автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка и исследование устройства контроля концентрации паров синильной кислоты на основе каталитического сенсора

Введение

Глава 1. Характеристика проблемы автоматизированного контроля утечек синильной кислоты и формулировка задач исследования 1. 1. Обзор методов и средств автоматизированного обнаружения утечек синильной кислоты

1.1 Л.Обоснование необходимости контроля утечек синильной кислоты■

1.1.2. Промышленные методы и средства контроля концентрации синильной кислоты в воздухе

1.2. Обоснование применения микроэлектронных сенсоров химического состава газа

1.3. Каталитические датчики резистивного типа

1.3.1. Каталитические сенсоры пеллисторного типа

1.3.2. Планарные термокаталитические сенсоры

1.4. Особенности обработки информативных сигналов газоаналитических приборов

1.5. Обоснование применения микропроцессоров при построении аналитических приборов

1.6. Постановка задач исследования Выводы

Глава 2. Теоретические исследования чувствительности микроэлектронного каталитического сенсора к синильной кислоте

2.1. Физико-химические процессы, происходящие при детектировании синильной кислоты в структуре каталитического сенсора

2.2. Механизмы окисления синильной кислоты

2.3. Процессы адсорбции и десорбции как необходимые стадии гетерогенной каталитической реакции на поверхности сенсора

2.4. Критерии оценки влияния внешней диффузии молекул синильной кислоты на скорость химической реакции

2.5. Тепловые процессы, происходящие в структуре каталитического сенсора;'при детектировании HCN

2.6. Составление основной математической модели детектирования синильной кислоты

2.7. Вывод и исследование функции преобразования Выводы

Глава 3. Экспериментальные исследования чувствительности микроэлектронного каталитического сенсора к синильной кислоте

3.1. Подготовка эксперимента. Описание экспериментальной установки

3.2. Методика измерений характеристик термокаталитического сенсора

3.3. Оитимизапля конструкции каталитического сенсора в процессе экспериментальных исследований

3.3.1. Исследования каталитического сенсора базовой структуры

3.3.2. Исследования каталитического сенсора с чувствительным слоем в виде меандра

3.3.3. Исследование каталитического сенсора мембранного типа

3.3.4. Результаты экспериментов

3.4. Влияние состава катализатора на величину отклика сенсора

3.5. Исследование параметров каталитического сенсора в условиях псевдонепрерывного режима измерений

3.6. Метрологическая оценка результатов измерений Выводы

4.2. Обоснование выбора микроконтроллера при проектировании прибора ~

4.3. Конструкция прибора

4.4. Описание работы прибора

4.4.1. Работа цифровой части прибора

4.4.2. Работа измерительной системы

4.4.3. Импульсный преобразователь напряжения

4.5. Разработка программного обеспечения

4.5.1. Выбор средств разработки и отладки программ

4.5.2. Алгоритм работы прибора

4.5.3. Алгоритм обработки выходного сигнала

4.5.3.1.1'Блок фильтрации

4.4.3.2. Блок обработки установившегося сигнала до порога

4.5.3.3. Блок обработки возрастающего и убывающего сигнала

4.5.3.4. Блок обработки установившегося сигнала после порога

4.6. Методика инженерного расчета измерительного канала

4.7. Перспективы развития диссертационной работы

Выводы

Актуальность темы. Проблема анализа воздуха рабочих зон предприятий в условиях современных химических производств является весьма актуальной и имеет своей задачей определение концентрации газов, оказывающих вредное влияние на организм человека. Источником загрязнения являются технологические процессы, связанные с производством или применением вредных летучих веществ. Задача экологической защиты особенно остро стоит на предприятиях, производящих такой опасный высокотоксичный продукт, как синильная кислота (цианистый водород). Предельно допустимая концентрация синильной кислоты в атмосфере производственных помещений составляет 0,3 мг/м3 (0,0003мг/л) [1]. Известно, что при концентрации от 5 до 20 мг/м3 у отдельных о людей отмечаются первые признаки отравления, а при концентрациях 100 мг/м наступают судороги, паралич и смерть в течение первого часа действия. Пары синильной кислоты обладают высокой проникающей способностью через кожу человека. Поэтому пребывание даже в противогазе в атмосфере при высокой концентрации не спасает от отравления [2]. Все это определяет необходимость обеспечения безопасности производства синильной кислоты путем непрерывного контроля и своевременного обнаружения ее утечек.

Средства, используемые в настоящее время на предприятиях для детектирования синильной кислоты, имеют ряд существенных недостатков, таких, как невысокое быстродействие, сложность обслуживания, высокое энергопотребление, большие габариты и масса, не позволяющие их устанавливать в труднодоступных и опасных местах, длительное время выхода в рабочий режим. Высокие требования к газовому анализу на предприятиях, производящих такой опасный продукт, как синильная кислота, определили необходимость разработки портативного устройства на основе новых типов сенсоров, обладающих высоким быстродействием и чувствительностью для обеспечения надежного контроля. 6

Целью работы является проведение теоретических и экспериментальных исследований характеристик резистивного термокаталитического сенсора, а также режимов работы, повышающих эффективность его применения, разработка и создание на его основе портативного устройства контроля концентрации паров синильной кислоты.

Научная новизна. Разработана и исследована математическая модель процесса взаимодействия паров синильной кислоты с каталитическим сенсором резистивного типа, получены новые зависимости сопротивления чувствительной платиновой пленки сенсора от режимных и конструктивных параметров.

Экспериментально исследованы деградационные процессы в структуре сенсора, позволившие выявить причины постепенного ухудшения его эксплуатационных характеристик. На основании полученных результатов предложен новый способ анализа газов, заключающийся в псевдонепрерывном режиме измерений с периодичностью включения сенсора в работу, обратно пропорциональной фактически измеренному значению концентрации паров синильной кислоты. Это позволило избежать частого нагрева сенсора, что привело к увеличению срока его службы в 3,3 раза, повышению стабильности контроля и снижению энергопотребления.

Найдено оптимальное соотношение платины и палладия в составе чувствительного слоя сенсора (96%Pt + 4%Pd), позволившие существенно повысить чувствительность к синильной кислоте по сравнению с каталитическими сенсорами на основе чистой платины.

Теоретически и экспериментально исследовано влияние температуры на характеристики сенсора, установлен пороговый характер температурной зависимости чувствительности к синильной кислоте, впервые определена оптимальная температура Траб= 413К, обеспечившая максимальный отклик, высокую степень релаксации и высокую селективность.

На основе полученной математической модели предложена новая конструкция чувствительного элемента, представляющая собой термокаталитиче7 скую структуру мембранного типа, позволившую более, чем на порядок уменьшить время реагирования и восстановления сенсора, значительно снизить время выхода в рабочий режим по сравнению с известными устройствами, применяемыми для контроля синильной кислоты.

Разработано и создано устройство контроля концентрации паров синильной кислоты на основе мембранного каталитического сенсора, новизна конструкции которого защищена двумя свидетельствами на полезную модель.

Практическая ценность работы. Разработанная новая конструкция сенсора, нашла применение для детектирования синильной кислоты и пОозволила существенно улучшить параметры контроля по сравнению с существующими средствами.

Разработанный новый способ анализа газов, позволяет повысить длительную стабильность работы сенсора, существенно продлив срок его службы.

Разработанный математический алгоритм обработки сложного информативного сигнала позволяет обеспечить высокую достоверность выделения полезной составляющей сигнала, что ведет к повышению надежности контроля.

Разработанная методика инженерных расчетов измерительного канала может использоваться при проектировании аналогичных устройств газового контроля.

Реализация и внедрение результатов исследований. Результаты проведенных исследований реализованы в виде портативного устройства контроля концентрации паров синильной кислоты с микроэлектронным каталитическим сенсором. Промышленные испытания устройства в ОАО «Дзержинское Оргстекло» показали эффективность его использования и рекомендованы к внедрению на предприятиях, осуществляющих производство и переработку синильной кислоты.

Результаты исследований внедрены также в учебный процесс по дисциплине «Микропроцессоры в измерительной технике» в рамках специальности 21.02 "Автоматизация технологических процессов и производств". 8

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 162 страницы текста, 47 рисунков, 11 таблиц, список литературы из 73 наименований. В приложении представлено 2 акта испытаний.

ВЫВОДЫ

1. Сформулированы основные требования к схемотехническому I построению газоаналитического устройства для контроля концентрации паров синильной кислоты, а также дано обоснование выбора микро-ЭВМ при проектировании прибора.

2. На основе составленной структурной схемы разработан портативный микропроцессорный газоанализатор на синильную кислоту.

3. Разработан алгоритм автоматического управления прибором и алгоритм обработки информативного сигнала, составлена микропроцессорная программа реализации этих алгоритмов на языке Ассемблер-51.

4. Разработана методика инженерного расчета параметров измерительного моста и измерительного канала газоаналитического устройства с микроэлектронным каталитическим сенсором. I

5. Определены основные направления дальнейшего совершенствования газоанализатора на синильную кислоту и развития систем газоаналитического контроля на базе микроэлектронных датчиков.

150

ЗАКЛЮЧЕНИЕ <-i

1. Проведен сравнительный анализ датчиков химического состава газов, в том числе полупроводниковых структур, с точки зрения их применения в качестве чувствительного элемейта в газоанализаторе на синильную кислоту.

2. Дано теоретическое и экспериментальное обоснование использования микроэлектронного каталитического сенсора как высокочувствительного, миниатюрного датчика для контроля концентрации паров синильной кислоты в воздухе производственных помещений.

3. Определены оптимальные конструктивные и режимные параметры каталитического сенсора, позволяющие существенно уменьшить время реагирования и восстановления датчика, его энергопотребление, а также увеличить температурную и газовую чувствительность. I

3. Разработана и исследована математическая модель процесса детектирования синильной кислоты с учетом поверхностных процессов, отражающая влияние различных технологических и режимных параметров на эффективность процесса детектирования. Аналитически получена статическая характеристика чувствительного элемента, устанавливающая зависимость между изменением сопротивления чувствительного слоя сенсора и концентрацией синильной кислоты в воздухе. Результаты экспериментальных исследований подтвердили адекватность предложенной модели.

4} Предложен новый способ анализа газов, позволяющий повысить точность контроля, снизить энергопотребление сенсора, а также существенно продлить срок I его службы. 1

5. Разработано и создано портативное газоаналитическое устройство для детектирования синильной кислоты на основе каталитического сенсора и микроЭВМ, новизна конструкции которого защищена свидетельствами на полезную модель.

151

6. Создана микропроцессорная программа на языке Ассемблер-51, реализующая математический алгоритм обработки информативного сигнала и алгоритм автоматического управления устройством, включая автотестирование памяти и индикатора и автоматическую коррекцию нуля.

7. Предложена методика инженерных расчетов измерительного моста и измерительного канала при проектировании автоматизированного газоаналитического устройства на базе микроэлектронных сенсоров, которая может применяться для решения аналогичных задач.

152