автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка и исследование газоанализатора вредных веществ на основе метода спектрометрии подвижности ионов

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Дзержинский филиал

ПОПОВ АНАТОЛИЙ АРКАДЬЕВИЧ

УДК 543.27: 621.387.422

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОАНАЛИЗАТОРА ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ НА ОСНОВЕ МЕТОДА СПЕКТРОМЕТРИИ ПОДВИЖНОСТИ

ИОНОВ

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

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент С.А. Добротин

Нижний Новгород 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Введение _________ ;_;___ 5

Глава 1. Анализ состояния проблемы и формулировка задач исследования____ 13

1.1. Обзор автоматических газоанализаторов вредных веществ_____ 14

1.2. Анализ газоаналитических средств контроля концентрации ионизационного типа ___ 21

1.3. Газоаналитические датчики на основе метода спектрометрии подвижности ионов _ 33

1.4. Основные этапы обработки информативных сигналов газоаналитической информации_ 43

1.5. Постановка задач исследования __ 58

Выводы____ 59

Глава 2. Теоретические исследования метода спектрометрии

подвижности ионов___;_____61

2.1. Теория подвижности . ионов_ 62

2.1.1. Подвижность ионов _______ 63

2.1.2. Зависимость подвижности ионов от влияющих параметров__ 67

2.2. Исследование математической модели электростатических полей в чувствительном элементе _ 71

2.2.1. Математическая модель электростатических полей __________ 71

2.2.2. Алгоритм расчета электростатических полей при заданной конфигурации электродов и начальных условиях _____ 72

2.2.3. Результаты исследований ____ 7 7

2.3. Основная математическая модель первичного преобразователя __._ 83

2.3.1. Составление основной математической модели__ 83

2.3.2. Вывод и исследование функции преобразования_ 91

2.4. Исследование модели выходного сигнала газоанализатора спектрометрии подвижности ионов______ 99

2.4.1. Составление математической модели 100

2.4.2. Разработка основ алгоритма обработки выходного сигнала __ 102

Выводы 110 Глава 3. Экспериментальные исследования _ 111

3.1. Экспериментальное исследование электростатических полей_________ 111

3.1.1. Планирование экспериментальных исследований 112

3.1.2. Описание методики проведения исследований и экспериментальной установки_ 116

3.1.3. Метрологическое обеспечение достоверности экспериментов _ 119

3.1.4. Результаты проведенных экспериментальных исследований _ 12 0

3.2. Экспериментальное исследование выходного сигнала газоанализатора и алгоритма его обработки__ 130

3.2.1. Описание экспериментальной установки_ 131

3.2.2. Исследование фонового сигнала газоанализатора СПИ___ 134

3.2.3. Исследование алгоритма обработки выходного сигнала газоанализатора__ 13 8

Выводы ____;_ 145

Глава 4. Разработка и внедрение газоанализатора вредных

веществ_ 147

4.1. Методика инженерного расчета настроек газоанализатора при детектировании определенного вещества_ 147

4.2. Газоанализатор на основе метода спектрометрии подвижности ионов _ 149

4.2.1. Датчики газоанализатора__ 152

4.2.2. Система визуализации, регистрации и управления_ 15 6

4.3. Методика анализа возможности применения газоанализатора СПИ в локальных системах мониторинга воздуха рабочих зон_ 161

4.4. Анализ ситуации с вредными веществами на производстве дихлорэтана и возможности применения' для их мониторинга газоанализатора СПИ 163

4.5. Перспективы развития диссертационной работы_

Выводы _________—---

Заключение ________________"

Литература _______----—---

Приложения _____—---------

168 170

172

173 180

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Анализ воздуха промышленных предприятий имеет своей задачей определение газов, паров и аэрозолей, оказывающих вредное действие на организм человека. Источником загрязнения производственной воздушной среды являются технологические процессы, связанные с применением или образованием вредных летучих веществ. Загрязнения возникают при недостаточной герметизации оборудования и изолированности особо вредных процессов, отсутствии или недостаточной эффективности санитарно-технических устройств, главным образом вентиляции. При этом концентрация вредных примесей может достигать величин, представляющих опасность для здоровья работающих.

Практика гигиенического нормирования предельно допустимых концентраций (ПДК) токсических веществ требует систематического контроля производственной воздушной среды, а, следовательно, наличия чувствительных и избирательных методов анализа. На особо опасных участках требуется непрерывно контролировать содержание примесей в воздухе технологической зоны, чтобы своевременно предупредить пожар, взрыв или отравление персонала. Повышенные требования к селективности средств контроля концентраций вредных веществ предъявляются из-за широкого спектра контролируемых веществ .

Таким образом, задача непрерывного контроля концентраций большого спектра вредных веществ с помощью универсальных газоаналитических приборов для предупреждения опасных ситуаций на предприятиях является актуальной.

Целью работы является аппаратно-программное обеспечение мониторинга целевого, компонента в многокомпонентной газовой смеси.

Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие основные задачи:

— провести анализ существующих газоанализаторов вредных веществ, конструкций ионизационно-газовых первичных преобразователей и выявить перспективное направление исследования;

— разработать и исследовать математическую модель процесса детектирования вредных веществ методом спектрометрии подвижности

ионов (СПИ) при атмосферном давлении с целью установления новых зависимостей и их использования при разработке новых чувствительных элементов;

— на основе исследований электростатических полей в датчике спектрометрии подвижности ионов разработать новый способ анализа газов и новые чувствительные элементы для его реализации, обладающие повышенной чувствительностью и селективностью;

— на основе методов обработки информативных сигналов газоанализаторов синтезировать алгоритм обработки выходного сигнала газоанализатора СПИ и разработать программный пакет на его базе ;

— разработать и опробовать селективный газоанализатор СПИ, имеющий возможность перенастройки на ряд веществ, и внедрить результаты диссертационной работы.

Научная новизна. В работе выявлены классификационные признаки и проведена классификация газоаналитических средств контроля ионизационного типа.

Разработана и исследована математическая модель процесса детектирования вредных веществ методом спектрометрии подвижности ионов при атмосферном давлении, получены зависимости ионного тока от технологических и конструктивных параметров. Результаты экспериментальных исследований подтвердили адекватность предложенной модели.

Теоретически и экспериментально исследованы электростатические поля в чувствительном элементе, что позволило определить оптимальную конфигурацию формы электростатических полей для увеличения чувствительности и селективности датчика. На основании полученных результатов предложены способ и устройства для анализа газов, новизна которых защищена патентом на изобретение и свидетельством на полезную модель.

Проведены экспериментальные исследования детерминированной и стохастической составляющих выходного сигнала газоанализатора. Полученные зависимости позволили определить оптимальные режимы работы газоанализатора СПИ для селективного определения целевого вещества в многокомпонентной газовой смеси и их метрологические характеристики.

Практическая ценность работы. Разработанный автоматический газоанализатор вредных веществ на основе метода спектрометрии подвижности ионов позволяет решить задачу мониторинга целевого компонента в воздухе рабочих зон промышленных предприятий.

Использование разработанного программного обеспечения на базе синтезированного алгоритма обработки выходного сигнала позволяет повысить порог чувствительности газоанализатора.

Использование ЭВМ совместно с газоанализатором позволяет повысить технический уровень газоанализатора и уровень интеллектуализации, а именно: существенно расширить его информационные возможности, обеспечить связь с управляющими устройствами высокого уровня, а также организовать контроль технологических параметров и аварийную сигнализацию.

Методика исследования электростатических полей в газоаналитическом датчике спектрометрии подвижности ионов может применяться для решения аналогичных задач конструктивной оптимизации в других газоаналитических устройствах.

Реализация и внедрение результатов исследования. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в диссертационной работе, в соответствии с заключенным договором переданы ОАО "Капролактам" (г. Дзержинск, Нижегородской обл.), на основе которых проведен анализ ситуации с вредными веществами на производстве дихлорэтана и для контроля загрязнения воздушной среды предложен селективный газоанализатор СПИ. Промышленные испытания макета газоанализатора показали эффективность его работы. На основе результатов испытаний газоанализатор рекомендован к внедрению для эксплуатации в производстве дихлорэтана.

Методика анализа случайных составляющих информативных сигналов и их оптимальной фильтрации в системах автоматического регулирования внедрена в виде лабораторной, работы по дисциплине "Теория управления" в рамках специальности 21.02 "Автоматизация технологических процессов и производств".

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 18 3 страницы текста, 7 8 рисунков, 18 таблиц. Список литературы — 85 наименований.

В первой главе показана актуальность проблемы разработки универсальных средств газоаналитического контроля для применения в системах экологического мониторинга и, для анализа концентраций вредных веществ в воздухе рабочих зон.

В обзоре существующих газоанализаторов выделены приборы ионизационного типа, обладающие высоким быстродействием и чувствительностью, имеющие возможность детектирования большого ряда веществ как органического, так и неорганического происхождения. Проведена классификация ионизационных газоаналитических средств. Это дало возможность выявить перспективность использования в качестве первичного преобразователя датчика спектрометрии подвижности ионов для задачи непрерывного контроля вредных веществ в воздухе рабочих зон на уровне предельно допустимых концентраций.

Из ряда рассмотренных газоанализаторов спектрометрии подвижности ионов в качестве наиболее перспективного направления разработки выбран ионизационный газоанализатор, основанный на методе СПИ с пространственным разделением ионов по подвижности. Установлено, что высокая чувствительность прибора может быть обеспечена путем усовершенствования конструкции чувствительного элемента и введения автоматической обработки выходного сигнала, учитывающей специфику способа анализа газов.

С целью выработки общего подхода к обработке сигнала газоанализатора СПИ рассмотрены основные этапы обработки информативных сигналов газоанализаторов. Установлено, что в алгоритме обработки выходного сигнала газоанализатора должны содержаться операции приведения к нулевому среднему значению и единичной дисперсии, устранения тренда, фильтрации. С точки зрения критериев максимума соотношения "сигнал/шум" на выходе фильтра и количества вычислительных операций, необходимых для реализации алгоритма на ЭВМ, показана целесообразность использования фильтра не выше второго порядка, а для статистической обработки сигнала - быстрого преобразования Фурье.

На основе проведенного анализа сформулированы.основные задачи исследований.

Во второй главе рассмотрены основные положения теории подвижности ионов с целью установления зависимости величины подвиж-

ности от влияющих параметров. Установлено, что наиболее сильно подвижность ионов зависит от плотности газа, температуры, давления и влажности окружающей среды и слабо зависит от напряженности электрического поля и заряда иона. В этой связи определены основные направления для повышения уровня интеллектуализации газоаналитических средств СПИ.

Составлена математическая модель процесса детектирования методом СПИ при атмосферном давлении. Получена функция преобразования, устанавливающая связь между ионным током и концентрацией компонента смеси. Показано, что функция преобразования имеет линейный характер. По результатам исследования функции преобразования получены оптимальные конструктивные параметры датчика и выведена формула для определения величины напряжения, при котором наблюдается максимум ионного тока для определенного вещества .

Проведены исследования математической модели электростатических полей в датчике. Результаты исследований в виде рассчитанных на ЭВМ картин распределения потенциала в поле при заданных начальных и граничных условий позволили определить оптимальную форму электростатических полей для повышения чувствительности и селективности датчика.

Исследованы основные этапы обработки сигналов газоаналитической информации на смоделированном выходном сигнале газоанализатора СПИ. Составляющие сигнала были определены математически с учетом особенностей выходного сигнала газоанализатора СПИ. При изучении этапа фильтрации газоаналитического сигнала рассмотрено действие цифровых фильтров на смоделированный выходной сигнал газоанализатора СПИ и с помощью критерия оценки эффективности действия фильтра определен оптимальный цифровой фильтр.

В третьей главе описаны выполненные с помощью стандартных и аттестованных средств измерения эксперименты. Изложены результаты исследований электростатических полей в датчике на физической модели методом электролитической ванны, а также результаты изучения составляющих выходного сигнала и алгоритма его обработки.

Целью экспериментальных исследований электростатических полей являлось подтверждение результатов теоретических расчетов и

оптимизация конструктивных параметров нового чувствительного элемента. Установлено, что имеет место эффект фокусировки и ускоренного выноса ионов из зоны ионизации, что приводит к повышению чувствительности устройства вследствие снижения рекомбинации. Для получения оптимальной формы электростатического поля в зоне разделения было предложено внести в конструкцию датчика новый элемент - кольцевой электрод, имеющий потенциал коллектора, и разместить его на границе зон ионизации и разделения. Установлено, что данное усовершенствование приводит к ориентации силовых линий в зоне разделения в направлении, перпендикулярном направлению потока газовой смеси. Это позволяет сохранить повышенную чувствительность устройства и обеспечить селективное восприятие ионов. Проведена оптимизация конструктивных параметров датчика, позволившая установить оптимальные геометрические размеры элементов конструкции.

По результатам исследований сформулированы и описаны способ анализа газов и устройства для его реализации, новизна которых подтверждена патентом РФ № 2109278 и устройства свидетельством на полезную модель РФ № 4 616.

Проведены экспериментальные исследования детерминированной и стохастической составляющих выходного сигнала газоанализатора на установке, состоящей из персональной ЭВМ с необходимым периферийным оборудованием, макета газоанализатора и блока связи. Проведен статистический анализ случайной составляющей сигнала, который показал целесообразность применения в алгоритме обработки выходного сигнала газоанализатора цифрового низкочастотного фильтра первого порядка. Разработан алгоритм и экспериментально проверен алгоритм обработки выходного сигнала при анализе амми-ачно-воздушной смеси. Полученные зависимости позволили определить оптимальные режимы работы газоанализатора СПИ для селективного определения целевого вещества в многокомпонентной газовой смеси и их метрологические характеристики и подтвердить эффективность обработки сигнала по предложенному алгоритму.

В четвертой главе описана методика инженерного расчета параметров настройки газоанализатора СПИ при детектировании определенного вещества, варианты его возможной комплектации, а также

методика анализа возможности применения газоанализатора СПИ в локальных системах мониторинга воздуха рабочих зон.

Рассмотрены варианты комплектования газоанализатора. Описаны устройство и правила эксплуатации в полной комплектации: газоанализатор с датчиком селективного восприятия, измерительная система, ЭВМ и программный пакет.

Газоанализатор предназначен для измерения концентрации вредных �