концевых потерь для исследуемого терморезистора На водороде она составила порядка 5 % На основании уравнения (8) это соответствует значению параметра т « 40 (на водороде)

Выходной сигнал термокондуктометрического преобразователя в значительной степени зависит от температуры окружающей среды Для температурной компенсации предложено одновременное использование двухмостовой дифференциальной схемы, включающей сравнительный мост, с постоянной температурой терморезисторов и микропроцессорной термокомпенсации с применением термодатчика Это решение реализовано в газоанализаторе ИВА-1В

Рассмотренные твердотельные термокондуктометрические сенсоры использованы в качестве ПИП в газоанализаторах ИВА-1В, ВХЛ1-4 Эти газоанализаторы обладают высокими метрологическими характеристиками, выпускаются серийно и применяются для измерения концентрации диоксида серы на производстве серной кислоты и хлора в технологических газах хлорных производств

В третьей главе проведено исследование характеристик потенциомет-рических газовых сенсоров водорода на основе низкотемпературной ионной проводимости Сенсор представляет собой электрохимическую ячейку, состоящую из измерительного электрода, потенциал которого определяется концентрацией водорода, твердого протонпроводящего электролита и сравнительного электрода, потенциал которого постоянен во всех анализируемых средах Твердый протонпроводящий электролит представляет собой комплекс с гидратированными молекулами воды, необходимыми для обеспечения переноса протонов

Зависимость выходного сигнала электрохимической ячейки от концентрации водорода при протекании одной потенциалопределяющей реакции окисления водорода описывается уравнением Нернста

График зависимости приращения выходного сигнала сенсора от концентрации водорода приведен на рис 5

Ш, мВ 140 120 100 80 60 40 20 0

С, ррш

0 20 40 60 80 100 120 Рис 5 График зависимости приращения выходного сигнала сенсора А V от концентрации водорода С

Были проведены исследования перекрестной чувствительности сенсора к различным веществам Исследования показали, что сенсор позволяет селективно измерять концентрацию водорода, не обладая чувствительностью к углеводородам, диоксиду углерода, за исключением этилового спирта и оксида углерода

Исследуемый сенсор не требует для работы внешнего источника энергии, обладает малыми размерами, высокой селективностью, достаточной чувствительностью к водороду Н2 (порог обнаружения не хуже 10 ррш) Чувствительность сенсора к оксиду углерода СО, при использовании его в системе пожаро-безопасности, можно считать скорее плюсом, чем минусом, так как на начальной стадии пожара, наряду с водородом Н2 выделяется также оксид углерода СО Серьезным недостатком сенсора является существенная зависимость выходного сигнала от влажности окружающей среды Однако, ее можно существенно сократить путем включения в измерительную схему датчика влажности

Таким образом, показана возможность применения исследованных по-

тенциометрических газовых сенсоров на основе низкотемпературной ионной проводимости в качестве ПИП аналитических преобразователей РГС пожаро-безопасности с введением корректировки по влажности

Четвертая глава посвящена разработке и испытанию алгоритма работы системного преобразователя

При проектировании РГС безопасности одним из наиболее важных критериев является скорость (быстрота) выдачи системой достоверного сигнала о возникновении чрезвычайной ситуации Наиболее инерционными составными частями системы являются аналитические преобразователи Существует возможность улучшения динамических характеристик измерительного канала РГС, которое достигается тем, что учитывается не только текущее значение выходного сигнала аналитического преобразователя, но и скорость его изменения Однако, при этом увеличивается погрешность

Анализируя типовой выходной сигнал аналитического преобразователя, можно заметить, что производная полезного сигнала существенно больше, чем производная вялотекущих дрейфов при отсутствии полезного сигнала (при условии надежной фильтрации высокочастотных шумов), что позволяет выделить полезный сигнал на фоне различных неинформативных воздействий Для целого ряда аналитических преобразователей скорость переходного процесса пропорциональна отклонению состояния объекта от состояния равновесия, что соответствует апериодическому звену первого порядка Коэффициент пропорциональности предварительно определяют для каждого аналитического преобразователя индивидуально Его значение должно оставаться постоянным при подаче различных концентраций и при воздействии различных факторов (температура, влажность, давление)

На основе проведенных исследований был разработан алгоритм работы системного преобразователя для обработки измерительной информации, полученной от аналитического преобразователя, и проведены испытания с использованием термохимического аналитического преобразователя Для этого была разработана пневматическая установка разбавления, позволяющая получать смеси газов и паров с различной концентрацией Предполагается, что этот алгоритм применим для целого ряда типов аналитических преобразователей

В пятой главе рассмотрена разработанная распределенная газоаналитическая система РГС-07, предназначенная для обеспечения взрыво- и пожаробезопасное™ объектов специального назначения

При разработке РГС-07 использовались рассмотренные подходы к построению распределенных газоаналитических систем Система РГС 07 содержит три двухканальных комплекта Каждый комплект состоит из блока БУПС, двух системных преобразователей и двух аналитических преобразователей для контроля концентрации суммы углеводородов (термохимический метод измерения) в диапазоне 0 - 50 % НКПР и оксида углерода (электрохимический ме-4 тод измерения) в диапазоне 0 - 100 ррш Предел основной приведенной погрешности аналитических преобразователей составляет ±10 %, а время уста-

новления показаний - 15 и 60 с, соответственно

Разработан и изготовлен опытный образец системы РГС-07, проведены его испытания, которые полностью подтвердили характеристики системы

Аналитические и системные преобразователи размещаются во взрывоопасных помещениях, поэтому выполнены во взрывобезопасном исполнении с видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь» Данный вид взры-возащиты накладывает ограничение по потребляемой энергии Это обстоятельство не позволяет подключать к одной искробезопасной цепи несколько аналитических и системных преобразователей Поэтому системные преобразователи ПС подключены к блоку БУПС с использованием радиальной структуры Также это обусловлено повышенными требованиями к надежности системы

В системе РГС-07 обеспечена взаимозаменяемость аналитических преобразователей, причем замена аналитического преобразователя на аналогичный производится без поверочных, регулировочных и контрольных операций и осуществляется без использования инструмента Для обеспечения взаимозаменяемости аналитических преобразователей каждый преобразователь содержит энергонезависимую ячейку памяти

Выводы и основные результаты работы

1 На основе анализа методов проектирования распределенных газоаналитических систем предложена структура системы, метрологически обеспечивающая ее измерительные каналы без проведения настроечных операций по месту эксплуатации В качестве перспективных ПИП предложены твердотельные сенсоры Показана возможность использования существующих протоколов информационных промышленных сетей

2 Проведено сопоставление существующих методов расчета теплопроводности смеси от ее состава, оценена погрешность расчета Практически все они сводятся к форме уравнения Васильевой

Предложено зависимость коэффициента теплопроводности от состава рассматривать в виде суммы двух составляющих линейной зависимости и функции прогиба Показано, что функция прогиба с высокой точностью (систематическая погрешность не более 10"4 от диапазона изменения теплопроводности) аппроксимируется гиперболической функцией, зависящей от двух параметров В качестве таких параметров могут выступать координаты экстремума функции прогиба

Гиперболическая функция аппроксимации, в отличие от уравнения Васильевой, гораздо удобнее для математического анализа, существует алгоритм однозначного определения значений ее коэффициентов, а также она описывает зависимость теплопроводности смеси от состава при любом расположении экстремума (функция Васильевой применима лишь в случаях, когда экстремум лежит в области К> 1) Проведенная обработка эмпирических данных показала, что экстремумы подавляющего большинства смесей лежат в области К < 1

3 Предложена математическая модель для термокондуктометрических преобразователей на основе проволочных и тонкопленочных (твердотельных) сенсоров, учитывающая концевые потери терморезистора Показано, что доля концевых потерь однозначно определяется безразмерным критерием от, значение которого зависит от геометрических размеров терморезистора и камеры, теплопроводности материала терморезистора и газа

На основании предложенной математической модели получено выражение для расчета напряжения на терморезисторе при включении его в схему уравновешенного моста, из которого следует линейность зависимости квадрата напряжения ьа терморезисторе от теплопроводности газа (погрешность аппроксимации не превышает 1 %) Проведенные экспериментальные исследования подтверждают адекватность предложенной модели

4 Разработана методика, позволяющая экспериментально определить долю концевых потерь тепла термокондуктометрического чувствительного элемента

5 Проведено исследование характеристик потенциометрического газового сенсора на основе низкотемпературной ионной проводимости Показана их высокая чувствительность к водороду (порог обнаружения не хуже 10 ррш) Показано, что при введении коррекции по влажности возможно использование такого типа сенсоров в качестве ПИП аналитических измерительных преобразователей распределенных газоаналитических систем пожаробезопасности

6 Разработаны алгоритм работы и программное обеспечение, позволяющие улучшить динамические характеристики измерительного канала системы за счет увеличения погрешности Экспериментально подтверждена его работоспособность на примере термохимического аналитического преобразователя Для этого была разработана пневматическая установка разбавления, позволяющая получать смеси газов и паров с различной концентрацией

7 Рассмотренные твердотельные термокондуктометрические сенсоры используются в качестве ПИП в газоанализаторах ИВА-1В, ВХЛ1-4, которые внесены в Государственный реестр средств измерений (№№ 21340-01 и 12020-07 соответственно), обладают высокими метрологическими характеристиками, выпускаются серийно и используются для измерения концентрации диоксида серы на производстве серной кислоты и хлора в технологических газах хлорных производств

8 Используя рассмотренные методы проектирования, разработана структура распределенной газоаналитической системы обеспечения взрыво- и пожаробезопасности объектов специального назначения РГС-07, а также комплект конструкторской документации для серийного выпуска ее структурных блоков блока управления, питания и сигнализации (БУПС), системного преобразователя и двух типов аналитических преобразователей (термохимического и электрохимического) Система обеспечивает контроль концентрации суммы углеводородов в диапазоне 0 - 50 % НКПР и оксида углерода в диапазоне 0-100 ррш Изготовлен и испытан опытный образец системы РГС-07

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях

1 M Ф Бродский, И В Кораблев, В А Патрикеев, Г Л Розинов Моделирование быстродействующих систем предотвращения аварийных ситуаций на химически опасных объектах / Математические методы в технике и технологиях-ММТТ-18 Сб трудов XVIII Межд научной конф , т 4-Казань изд-во Казанского гос технол ун-та, 2005 - с 204 - 206

2 В А Патрикеев, В А Рылов Проектирование распределенных газоаналитических систем контроля утечек аммиака / Аналитические методы измерений и приборы в пищевой промышленности (материалы Межд конф 11 - 12 декабря 2006 г )-M МГУПП,2006 -с 162- 168

3 M Ф Бродский, В А Патрикеев, Г Л Розинов, В А Рылов Структура распределенных газоаналитических систем / «Промышленные АСУ и контроллеры», №4, 2007 -с 51-52

4 Г Л Розинов, В А Патрикеев Термокондуктометрический газоанализатор ИВА-1В / «Приборы», № 10, 2007 - с 20-22

5 В А Патрикеев, В А Рылов Учет концевых потерь тепла для термокон-дуктометрических преобразователей / Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-20 Сб трудов XX Межд научной конф - Ростов-на-Дону, 2007 -с 206-208

6 С В Баклашов, В.А Патрикеев Исследование влияния температуры на выходной сигнал термокондуктометрического газоанализатора / Сб тезисов докладов научной конф - M МГУИЭ, 2004 - с 46

7 M В Глебов, В А Патрикеев Исследование твердотельного чувствительного элемента термокондуктометрического газоанализатора типа ИВА / Сб тезисов докладов научной конф - M МГУИЭ, 2007 - с 25

8 К П Латышенко, В А Патрикеев, В А Рылов Расчет уравновешенного моста термокондуктометрического газоанализатора / Методич пособие-M МГУИЭ, 2008 -43 с

Подписано в печать 19 09 2008 г Тираж 100 экз

Отпечатано в типографии ОАО НПО «Химавтоматика» 129226, Москва, ул Сельскохозяйственная, 12а

Введение

Глава 1. Современные распределённые газоаналитические системы безопасности

1.1. Классификация распределённых газоаналитических систем безопасности и типовые примеры объектов контроля

1.2. Классификация, методы построения распределённых газоаналитических систем безопасности. Метрологическое обеспечение канала измерения

1.3. Аналитические преобразователи распределённых газоаналитических систем. Требования и классификация.

1.4. Тенденции развития протоколов информационных промышленных сетей и возможность их применения в распределённых газоаналитических системах

1.5. Требования к программному обеспечению системы

1.6. Обзор существующих распределённых газоаналитических систем, тенденции их развития 42 Выводы главы

Глава 2. Разработка термокондуктометрического преобразователя на основе твёрдотельного сенсора

2.1. Основные закономерности теплопередачи

2.2. Классификация термокондуктометрических преобразователей

2.3. Структура преобразования сигнала в термокондуктометрическом преобразователе

2.4. Построение математических моделей для некоторых типовых случаев

2.5. Влияние температуры окружающей среды на режим работы термокондуктометрического преобразователя. Способы термокомпенсации

2.6. Пути совершенствования термокондуктометрических преобразователей

2.7. Практическое применение термокондуктометрических преобразователей на базе твёрдотельных сенсоров 124 Выводы главы

Глава 3. Исследование потенциометрического газового сенсора на основе низкотемпературной ионной проводимости. Возможность его использования в распределённых газоаналитических системах

3.1. Актуальность

3.2. Теоретические основы метода

3.3. Исследование характеристик

3.4. Результаты. Область применения 141 Выводы главы

Глава 4. Разработка и испытания алгоритма работы системного преобразователя

4.1. Разработка алгоритма обработки измерительной информации аналитического преобразователя

4.2. Экспериментальное подтверждение работоспособности предложенного алгоритма на примере термохимического аналитического преобразователя 151 Выводы главы

Глава 5. Разработка распределённой газоаналитической системы РГС

5.1. Структура и характеристики системы РГС

5.2. Сравнение системы РГС-07 с существующими системами 164 Выводы главы 5 167 ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Обеспечение безопасности жизнедеятельности человека является одной из приоритетных задач мирового сообщества. В связи с всё более интенсивной деятельностью человека эта задача отнюдь не перестаёт быть актуальной. Номенклатура и количество потенциальных источников опасности только растёт. Одним из приоритетных видов контроля безопасности является контроль газового состава. Для оценки сложившейся ситуации и принятия наиболее рационального решения не достаточно измерять концентрацию целевого компонента в отдельной точке, необходимо «видеть» концентрационное поле с последующим анализом, позволяющим прогнозировать ход процесса. Проводя аналогию с нервной системой человека, можно заметить, что для координированных движений человека (например, дыхания) каждая группа нейронов вырабатывает импульс, управляя сокращением определённой группы мышц, причем в тесной взаимосвязи с другими группами нейронов, как некие слаженные ансамбли. Поэтому употребляют такой термин, как «оркестр нейронов» [1.1]. Итак, необходимость системного подхода к решению газоаналитических задач наряду со снижением стоимости канала измерения, упрощением интеграции разрозненных газоаналитических устройств в систему, прогрессом электроники и вычислительной техники и обусловили широкое распространение распределённых газоаналитических систем.

Распределёнными газоаналитическими системами (далее - РГС) будем называть системы, предназначенные для аналитического контроля концентрации определяемого компонента в разнесённых точках объекта контроля.

Среди отличительных признаков РГС можно выделить: аналитический контроль одного или нескольких компонентов; разнесённость точек контроля; централизованный вывод измерительной информации.

По назначению среди РГС можно выделить системы безопасности, экологического мониторинга и технологического контроля.

Интересная инженерно-техническая задача метрологического обеспечения возникает при разработке РГС с территориально разнесёнными газоаналитическими устройствами (газоанализаторами или датчиками). При размещении одного или ряда газоанализаторов в одном месте для обеспечения их метрологических характеристик, как правило, используют баллоны с поверочными газовыми смесями (далее - ПГС) и все операции (калибровка, поверка) выполняются по месту. Однако в РГС с разнесёнными газоаналитическими устройствами такой подход не применим. Эта задача приводит к разбиению всех функций, выполняемых в газоанализаторе, между отдельными функциональными блоками при выборе оптимальной структуры измерительного канала. Системы экологического мониторинга состоят из постов экологического мониторинга, в каждом из которых газоаналитические устройства размещены рядом. В системах технологического контроля все газоаналитические устройства, как правило, также размещаются в одном месте.

Интенсивное развитие современной энергетики и транспорта может привести к энергетическому и экологическому кризисам. Стремительное сокращение запасов ископаемого топлива и проблемы экологии привели к тому, что в настоящее время активно ведутся разработки альтернативных возобновляемых и экологически чистых источников энергии. Одним из перспективных путей развития в этой области является водородная энергетика. Ведется активный поиск путей перевода большинства энергоемких отраслей промышленности, включая транспорт, на водородное топливо ([1.2], [1.3], [1.4]). Достигнуты определённые успехи: созданы водородно-воздушные топливные элементы [1.5], относительно решён вопрос получения и хранения водорода. Сейчас водород получают из природного газа. Другим источниками водорода могут служить вода и биомасса, остающейся после переработки сельскохозяйственного сырья [1.6]. Однако, так как водород является взрывоопасным, то необходимо обеспечить контроль его утечек.

Другим немаловажным источником энергии является использование атомной энергии. Однако, атомная электростанция (АЭС) является объектом с жёсткими требованиями безопасности, несоблюдение которых может привести к серьёзным необратимым последствиям, нанести непоправимый урон экологии. Катастрофа в Чернобыле стала таким печальным примером. Одним из источников опасности на АЭС является повышение концентрации водорода в атмосфере реактора до взрывоопасного уровня.

Следовательно создание систем взрыво- и пожаробезопасности является весьма важной и актуальной задачей, решение которой обеспечивает безаварийное функционирование потенциально опасных объектов.

В системах взрывобезопасности требуется измерение концентраций веществ на уровне 10 % нижнего концентрационного предела распространения пламени (НКПР), что соответствует 0,1 - 0,4 % об. В настоящее время для этих задах широко применяются термохимические сенсоры. Однако они отравляются хлоро- и серосодержащими примесями, поэтому имеют ограниченную область применения. Высокая рабочая температура и отравляющие примеси ограничивают их срок службы. Альтернативным решением для задач взрывобезопасности при обнаружении утечек водорода на объектах водородной и ядерной энергетики в качестве аналитической базы могут служить термокондуктометрические сенсоры, выполненные с использованием микроэлектронных технологий.

Для обеспечения пожарной безопасности помещений перспективным является использование систем раннего обнаружения пожароопасной ситуации, основанных на контроле химического состава воздуха, резко изменяющегося из-за термического разложения начинающих тлеть горючих материалов. При принятии мер на этой стадии развития пожара велика вероятность предотвращения возгорания. Характерными предвестниками пожароопасной ситуации является увеличение содержания в воздухе оксида углерода СО и водорода Н2 до уровня нескольких десятков ррш.

Таким образом, актуальной задачей является совершенствование существующих и разработка новых сенсоров водорода. В качестве сенсоров водорода в данной работе исследованы современные твёрдотельные термокондуктометрические сенсоры, выполненные с использованием микроэлектронных технологий, а также потенциометрические газовые сенсоры, принцип работы которых основан на низкотемпературной ионной проводимости.

Цель работы

Целью работы является исследование методов проектирования распределённых газоаналитических систем, аналитических измерительных преобразователей, влияния особенностей обеспечения метрологических характеристик канала измерения на его структуру и разработка РГС обеспечения взры-во- и пожаробезопасности.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи: выявить методы построения РГС, исследовать различные структуры систем; рассмотреть особенности обеспечения метрологических характеристик канала измерения РГС; сформулировать требования к аналитическим измерительным преобразователям РГС, оценить перспективы применения в качестве первичных измерительных преобразователей (ПИП) твёрдотельных сенсоров; оценить перспективность использования в РГС аналитических измерительных преобразователей на базе твёрдотельного термокондуктометри-ческого и потенциометрического газового сенсора, принцип работы которого основан на низкотемпературной ионной проводимости; исследовать возможность улучшения динамических характеристик измерительного канала РГС.

Методы исследования В диссертационной работе для решения поставленных задач использованы методы системного анализа, математического моделирования и экспериментального исследования метрологических характеристик газоаналитических устройств.

Научная новизна

На основе анализа методов проектирования распределённых газоаналитических систем предложена структура системы, метрологически обеспечивающая её измерительные каналы без проведения настроечных операций по месту эксплуатации, в качестве перспективных ПИП предложены твёрдотельные сенсоры, а также показана возможность использования для задач РГС существующих протоколов информационных промышленных сетей.

Предложено зависимость коэффициента теплопроводности от состава рассматривать в виде суммы двух составляющих: линейной зависимости и функции прогиба. Показано, что функция прогиба с высокой точностью аппроксимируется гиперболической функцией, зависящей от двух параметров.

Гиперболическая функция аппроксимации, в отличие от традиционно используемого уравнения Васильевой, гораздо удобнее для математического анализа, существует алгоритм однозначного определения значений её коэффициентов, а также она описывает зависимость теплопроводности смеси от состава при любом расположении экстремума.

Предложена математическая модель для термокондуктометрических преобразователей на основе проволочных и тонкоплёночных (твёрдотельных) сенсоров, учитывающая концевые потери чувствительного элемента — терморезистора. Показано, что доля концевых потерь однозначно определяется безразмерным критерием, значение которого зависит от геометрических размеров терморезистора и камеры, теплопроводности материала терморезистора и теплопроводности газа.

На основании предложенной математической модели получено выражение статической характеристики термокондуктометрического преобразователя, выполненного с использованием схемы уравновешенного моста.

Практическая ценность

Разработана структура распределённой газоаналитической системы обеспечения взрыво- и пожаробезопасности объектов специального назначения РГС-07, а также комплект конструкторской документации для серийного выпуска её структурных блоков.

Разработана методика, позволяющая экспериментально определить долю концевых потерь тепла термокондуктометрического чувствительного элемента.

Проведены исследования характеристик потенциометрических газовых сенсоров на основе низкотемпературной ионной проводимости и показана их высокая чувствительность к водороду.

Разработаны алгоритм работы и программное обеспечение, позволяющие улучшить динамические характеристики измерительного канала РГС за счёт увеличения погрешности.

Созданы методические указания для расчёта уравновешенного моста термокондуктометрического газоанализатора.

Реализация

Рассмотренные твёрдотельные термокондуктометрические сенсоры используются в качестве ПИП в газоанализаторах ИВА-1В, BXJI1-4, которые обладают высокими метрологическими характеристиками, выпускаются серийно и используются для измерения концентрации диоксида серы на производстве серной кислоты и хлора в технологических газах хлорных производств.

Разработана и изготовлена пневматическая установка разбавления, позволяющая получать смеси газов и паров с различной концентрацией. Данная установка была использована при проведении испытаний термохимического аналитического преобразователя и потенциометрического газового сенсора на основе низкотемпературной ионной проводимости.

Изготовлен и испытан опытный образец системы РГС-07, содержащий шесть аналитических преобразователей (термохимических и электрохимических).

Материалы диссертации использованы при чтении курса лекций «Расчёт и проектирование анализаторов».

Публикации

Основные положения диссертационной работы изложены в восьми печатных работах, в т.ч. в одном журнале, рекомендованном ВАК.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на XVIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Казань, 2005 г.), Международной конференции «Аналитические методы измерений и приборы в пищевой промышленности» (Москва, 2006 г.) и научных конференциях МГУИЭ в 2004 и 2007 г.г.

Объём работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, изложенных на 198 страницах, иллюстрирована 39 рисунками, содержит 16 таблиц, список литературы, включающий 116 наименований, 6 приложений.

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основе анализа методов проектирования распределённых газоаналитических систем предложена структура системы, метрологически обеспечивающая её измерительные каналы без проведения настроечных операций по месту эксплуатации. В качестве перспективных ПИП предложены твёрдотельные сенсоры. Показана возможность использования существующих протоколов информационных промышленных сетей.

2. Используя рассмотренные методы проектирования, разработана структура распределённой газоаналитической системы РГС-07, обеспечивающей взрыво- и пожаробезопасность объектов специального назначения, а также комплект конструкторской документации для серийного выпуска её структурных блоков: блока управления, питания и сигнализации (БУПС), системного преобразователя и двух типов аналитических преобразователей (термохимического и электрохимического). Система обеспечивает контроль концентрации суммы углеводородов в диапазоне 0 - 50 % НКПР и оксида углерода в диапазоне 0 - 100 ррт. Изготовлен и испытан опытный образец системы.

3. Проведена классификация термокондуктометрических преобразователей по элементной базе, способу транспортировки пробы к чувствительному элементу, схеме включения в измерительную цепь, режиму питания.

4. Проведено сопоставление существующих методов расчёта теплопроводности смеси от её состава, оценена погрешность расчёта. Практически все они сводятся к форме уравнения Васильевой.

Предложено зависимость коэффициента теплопроводности от состава рассматривать в виде суммы двух составляющих: линейной зависимости, определяемой взаимодействием однородных молекул, и функции прогиба, обусловленной взаимодействием разнородных молекул. Показано, что функция прогиба с высокой точностью (систематическая погрешность не более 10"4 от диапазона изменения теплопроводности) аппроксимируется гиперболической функцией, зависящей от двух параметров. В качестве таких параметров могут выступать координаты экстремума функции прогиба.

Гиперболическая функция аппроксимации, в отличие от уравнения Васильевой, гораздо удобнее для математического анализа, существует алгоритм однозначного определения значений её коэффициентов, а также она описывает зависимость теплопроводности смеси от состава при любом расположении экстремума (функция Васильевой применима лишь в случаях, когда экстремум лежит в области К> 1). Проведенная обработка эмпирических данных показала, что экстремумы значительного количества смесей лежат в области К < 1.

5. Предложена математическая модель для термокондуктометриче-ских преобразователей на основе проволочных и тонкопленочных (твёрдотельных) сенсоров, учитывающая концевые потери чувствительного элемента. Показано, что доля концевых потерь однозначно определяется безразмерным критерием т, значение которого зависит от геометрических размеров чувствительного элемента и камеры, теплопроводности материала чувствительного элемента и теплопроводности газа.

6. На основании предложенной математической модели получено выражение для расчёта напряжения на терморезисторе при включении его в схему уравновешенного моста, из которого следует линейность зависимости квадрата напряжения на терморезисторе от теплопроводности газа (погрешность аппроксимации не превышает 1 %). Проведенные экспериментальные исследования подтверждают адекватность предложенной модели.

7. Разработана методика, позволяющая экспериментально определить долю концевых потерь тепла термокондуктометрического чувствительного элемента.

8. Рассмотренные твёрдотельные термокондуктометрические сенсоры применены в газоанализаторах ИВА-1В, ВХЛ1-4. Эти газоанализаторы внесены в Государственный реестр средств измерений (№№ 21340-01 и 12020-07 соответственно), выпускаются серийно и имеют высокие метрологические характеристики.

9. Проведено исследование характеристик потенциометрического газового сенсора на основе низкотемпературной ионной проводимости. Показана их высокая чувствительность к водороду (порог обнаружения не хуже 10 ррш). Показано, что при введении коррекции по влажности возможно использование такого типа сенсоров в качестве ПИП аналитических измерительных преобразователей распределённых газоаналитических систем пожа-робезопасности.

10. Разработаны алгоритм работы и программное обеспечение, позволяющие улучшить динамические характеристики измерительного канала РГС за счёт увеличения погрешности. Экспериментально подтверждена его работоспособность на примере термохимического аналитического преобразователя. Для этого была разработана пневматическая установка разбавления, позволяющая получать смеси газов и паров с различной концентрацией.

1. ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 1

2. Бреслав И.С., Миняев В.И. Воздух дыхание - жизнь. - Калинин: Московский рабочий, 1984. - 95 с.

3. Кузык Б.Н., Яковец Ю.В. Россия: Стратегия перехода к водородной энергетике. М.: Институт экономических стратегий, 2007. - 400 с.

4. Шпильрайн Э.Э., Малышенко С.П., Кулешов Г.Г. Введение в водородную энергетику / под ред. В.А. Легасова. М: Энергоатомиздат, 1984.-264 с.

5. Мищенко А.И. Применение водорода для автомобильных двигателей. -Киев: Наукова думка, 1984. 143 с.

6. Крайцберг А. М. Залей метанол в телефон // Химия и жизнь XXI век, 2005, №3.-с. 18-23.

7. Глебова Е. Рывок в водородное будущее // Наука и жизнь, 2004, №2.-с. 16-19.

8. Меньшиков В.В., Швыряев A.A. Опасные химические объекты и техногенный риск: учебное пособие. -М: МГУ, 2003. — 254 с.

9. Терещенко Г.Ф. России необходима программа химической безопасности // Химическая технология, 2002, № 10. — с. 2 7.

10. Маршалл В. Основные опасности химических производств. М: Мир, 1989.-671 с.

11. Басанина Т.Г., Кловач Е.В. Директива ЕЭС «О предупреждении крупных аварий (Директива Севезо)» // Безопасность труда в промышленности, 1993, № 10.

12. Major Accident Hazards of Industrial Activities ("Seveso Directive"). European Economic Community Council Directive 82-5 01-EES Official Journal Reference NL230.5.8.1982, October 1982

13. Горский В.Г., Швецова-Шиловская Т. Н. и др. Новый подход к проблеме классификации химически опасных объектов // Химическая технология, 2002, № 10.

14. Патрикеев В.А., Рылов В.А. Проектирование распределённых газоаналитических систем контроля утечек аммиака // Материалы, международной конференции «Аналитические методы измерений и приборы в пищевой промышленности». М.: МГУПП, 2007. - с. 162 - 168.

15. РД 52.04.253-90 Методика прогнозирования масштабов заражения сильнодействующими ядовитыми веществами при авариях (разрушениях) на химически опасных объектах и транспорте.

16. Болодурин Б.А., Михайлов A.A. Организация контроля газовоздушной среды автотранспортных тоннелей, подземных и крытых автостоянок // Сантехника, отопление, кондиционирование, 2005, № 2. с. 56 - 57.

17. СНиП 32-04-97 Тоннели железнодорожные и автомобильные.

18. Андрианов В. А. Датчики и системы пожарной безопасности: состояние рынка, перспективы // Материалы международной конференции «Датчики и Системы», 2002.

19. Федоров A.B., Лукьянченко A.A., Соколов A.B. Применение газовых сенсоров в системах автоматической пожарной сигнализации // Мир и безопасность, 2004, № 4.

20. Антоненко В.И., Васильев A.A., Олихов И.М. Раннее обнаружение пожара: полупроводниковые газовые сенсоры // Электроника, 2001, № 4. с. 48 - 51.

21. ГОСТ Р 8.596-2002 ГСИ. Метрологическое обеспечение измерительных систем. Основные положения.

22. Алексеев В.А., Заболотских В.И. Экологический мониторинг химически опасных объектов и территорий с использованием интеллектуальных датчиков // Материалы международной конференции «Датчики и Системы», 2002.

23. Делсинг И., Линдгрен П. Технология связи датчиков для создания окружающего интеллекта // Датчики и системы, 2005, № 12.

24. Зайцев И.В. Построение энергетически эффективных беспроводных сетей датчиков в задачах мониторинга параметрических полей // Материалы международной конференции «Датчики и Системы», 2002.

25. Родионов А.Е., Родионов A.A. Взрывобезопасная сеть интеллектуальных устройств для контроля загазованности промышленных объектов // Приборы, 2003, № 6. с. 24 - 26.

26. Вахрушев В.И., Заболотских В.И., Хохряков A.B. Система автоматического контроля, прогноза и оповещения о газовой опасности на химически опасном объекте // Приборы и системы управления, 1999, №3.-с. 13-15.

27. Горелик Д.О. Метрологическое обеспечение газоаналитических измерений: обзорная информация. -М.: Изд-во стандартов, 1976. 73 с.

28. Коллеров Д.К. Метрологические основы газовых измерений. -М., 1967.

29. Фарзане Н.Г., Илясов Л.В., Азим-Заде А.Ю. Технологические измерения и приборы. М.: Высшая школа, 1989. - 456 с.

30. ТУ6-16-2956-92 Смеси газовые поверочные стандартные образцы состава. Технические условия.

31. ГОСТ 8.578-2002 Государственная система обеспечения единства измерений. Государственная поверочная схема для средств измерений содержания компонентов в газовых средах.

32. ГОСТ 8.002-86 Государственная система обеспечения единства измерений. Государственный надзор и ведомственный контроль за средствами измерений. Основные положения.

33. ГОСТ 13320-81 Газоанализаторы промышленные автоматические. Общие технические условия.

34. ГОСТ 22316-77 Средства агрегатные информационно-измерительных систем. Общие требования к организации взаимодействия средств при построении систем.

35. Бродский М.Ф., Патрикеев В.А., Розинов ГЛ., Рылов В.А. Структура распределённых газоаналитических систем // Промышленные АСУ и контроллеры, 2007, № 4. с. 51 - 52.

36. Федоров A.B., Лукьянченко A.A., Соколов A.B. Аналитический обзор газовых пожарных извещателей. // Материалы четырнадцатой научно-технической конференции «Системы безопасности» СБ-2005. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2005. - 299 с.

37. Будников Г.К. Что такое химические сенсоры // Соросовский образовательный журнал, 1998, № 3. с. 72 - 76.

38. Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств. — М: Машиностроение, 1983. 224 с.

39. Самсонов Р. О. Термокаталитическое непрерывное определение водорода и оксида углерода в газовых смесях: дис. . канд. хим. наук: 02.00.02 Краснодар, 2006. - 127 с.

40. Анисимкин В.И., Максимов С.А., Пенза М., Васанелли Л. Термокондуктометрическое детектирование газов и газовых потоков с помощью линий задержки на поверхностных акустических волнах // Журнал технической физики, 1997, № 5, том 67. с. 119 — 123.

41. Гусев С. Краткий экскурс в историю промышленных сетей // Современные технологии автоматизации, 2000, № 4. с. 78 - 84.

42. Клещев Н.Т., Романов A.A. Практическое руководство по организации и проектированию информационных систем. М: Научтехлитиздат, 2001.-389 с.

43. Блэк Ю. Сети ЭВМ: протоколы, стандарты, интерфейсы. М: Мир, 1990.-506 с.

44. Агуров П.В. Последовательные интерфейсы ПК: практика программирования. СПб: БХВ-Петербург, 2005. - 476 с.

45. Локотков А. Интерфейсы последовательной передачи данных: стандарты EIA RS-422A / RS-485 // Современные технологии автоматизации, 1997, №3.- с. 110-119.

46. Яковлев В. Основы оптоволоконной технологии // Современные технологии автоматизации, 2002, № 4. с. 74 - 81.

47. Гупта А., Каро P. Foundation Fieldbus или Profibus-PA: выбор промышленной сети для автоматизации технологических процессов // Современные технологии автоматизации», 1999, № 3. с. 16 - 20.

48. Аристова Н.И., Корнеева А.И. Промышленные программно-аппаратные средства на отечественном рынке АСУТП. М: Научтехлитиздат, 2001. - 402 с.

49. Якобовский М.В. Распределенные системы и сети: учебное пособие. -М: МГТУ «Станкин», 2000. 118 с.

50. Федоров А.В., Лукьянченко А.А., Соколов А.В. Газоаналитические сенсоры последнего поколения // Материалы тринадцатой научно-технической конференции «Системы безопасности», 2004.

51. Системы газоаналитические СКВА-01. Описание типа.

52. Вогман Л.П., Зуйков В.А., Болодурин Б.А., Михайлов А.А. Совершенствование методов раннего обнаружения очагов самонагревания и самовозгорания растительного сырья в хранилищах силосного типа. // Пожарная безопасность, 2006, № 4.1. ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 2

53. Методы решения задач тепломассопереноса теплопроводность и диффузия в неподвижной среде: учебное пособие / Коновалов В.И., Пахомов А.Н., Гатапова Н.Ц., Колиух А.Н. Тамбов: Тамб. гос. техн. ун-т, 2005. — 80 с.

54. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. 5-е изд., доп. - М.: Атомиздат, 1979. - 415 с.

55. Латышенко К.П., Патрикеев В.А., Рылов В.А. Расчёт уравновешенного моста термокондуктометрического газоанализатора: методическое пособие. -М.: МГУИЭ, 2008.-43 с.

56. Шашков А.Г., Касперович A.C. Динамические свойства цепей с терморезисторами.-М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962.

57. Мэклин Э.Д. Терморезисторы. / под общей ред. Мартюшова К.И. -М: Радио и связь, 1983. 208 с.

58. Раннев Г.Г., Тарасенко А.П. Методы и средства измерений: учебник для вузов. 2-е изд., стереотип. - М.: издательский центр «Академия», 2004. - 336 с.

59. Яковлев В. Структура измерительной системы на базе пассивных датчиков // Современные технологии автоматизации, 2002, № 1. с. 76 - 84.

60. Розинов Г.Л., Скрупский C.B. Термокондуктометрические преобразователи состава и свойств газа с постоянной температурой терморезистора: обзорная информация. М.: НИИТЭХИМ, 1978. - 23 с.

61. Измерительная схема термокондуктометрического газоанализатора с постоянной температурой чувствительного элемента / Розинов Г.Л., Певзнер Х.И., Пошеманский В.М., Скрупский C.B. // Автоматизация химических производств, 1972, № 4. с. 97 - 105.

62. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел A.C. Теплопередача: учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1975. - 488 с.

63. Яворский Б.М., Детлаф A.A. Справочник по физике. 2-е изд., перераб. -М.: Наука, 1985.-512 с.

64. Краткий справочник физико-химических величин / под ред. Мищенко К.П. и Равделя А. А. Л.: Химия, 1967. - 182 с.

65. Енохович A.C. Краткий справочник по физике. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1976. - 288 с.

66. Теплофизические свойства веществ: справочник / под ред. Варгафтика Н.Б. М.: Госэнергоиздат, 1956. - 367 с.

67. Тхоржевский В.П. Автоматический анализ химического состава газов. — М.: Химия, 1969.-324 с.

68. Бретшнайдер М. Свойства газов и жидкостей: инженерные методы расчета. М.: Химия, 1966. - 535 с.

69. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972. - 720 с.

70. Шашков А.Г., Абраменко Т.Н. Теплопроводность газовых смесей. — М.: Энергия, 1970. 288 с.

71. Wassiljewa A., Warmeleitung in Gasgemischen, Physik Z., 5:737, 1904.

72. Чепмен С., Каулинг Т. Математическая теория неоднородных газов. — М.: изд-во Иностранной литературы, 1960. 510 с.

73. Mason Е.А., Saxena S.С. Approximate formula for the conductivity of gas mixtures //Phys. Fluids, 1958, v.l, №5. -p.361 369.

74. Lindsay A. L., Bromley L. A. // Ind. Eng. Chem., 42:1, 1508, 1950.

75. Гиршфельдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей. М.: изд-во Иностранной литературы, 1961. - 929 с.

76. Улыбин С.А., Бугров В.П., Ильин A.B. О температурной зависимости теплопроводности химически не реагирующих газовых смесей // Теплофизика высоких температур, 1966, № 2, т. 4.

77. Улыбин С.А. К расчёту температурной зависимости вязкости и теплопроводности реагирующих разреженных газовых смесей // Теплофизика высоких температур, 1967, № 1, т. 5.

78. Рид Р., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. JL: Химия, 1971. - 702 с.

79. Аманназаров А., Розинов Г.Л., Чубукова Н.М. Методы и приборы для определения водорода: газовый анализ: справочник. -М.: Химия, 1987. 128 с.

80. Groy P., Wright R.G. Thermal conductivity of mixtures. // Proceedings of the royal society, 1961.

81. Ярышев H.A. Теоретические основы измерения нестационарных температур. Л.: Энергия, 1967. - 299 с.

82. Кэй Д., Лэби Т. Справочник физика-экспериментатора. М.: изд-во Иностранной литературы, 1949. - 299 с.

83. Фрайден Дж. Современные датчики: справочник. Техносфера, 2005. - 592 с.

84. Фреймут П. // Приборы для научных исследований, 1967, № 5.

85. Милнер Быстродействующий манометр Пирани с постоянной температурой нити // Приборы для научных исследований, 1983, № 7. — с. 103- 106.

86. Катыс Г.П. Системы автоматического контроля скоростей и расходов. — М.: Наука, 1965.-464 с.

87. Павленко В.А. Газоанализаторы. Машиностроение, 1965. - 296 с.

88. Фарзане Н.Г., Илясов J1.B. Автоматические детекторы газов. М.: Энергия, 1972. - 168 с.

89. Патрикеев В.А., Рылов В.А. Учёт концевых потерь тепла для термокондуктометрических преобразователей // Математические методы в технике и технологиях ММТТ-20: сборник трудов XX Международной научной конференции. - Ростов-на-Дону, 2007. - с. 206 - 208.

90. Холов Ф.М. Пути повышения избирательности газоанализаторов по теплопроводности // Автоматические газоанализаторы. М.: ЦИНТИ электропром, 1961. - с. 33 - 51.

91. Розинов Г. Л., Патрикеев В. А. Термокондуктометрический газоанализатор ИВА-1В // Приборы, 2007, № 10. с. 20 - 22.1. ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 3

92. Кубасов В.Л., Зарецкий С.А. Основы электрохимии. М.: Химия, 1976.- 184 с.

93. Скорчеллетти В.В. Теоретическая электрохимия. Л.: Химия, 1970.-606 с.

94. Лопатин В.А. Теоретические основы электрохимических методов анализа. М.: Высшая школа, 1975. - 295 с.

95. Чеботин В.Н., Перфильев М. В. Электрохимия твердых электролитов. -М.: Химия, 1978.-312 с.

96. Алейников H.H., Вершинин H.H., Шильдин В.В. Новые твердоэлектролитные сенсоры водорода и сенсоры других токсичных газов // Альтернативная энергетика и экология, 2004, № 1(9). с. 54 - 57.

97. Новые протонпроводящие мембраны для топливных элементов и газовых сенсоров / Добровольский Ю.А., Писарева A.B., Леонова Л.С., Карелин А.И. // Альтернативная энергетика и экология, 2004, № 12(20). -с. 36 41.

98. Леонова Л.С., Добровольский Ю.А. Низкотемпературные суперионные сенсоры водорода // Материалы VIII Международной конференции «Водородное материаловедение и химия углеродных наноматериалов», секция 1.3, г. Судак, 2003. с. 388 - 393.

99. Васильев A.A., Олихов И.М., Соколов A.B. Газовые сенсоры для пожарных извещателей // Электроника: наука, технология, бизнес, 2005, № 2. с. 24 - 27.

100. Водород против пожара: преимущество работы газовых пожарных извещателей на основе полупроводниковых сенсоров по сравнению с электрохимическими сенсорами / Лукьянченко A.A., Самотаев H.H.,

101. Соколов A.B., Васильев A.A., Федоров A.B. // Межотраслевой тематический каталог «Системы безопасности-2007», 2007. 3.10. Виглеб Г. Датчики. М.: Мир, 1989. - 196 с.

102. З.П.Рембеза С.И. Нужен ли человечеству искусственный нос? // Природа, 2005, № 2.1. ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 4

103. ГОСТ 14254-96. Степени защиты, обеспечиваемые оболочками (код IP).

104. ГОСТ Р 51330.10-99. Электрооборудование взрывозащищенное. Часть 11. Искробезопасная электрическая цепь i.

105. ГОСТ Р 51330.0-99. Электрооборудование взрывозащищенное. Часть 0. Общие требования.

106. Меркулов A.B., Рылов В.А. Люминесцентный анализатор кислорода // Математические методы в технике и технологиях — ММТТ-18: сб. трудов XVIII Международной научной конференции: в 10 т. Т. 6 Казань: Казанский гос. технол. ун-т, 2005. - с. 163 - 164.

107. Рылов В.А., Тарасова Е.А. Исследование температурной зависимости люминесцентного анализатора кислорода // Математические методы в технике и технологиях ММТТ-19, т. 8. - Воронеж, 2006. - с. 172-173.