WWW.LIB.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Электронные матриалы
 


Pages:   || 2 |

«РАЗРАБОТКА ЭКСПЛОЗИМЕТРА ДЛЯ КОНТРОЛЯ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ВЗРЫВООПАСНОСТИ АТМОСФЕРЫ ...»

-- [ Страница 1 ] --

Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное

Учреждение Высшего Образования «Московский Авиационный

Институт (Национальный Исследовательский Университет)»

На правах рукописи

Карелин Алексей Павлович

РАЗРАБОТКА ЭКСПЛОЗИМЕТРА ДЛЯ КОНТРОЛЯ ИНТЕГРАЛЬНОЙ

ВЗРЫВООПАСНОСТИ АТМОСФЕРЫ

Специальность 05.27.01 – Твердотельная электроника,

радиоэлектронные компоненты, микро- и нано-электроника, приборы на квантовых эффектах Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Баранов А.М.

Москва – 2016 Оглавление Введение

1. Обзор способов контроля взрывоопасности многокомпонентных газовых сред и задачи работы

1.1. Общие положения

1.2. Электрохимические сенсоры

1.3. Приборы на основе оптического спектрального анализа

1.4. Методы селективного определения концентраций горючих газов на полупроводниковых сенсорах

1.5. Способы определения взрывоопасности смеси горючих газов с помощью термокаталитического сенсора

1.6. Мультисенсорные измерительные приборы

1.7. Выводы по главе

2. Разработка способа определения интегральной взрывоопасности смеси горючих газов

2.1. Физико-химические процессы на термокаталитическом сенсоре........ 27

2.2. Разработка планарных термокаталитических сенсоров

2.3. Анализ существующих решений в области интегрального определения взрывоопасности

2.4.Исследование переходных процессов на каталитическом сенсоре...... 42

2.5. Моделирование процессов натекания исследуемых газовых смесей в реакционную камеру

2.6. Исследование работы сенсора в импульсном режиме

2.7. Выводы по главе

3. Экспериментальные исследования способа интегрального определения взрывоопасности смеси горючих газов

3.1. Описание измерительного стенда и использованные материалы........ 78

3.2. Результаты эксперимента и обсуждение результатов

3.3. Выводы по главе

–  –  –

4.1. Определение основных требований к устройству

4.2. Подбор элементной базы

4.3. Базовый алгоритм с суммированием

4.4. Разработка электрической схемы

4.5. Конструкция и технология изготовления блока устройства............... 112

4.6. Выводы по главе

5. Перспективы использования разработанного способа в беспроводных сенсорных сетях

Заключение

Список литературы

Приложение 1. Количества тепла, выделяемого 1 моль различных горючих газов

–  –  –

На территории России находится более ста тысяч экологически опасных объектов, а также сотни тысяч километров нефтегазовых трубопроводов. Год от года наблюдается рост числа людей, работающих в загрязнённой атмосфере, растёт насыщенность территории России промышленными объектами, использующими токсичные, горючие и взрывоопасные вещества.

В технологических процессах, связанных с добычей, транспортировкой, переработкой, получением, хранением и применением горючих газов (ГГ) и легковоспламеняющихся жидкостей всегда имеется опасность (ЛВЖ), образования взрывоопасных газо- и паровоздушных смесей.

Причинами взрывов наиболее часто является нарушение правил безопасной эксплуатации оборудования, утечки газов в соединениях, перегрев аппаратов, чрезмерной повышение давления, отсутствие надлежащего контроля за технологическим процессом, разрыв или поломка деталей оборудования и др.

Поэтому задача предупреждения и предотвращения опасных ситуаций, связанных с наличием горючих газов в атмосфере, является актуальной и своевременной, требует тщательной проработки, применения современных методов и средств контроля концентраций опасных газов. Качественной характеристикой является взрывоопасность совокупность факторов,

– обусловливающих возможность образования взрывоопасной среды в объеме, превышающем 5% свободного объема помещения, и её воспламенения. Такими факторами служат горючее вещество, окислитель и источник воспламенения.

Понятие взрывоопасности относится к объектам, в которых возможны образование газо-, паро- или пылевоздушной взрывоопасной среды и взрыв, приводящие к их разрушению.

Газовоздушные смеси воспламеняются (взрываются) только тогда, когда содержание газа в смеси находится между нижним (НКПР) и верхним (ВКПР) концентрационным пределом воспламеняемости.

Количественной характеристикой является степень взрывоопасности – концентрация горючих газов от нуля, до нижнего предела взрываемости, выражаемая в %НКПР.

Наиболее распространённым горючим газом является метан – основной компонент природного газа. Промышленностью выпускается большое число датчиков и приборов для контроля концентрации метана (метанометров) [10, 22, 30, 35, 47]. НКПР метана – 4,4%. Однако, помимо метана, в промышленности применяются другие горючие газы, такие как: пропан, бутан, пропан-бутановая смесь, гексан, водород, монооксид углерода, пары бензина и другие летучие органические вещества и соединения, которые могут иметь существенно более низкое значение НКПР, например, у бутана и водорода 1,8% и 4%, соответственно, а у метилового спирта 5,5% [2]. Поэтому присутствие этих компонентов в смеси газов снижает порог её взрываемости, делая НКПР заранее неизвестным. Рассчитать порог взрываемости возможно, если использовать отдельные сенсоры для определения концентрации каждого компонента смеси.

Однако это возможно, если только точно известна примесь какого газа возможна в исследуемой пробе. Если анализируемая газовая смесь не бинарная, а состав газовой смеси заранее не известен, как это часто бывает, то определение порога взрываемости становится трудоёмкой задачей, требующей больших временных затрат. Это не позволяет проводить мониторинг в реальном масштабе времени и предотвращать возникновение чрезвычайных ситуаций.

В настоящее время наибольшее распространение среди газоанализаторов, контролирующих взрывоопасность среды, получили устройства, обладающие в той или иной степени эффектом эксплозиметричности и избирательностью к горючим газам и парам. Существующие на данный момент подобные газоанализаторы различаются алгоритмами измерений. Однако недостатком их является недостаточная точность измерений и ограниченный набор измеряемых газов.

Таким образом, в настоящее время задача контроля взрывоопасности атмосферы жилых помещений и предприятий является актуальной. Для её решения необходимо разработать эксплозиметр – прибор для контроля интегральной взрывоопасности атмосферы.

Среди широко распространённых полупроводниковых, термокаталитических и оптических сенсоров горючих газов, наибольшей селективностью и сходимостью эксплозиметрического веера по горючим газам и парам обладают термокаталитические сенсоры, хотя для некоторых групп газов можно получить близкие сигналы и на оптических сенсорах.

Поэтому в данной работе для определения концентрации горючих газов и последующего создания эксплозиметра были выбраны термокаталитические сенсоры. Для разработки эксплозиметра, необходимо исследовать механизм окисления газовой смеси в реакционной камере термокаталитического сенсора, разработать способ определения интегральной взрывоопасности атмосферы с применением термокаталитического сенсора и провести исследования работы сенсора с газовыми смесями различного состава.

Цель диссертационной работы. Разработка эксплозиметра – прибора для контроля интегральной взрывоопасности атмосферы.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

Разработка и создание измерительного стенда;

Разработка способа интегральной взрывоопасности атмосферы;

Исследование переходных процессов, протекающих на каталитических сенсорах, работающих в импульсном режиме;

Определение критериев оптимизации параметров каталитического сенсора;

Разработка схемотехнических, конструктивно-технологических принципов создания эксплозиметра, алгоритмов и программного обеспечения.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

1. Показана возможность создания планарных термокаталитических сенсоров на подложке из пористого анодного оксида алюминия с напылением платинового нагревателя в виде меандра.

2. Построена математическая модель процесса нагрева чувствительного элемента сенсора и заполнения реакционной камеры при ограниченной диффузии.

3. Исследован импульсный режим работы сенсора в схеме без сравнительного чувствительного элемента. Показан способ компенсации влияния температуры окружающей среды.

4. Исследовано влияние диффузионного ограничения на концентрацию горючих компонентов в реакционной камере в процессе работы чувствительного элемента.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались:

экспериментальные исследования в лабораторных и эксплуатационных условиях с применением поверочных газовых смесей; математическое моделирование с использованием теории электрических цепей, численных методов и их реализаций в виде программ на ЭВМ.

Научные положения, выносимые на защиту.

1) Степень взрывоопасности среды определяется путём интегрального измерения напряжения на чувствительном элементе, работающем в импульсном режиме, которое пропорционально количеству тепла, выделяющегося при выгорании газовой смеси в реакционной камере каталитического сенсора.

2) Реакционная камера с диффузионным ограничением переноса горючих газов внутрь камеры, обеспечивающая скорость выгорания горючих компонентов много больше скорости натекания, обеспечивает полноту выгорания газовой смеси в импульсном режиме работы.

3) Расширение диапазона измеряемых компонентов, скорость и энергоэффективность измерений обеспечивается за счет применения малоинерционных чувствительных элементов и применением многостадийного импульсного режима измерений.

Достоверность результатов. Достоверность полученных результатов достигается использованием апробированных физических моделей и применением математических методов, применением современных методов и вычислительных средств, сравнением результатов моделирования с экспериментальными данными.

Практическая ценность работы. Разработанный прибор позволяет определять интегральную взрывоопасность смеси горючих и, как следствие, использоваться в системах предотвращения аварийных ситуаций в быту и на производстве совместно с исполнительными устройствами. Схема включения сенсора без сравнительного элемента в импульсном режиме работы может быть использована в автономных беспроводных сенсорных сетях.

Реализация результатов работы. Разработан и произведён опытный образец эксплозиметра. Получен патент на полезную модель. Результаты работы внедрены в ООО «НТЦ ИГД».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной Молодёжной Конференции «XXXVI Гагаринские Чтения»; Международной Молодёжной Конференции «XXXIX Гагаринские Чтения»; XIX Международная научно-практическая конференция "Наука вчера, сегодня, завтра", XXIX Международная выставка «Eurosensors 2015», Международная конференция Environmental, Energy and Structural Monitoring Systems (EESMS) 2015.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 научные статьи в рецензируемых изданиях, входящих в перечень рекомендованных ВАК при Минобрнауки России. 4 статьи были опубликованы в зарубежных изданиях, входящих в систему цитирования Scopus. 5 статей были опубликованы в прочих изданиях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 136 страницах машинописного текста, списка литературы из 92 наименований, приложений на 2 стр. и содержит 62 рисунка и 10 таблиц.

1. Обзор способов контроля взрывоопасности многокомпонентных газовых сред и задачи работы

1.1. Общие положения

Газоанализатор – измерительный прибор для определения качественного и количественного состава смесей газов [8].

В настоящее время широко используются химические сенсоры, представляющие собой датчики, в которых два типа преобразователей – химический и физический – находятся в тесном контакте между собой.

Химический преобразователь состоит из слоя чувствительного материала, который формирует селективный отклик на определяемый компонент: он способен отражать присутствие определяемого компонента и изменение его содержания. Физический преобразователь преобразует энергию, которая возникает в ходе реакции селективного слоя с определяемым компонентом, в электрический или световой сигнал. Этот сигнал затем измеряется с помощью светочувствительного и/или электронного устройства [17].

Электрохимические сенсоры – устройства, в которых аналитический сигнал обеспечивается протеканием электрохимического процесса.

Предназначены для качественного и количественного анализа химических соединений в жидких и газообразных средах. В современных электрохимических сенсорах чувствительный элемент по своей сути представляет гальванический элемент, в котором два электрода и раствор электролита отделены от анализируемой среды полупроницаемой мембраной. Электрохимические сенсоры позволяют проводить анализ газообразных и жидких сред, в т. ч. суспензий, на содержание О2, О3, Н2, С12, H2S, оксидов N, С, S [70].

К достоинствам этого типа сенсоров можно отнести широкий спектр измеряемых газов, возможность измерения микроконцентраций, что определяет их приоритетное использование для контроля санитарных норм как для производств, так и для жилых секторов.

В основе термокаталитических сенсоров лежит принцип беспламенного окисления горючих газов на поверхности катализатора, нанесенного на терморезистор, как правило, платиновую спираль. Выделяющееся при окислении метана тепло разогревает платиновую проволоку, что приводит к изменению сопротивления сенсора [26]. Преимуществами каталитических сенсоров является простота изготовления, малые размеры и энергопотребление, практически линейный выходной сигнал. Для измерения концентраций метана используется обычно два чувствительных элемента (ЧЭ): рабочий и сравнительный (без катализатора). Два чувствительных элемента включают в одну ветвь моста Уитстона и помещают в исследуемую среду, во вторую ветвь моста включают два постоянных резистора. Каталитические сенсоры обладают хорошей селективностью к горючим газам, однако изначально калибруются только под метан, для других горючих газов требуется пересчёт показаний.

Сенсоры этого типа хорошо работают с довзрывными концентрациями горючих газов и паров, селективность к ним их главное достоинство. Ценовая доступность и простота обслуживания делает их самыми распространенными сенсорами для контроля взрывобезопасности среды. Недостатки – недолговечность (3-5 лет для лучших моделей), отравляемость каталитическими ядами и пр.

Принцип действия полупроводникового газового сенсора основан на изменении электропроводности полупроводниковой пленки вследствие адсорбции измеряемого газа на её поверхности [60]. На подложку из оксида алюминия наносится тонкий слой оксида олова (SnO2 – tin oxide), легированного элементами, обладающими каталитическими свойствами (Pt, Cu, Ni, Pd). При нагреве сенсора до рабочей температуры (около 400°С) при помощи нагревательного элемента, выполненного в едином конструктиве с сенсором, начинается прохождение реакции. Продукты реакции в виде ионов, а также ионы непосредственно измеряемого вещества абсорбируются на поверхности чувствительного слоя сенсора. В результате поверхностных эффектов изменяется электрическая проводимость сенсора, которая и является выходным сигналом.

Основная проблема в применении этого типа сенсоров – высокая кроссчувствительность, и, как следствие, частые ложные срабатывания аппаратуры с их применением. Достоинство возможность работы со следовыми,

– чрезвычайно низкими концентрациями, что делает незаменимым их применение в течеискателях.

В оптических сенсорах аналитический сигнал обусловлен не химической природой преобразования, а оптическими физическими параметрами:

интенсивностью поглощения световых волн определенной длины волны, отражения, люминесценции, интерференции и т.д. [17, 30, 47, 92]. Одними из самых распространённых являются сенсоры, работающие на поглощении.

Поглощение – способность вещества поглощать оптическое излучение в зависимости от строения атомов, его концентрации, толщины слоя и других факторов. Оптические сенсоры, использующие принцип поглощения, измеряют интенсивность монохроматического светового потока, проходящего через исследуемую среду. Чем выше концентрация контролируемого газа, тем меньше интенсивность света, воспринимаемого фотоприемником.

Достоинство аппаратуры на оптических сенсорах – долговечность, отсутствие необходимости в частых калибровках. Недостатки – прецизионность конструкции, дороговизна, большие габаритные размеры.

1.2. Электрохимические сенсоры Электрохимические сенсоры – устройства, в которых аналитический сигнал обеспечивается протеканием электрохимического процесса [4]. Предназначены для качественного и количественного анализа химических соединений в жидких и газообразных средах. По сравнению с обычными аналитическими приборами отличаются портативностью, простотой конструкции, относительно низкой стоимостью. Электрохимические сенсоры составляют наиболее разработанную и широко используемую группу среди устройств, в которых аналитический сигнал обусловлен химическим взаимодействием в анализируемой среде. Различают потенциометрические, амперометрические, кондуктометрические, импедансометрические электрохимические сенсоры. Аналитическими сигналами служат, соответственно: потенциал индикаторного электрода (при нулевом токе через электрохимическую ячейку); ток, протекающий через ячейку при заданном значении электродного потенциала; электропроводность раствора электролита;

электрохимический импеданс системы, представляющий собой электрический эквивалент определенного сочетания сопротивлений и ёмкостей в электрохимической цепи. Электрохимические сенсоры используют главным образом для определения реакционноспособных (электроактивных) веществ, способных электрохимически восстанавливаться или окисляться на индикаторном электроде миниатюрной электрохимической ячейки, которая генерирует аналитический сигнал. В качестве индикаторных электродов служат инертные электроды (Pt, Pd, Au, Ag), химически активные (Сu, In, Sn) или модифицированные комплексными соединениями, а также ионоселективные электроды. Кроме того, для чувствительных электродов применяются тонкоплёночные нанокомпозиты [53]. Электролиты могут быть жидкими (растворы KCl, H2SO4, буферные растворы), твердыми (ZrO2, А12О3, Sb2O5*nH2O и др.), загущёнными; применяют также полиэлектролиты. В современных электрохимических сенсорах чувствительный элемент (трансдьюсер) по своей сути представляет собой гальванический элемент, в котором два электрода и раствор электролита отделены от анализируемой среды полупроницаемой мембраной.

Электрохимические сенсоры позволяют проводить анализ газообразных и жидких сред, в т. ч. суспензий, на содержание О2, О3, Н2, Сl2, H2S, оксидов N, С, S, при чём без всякой пробоподготовки. Возможно определение концентраций как больших (в случае выбросов, утечек загрязняющих газов и т. д.), так и малых

– при контроле ПДК.

Электрохимические сенсоры обладают хорошей селективностью, однако сами по себе не пригодны для определения взрывоопасности многокомпонентной газовой смеси. Тем не менее, они часто применяются в мультисенсорных приборах (см. гл. 1.6).

1.3. Приборы на основе оптического спектрального анализа Фурье-спектроскопия – метод оптической спектроскопии, в котором спектр получают в результате Фурье-преобразования так называемой интерферограммы исследуемого излучения [3, 20, 55]. Интерферограмма зависит от оптической разности хода двух лучей и представляет собой Фурье-образ спектра, т. е.

функции распределения энергии излучения по частотам. Результатом Фурьеспектроскопии является точная концентрация всех присутствующих газовых компонентов. Первоначальным вариантом реализации датчиков такого типа является сенсор с открытым путём (рисунок 1.1(а)) [60]. Луч света проходит от источника по волноводам к камере с исследуемой смесью. На входе камеры установлена линза. Свет, проходя через камеру, частично поглощается и попадает на выходную линзу, установленную в другой части камеры. И далее по волноводам попадает в приёмник. К сожалению, для обеспечения достаточной чувствительности требуется камера достаточно большого размера. В некоторых случаях получившаяся система может получиться очень громоздкой [73].

Более совершенные оптические сенсоры используют сами оптоволоконные кабели как камеры. Волокна изготавливают полированием одной поверхности, либо сужением профиля волокна [57, 65]. Такие сенсоры получаются гораздо меньше сенсоров с открытым путём, но, к сожалению, обладают гораздо меньшей чувствительностью. IG-PCF и SCF волокна являются более сложными волокнами Внутри таких волокон находится массив (рисунок 1.1(б)).

микроотверстий. Анализируемый газ попадает внутрь этих микроотверстий и распространяющийся в твёрдой фазе свет поглощается на границе раздела фаз.

Для улучшения диффузии по длине волокна проделываются поперечные каналы.

Получающаяся таким образом система получается малогабаритной и обладает хорошей чувствительностью Окно передачи при этом позволяет [71].

использовать широкий диапазон длин волн, что даёт возможность проводить измерения большого числа различных газов [63].

Другой метод проведения измерений называется фотоакустической спектроскопией (рисунок 1.1(в)). Этот метод основан на фотоакустическом эффекте, то есть явлении звукового излучения при поглощении света газом [83].

Достоинством такого метода является отсутствие фонового сигнала. То есть звукового сигнала не может быть без поглощения света газом.

Рисунок 1.1 – (а) оптический датчик с открытым путём; (б) фотография оптоволоконного сенсора с микроканалами внутри волокна и отверстием для проникновения внутрь анализируемого газа; (в) структурная схема фотоакустического спектроанализатора.

Метод ФС способен дать наиболее точную оценку концентраций горючих компонентов в смеси. Однако способу присущи два недостатка, не позволяющие применять его в портативных автономных газоанализаторах.

1. Большие габариты и сложность обработки сигнала. Для более точных измерений требуются большие «длины пути» – физическое расстояние, которое проходит световой пучок в анализируемой атмосфере. Кроме того, сигнал требуется разложить в спектр, для этого требуется применять высокоскоростную цифровую обработку.

2. Взрывоопасность смеси не является линейно зависимой от концентрации горючих компонентов. И если степень взрывоопасности для одного горючего компонента пропана) ещё можно вычислить простым (например, перемножением, то для смеси газов требуются более сложные вычисления.

1.4. Методы селективного определения концентраций горючих газов на полупроводниковых сенсорах Полупроводниковые сенсоры в настоящее время получили большое распространение в сфере измерений довзрывных концентраций метана (рисунок 1.2). В современных сенсорах на основе полевых транзисторов используется принцип действия МДП-транзистора с индуцированным каналом. Химически чувствительная мембрана, отделённая от полупроводника тонким слоем диэлектрика, управляет током стока, протекающим между электродами истока и стока [19]. Кроме метана, существуют полупроводниковые сенсоры для большого числа газов [59, 64]. Современные полупроводниковые датчики изготавливаются с применением микротехнологий: стандартных для n-МОП и КМОП интегральных микросхем, и нано-наMЭMС-технологий микротехнологий [7].

Первые работы по многокомпонентному анализу на полупроводниковых сенсорах появились на основе массива сенсоров, настроенных на различные газы. Зная матрицу перекрёстной чувствительности можно решить систему линейных уравнений и определить концентрации каждого компонента в смеси [58, 72, 74]. При таком подходе, массив полупроводниковых датчиков похож на мультисенсорные системы с тем лишь отличием, что здесь используется только один тип сенсоров. К сожалению, как и у мультисенсорных систем, у массива полупроводниковых сенсоров есть недостаток: если в смеси будет присутствовать газ, на который не были настроены сенсоры, то возникнет большая ошибка измерения. Делать системы на большое число газов чрезвычайно сложно и не эффективно. В лабораторных условиях подобная система будет давать неплохие результаты, но в реальных условиях её эффективность значительно ниже.

Рисунок 1.2 – конструкция полупроводникового датчика.

В работе был исследован импульсный режим работы [45] полупроводникового сенсора (или точнее метод температурного сканирования).

Используя заранее заданный профиль нагрева, получают переходную характеристику проводимости сенсора. В процессе цикла измерений в графике проводимости наблюдаются характерные выбросы кривых, соответствующие наличию в среде определённого газа (рисунок 1.3). Разные газы имеют специфические максимумы проводимости в зависимости от стадии цикла модуляции. В процессе формирования отклика существенную роль играет технология нанесения катализатора, потому как различные методы осаждения палладиевого катализатора могут значительно поменять ход химической реакции на поверхности полупроводника. Положительной стороной также является возможность исключения из результатов измерений влияние влаги после соответствующей обработки. Таким образом, появляется возможность на одном сенсоре произвести точные измерения концентраций горючих газов, таких как СО, Н2, СН4.

Рисунок 1.3 – выходная характеристика полупроводникового датчика для 3 горючих газов при импульсном методе.

1 – синтетический воздух; 2 – воздух с влажностью 98%; 3 – 20 ppm CO: 4 – 20 ppm CO + 50 ppm H2; 5 – 20 ppm CO + 50 ppm H2 + 200 ppm CH4.

1.5. Способы определения взрывоопасности смеси горючих газов с помощью термокаталитического сенсора Термокаталитические сенсоры обладают хорошей селективностью только к горючим газам по сравнению с остальными типами сенсоров. Однако они обладают неодинаковой чувствительностью к различным газам. Поэтому для измерения смеси горючих газов применяются различные методы. Один из способов – проведение измерений в нескольких точках с разной температурой [80]. Поскольку различные газы имеют различные температуры начала каталитической реакции, то возможно селективное определение воздействующих газов исходя из отклика сенсора при различной температуре. Однако данный способ имеет существенный недостаток: температура начала окисления нестабильна и возможна реакция горючих компонентов при более низкой температуре, что приводит к погрешностям измерений.

В работе [2] показано, что взрывоопасность смеси газов или же одного горючего газа линейно зависит от выделяемого при его сгорании тепла. Таким образом, появляется возможность интегральной оценки степени взрывоопасности анализируемого газа по шкале %НКПР (Нижний концентрационный предел распространения). Принцип измерения состоит в следующем. Вначале проводят измерения чистого воздуха, вычисляя некую теплоту Q0, соответствующую отсутствию горючих газов, затем подают измеряемый газ и вычисляют теплоту Q. Вычислив разность Q-Q0, получают теплоту, выделившуюся при сгорании газа. Далее, применив необходимые вычисления, получают искомую величину [31, 38]. Данный способ позволяет легко вычислить степень взрывоопасности любой смеси газов, не требуя при этом дополнительных вычислений (НКПР смеси не прямо зависит от суммы концентраций газов, входящих в состав смеси).

Истинный состав воздействующей смеси при этом остаётся неизвестным [22].

График выходной характеристики каталитического сенсора для указанного способа представлен на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 – кривая выгорания горючих газов в камере каталитического сенсора.

1.6. Мультисенсорные измерительные приборы Так как различные сенсоры реагируют на различные газы неодинаково, логичным выглядит решение комбинировать несколько сенсоров в одном устройстве. В таком устройстве один сенсор будет измерять один какой-либо газ.

Помимо этого, мультисенсорная система обладает возможностью измерения не только горючих газов, но и произвольных газов вообще, и, кроме того, ограничена только количеством одновременно подключаемых сенсоров [70].

Современной промышленностью выпускаются различные исполнения мультисенсорных систем. В их числе приборы со встроенными сенсорами [9] или многоканальные газоанализаторы с внешними блоками [11]. Также проводятся исследования и разработка сенсоров, чувствительных к различным газам на одной подложке [82, 91]. Плюсом такого подхода является уменьшение цены и массогабаритных свойств.

На рисунке показана обобщённая структурная схема 1.5(а) мультисенсорного газоанализатора, а на рисунке 1.5(б) серийно выпускаемый газоанализатор MX-6 производства «Industrial Scientific Corp».

Рисунок 1.5 – (а) Структурная схема мультисенсорного газоанализатора; (б) Фотография мультисенсорного газоанализатора «MX-6».

Принцип измерения заключается в опросе одним центральным устройством нескольких датчиков [56, 75]. При этом могут применяться любые типы сенсоров и, в зависимости от конструкции, сниматься данные как в аналоговой, так и в цифровой форме. Сложность измерения в таких приборах состоит в неодинаковости обработки аналоговых сигналов сенсоров разных типов.

Выходом может служить либо фиксированные датчики, с заранее определённым алгоритмом и схемотехникой, либо дополнительное цифровое сопряжение, когда каждый сенсор посылает управляющему устройству идентификационную информацию. Так же есть возможность использовать непосредственно цифровые «интеллектуальные» датчики, где в каждый сенсор встраивается цифровая схема управления, и выход каждого такого датчика унифицирован вне зависимости от его типа [15]. Однако цифровое сопряжение значительно повышает сложность и стоимость устройства. Кроме того, необходимо придерживаться единого протокола обмена информацией между сенсорным модулем и центральным устройством.

Блочные нейронные сети являются эволюционным развитием многокомпонентных газоанализаторов [5]. Относительно высокая погрешность измерения концентраций газов ограничивает область их применения. Для снижения погрешности, связанной с перекрёстной чувствительностью газоанализаторов, используются высокоселективные электрохимические и оптические сенсоры. Но им свойственны низкое быстродействие, чувствительность к изменениям давления и температуры окружающей среды, высокая стоимость. Сенсоры полупроводникового и каталитического типов имеют малое время отклика, большой срок службы, низкую стоимость, но обладают низкой селективностью. Общим недостатком таких датчиков является чувствительность к влиянию факторов окружающей среды, таких как температура, давление и влажность. Главной задачей разработки блочных нейронных сетей является снижение погрешностей измерений при определении концентраций газов в многокомпонентных газоанализаторах при воздействии температуры, влажности, давления, при наличии перекрестной чувствительности к газам.

1.7. Выводы по главе Таким образом, для многокомпонентного анализа горючих газов в воздухе используются четыре основных метода (таблица 1.1) [21]. Мультисенсорные приборы сейчас являются одними из наиболее распространённых, но обладают средней точностью измерений, кроме того возникает сложность при обработке большого количества сенсоров, связанных кросс-чувствительностью. Оптические сенсоры позволяют проводить очень точный анализ воздействующего газа, при этом не зависеть от условий окружающей среды, но являются самыми сложными и дорогими типами сенсоров. Газовые анализаторы на основе полупроводниковых сенсоров обладают хорошими селективными свойствами, при этом не требуют сложных вычислений и дёшевы в производстве.

Каталитические сенсоры наравне с полупроводниковыми также недороги, обладают малыми габаритами и малой потребляемой мощностью [86]. Они могут быть использованы в эксплозиметрии, позволяя вычислить степень взрывоопасности смеси горючих газов. При этом и полупроводниковые сенсоры, и каталитические зависят от условий окружающей среды, особенно от влажности, что ограничивает их применение. Исключить влияние температуры возможно за счет разработки новых методик проведения измерений [67].

В заключение также надо отметить, что предупреждения опасных ситуаций, связанных с наличием горючих газов в атмосфере, все чаще используются беспроводные сенсорные сети [88, 90].

–  –  –

2.1. Физико-химические процессы на термокаталитическом сенсоре В качестве каталитических сенсоров были выбраны термокаталитические сенсоры пеллисторного типа ДТК НТЦ ИГД), (ТК) (производитель представляющие собой платиновую спираль из литого микропровода в кварцоидной изоляции с диаметром жилы 10 мкм и толщиной кварцоидной изоляции 2 мкм. Поверхность спирали покрыта слоем носителя из материала с широкоразветвлённой поверхностью, на которую нанесено каталитически активное вещество (смесь Pt и Pd). Фотография такого сенсора приведена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – фотография термокаталитического сенсора, слева – сравнительный ЧЭ, справа – рабочий ЧЭ.

Принцип действия таких сенсоров заключается в беспламенном сжигании (окислении) горючего газа на поверхности каталитически активного вещества и измерении количества выделившегося при этом тепла, которое пропорционально концентрации горючего газа (например, метана) в анализируемом воздухе. Для обеспечения процесса окисления платиновую спираль нагревают до 400...450°С.

[24, 89] Сигнал, пропорциональный концентрации метана, формируется на каталитически активном элементе за счёт повышения температуры на поверхности ЧЭ вследствие горения метана и изменения сопротивления спирали из платиновой проволоки, обладающей довольно высоким значением температурного коэффициента сопротивления Таким образом, (ТКС).

приращение сопротивления платиновой проволоки R является мерилом концентрации метана.

При выделении тепла, происходит изменение сопротивления R спирали из платиновой проволоки на величину R.

Сопротивление спирали определяется по формуле:

R=R0(1+T), (2.1) где R0 – сопротивление спирали при Т=25°С; – температурный коэффициент сопротивления (ТКС) платиновой проволоки, T – изменение температуры спирали.

Так как каталитически активные элементы являются катализаторами глубокого окисления, то реакция идёт, также, как и при обычном горении, в соответствии с формулой:

CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + 805,2 кДж/моль (2.2) Типичной схемой включения сенсоров является использование моста Уитстона (рисунок 2.2). В одно плечо моста включены сравнительный и рабочий сенсоры, на котором происходит окисление горючих компонентов.

Сравнительный сенсор практически идентичен по своим теплофизическим свойствам рабочему сенсору, но на его поверхность не нанесён катализатор, поэтому на нём не происходит реакции окисления. В другое плечо моста включены вспомогательные резисторы [26].

Рисунок 2.2 – типовая схема включения каталитического сенсора.

RK1 – сравнительный сенсор, RK2 – рабочий сенсор.

При подаче смеси содержащей горючие газы на сенсор, происходит окисление горючих компонентов на рабочем ЧЭ, что вызывает увеличение его температуры. Так как платина имеет достаточно большой ТКС, то вызванный окислением прирост температуры вызывает значительное изменение сопротивления рабочего ЧЭ. Происходит разбаланс моста вследствие изменения падения напряжения на рабочем ЧЭ. По величине разбаланса вычисляют концентрацию горючего компонента в анализируемой атмосфере [26].

Наиболее часто измеряемым газом является метан – основной компонент природного газа. Однако помимо метана часто приходится контролировать другие горючие газы. Сжиженные газы – пропан, бутан широко используются в быту и промышленности, автотранспорте. Гексан – газ, обладающий свойствами эквивалентными парам бензина, соответственно контроль паров гексана актуален для автотранспорта, предприятий органического синтеза. Водород необходимо контролировать на больших станциях зарядки аккумуляторов, на электростанциях, где с помощью водорода организован отвод тепла от подшипников и т. д. На рисунке 2.3. представлен отклик термокаталитического сенсора для различных горючих газов.

Рисунок 2.3 – статическая характеристика выходной чувствительности каталитического датчика при работе с различными горючими газами.

1 – метан; 2

– пропан; 3 – бутан; 4 – гексан; 5 – водород.

Как видно из графика, при измерении различных горючих газов возникает очень большая погрешность определения степени взрывоопасности среды. Одной из вероятных причин наличия такого разброса является различная скорость диффузии горючих компонентов к каталитически активным центрам ЧЭ [2, 18].

2.2. Разработка планарных термокаталитических сенсоров Дальнейшим развитием каталитических сенсоров является переход от объёмных чувствительных элементов к планарным. Такая эволюция ведёт к уменьшению габаритов ЧЭ, уменьшению энергопотребления и, как следствие, большему времени автономной работы. На рисунке 2.4 показана трёхмерная модель такого сенсора.

Рисунок 2.4 – модель планарного каталитического сенсора.

Создание энергосберегающих газовых сенсоров с использованием пористых подложек из анодного оксида алюминия стало возможным благодаря развитию и широкому распространению планарных технологий, таких как фото- и электронная литография и всевозможных методов вакуумного напыления тонких пленок [6, 81]. Применение данных методов хорошо зарекомендовало себя в микроэлектронике при структурировании пластин монокристаллического кремния и формирования различных интегральных схем на его основе. Однако, при конструировании газовых сенсоров более предпочтительными являются пористые подложки с высокоразвитой поверхностью (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 – структура пористого анодного оксида алюминия.

Мембраны на основе нанопористого оксида алюминия востребованы в нанотехнологии, микробиологии и ядерной физике, поскольку они обладают рядом уникальных свойств, а также механической прочностью, термической стабильностью и химической стойкостью. Для формирования оксидных структур на основе Si, Al, Ti и других материалов наиболее часто используется электрохимическое анодирование, которое характеризуется технологической доступностью и совместимостью с традиционными технологическими процессами микро- и наноэлектроники. Однако наиболее часто представленный в литературных источниках электрохимический метод формирования микро- и нанопористого оксида алюминия реализуется в условиях тонких пленок алюминия (~1 мкм), нанесенных на поверхность инородного субстрата [36].

Для получения каталитического покрытия пор анодного оксида алюминия большой практический интерес представляют золь-гель методы. Золь-гель технология нанокомпозитов с каталитически активными частицами развивается как базовая технология для многих областей технического применения [34]. В настоящее время в качестве катализатора, как правило, используются растворы солей Pt и Pd. Однако при нанесении раствора катализатора, использующегося при серийном производстве объёмных каталитических сенсоров, на поверхность пористого оксида алюминия частицы Pt и Pd оседают на поверхности пластины и блокируют поры, тем самым снижая чувствительность сенсора. Применение золь-гель технологии может помочь в нанесении молекул Pt и Pd равномерно тонким слоем на стенки пор.

Рисунок 2.6 – схема планарного чувствительного элемента термокаталитического сенсора.

Окисление горючих газов происходит только на небольшом участке планарного элемента – чувствительной консоли размером ~200х200 мкм.

Консоль соединяется с основной пластиной двумя токоподводами малой ширины для минимизации тепловых потерь. Нагрев осуществляется за счёт протекания тока по проводнику, выполненному из напылённой платины. На рисунке 2.6 показана схема чувствительного элемента.

Первым этапом формирования планарного чувствительного элемента является получение пористой оксидной пленки на поверхности алюминия методом анодного окисления в кислом растворе электролита. Затем на ее поверхности с помощью фотолитографии и магнетронного напыления был получен массив планарных микронагревателей, каждый из которых выполнен в форме меандра. В дальнейшем оксидную основу структурировали с помощью химической фотолитографии, оставшийся алюминий селективно растворяли.

Далее чувствительные элементы были разварены на токоподводящие колодки с помощью установки клиновой микросварки.

Внедрение наночастиц катализатора в каналы пористой основы проводили путем пропитки пор водным раствором, содержащим PdCl2 и H2PtCl6, и последующего кратковременного нагрева за счет пропускания электрического тока через меандр.

На фотографии массива планарных чувствительных элементов (рис. 2.7, а) отчетливо видно, что даже в лабораторных условиях с помощью фотолитографического подхода удается получить набор из нескольких десятков идентичных элементов. При доведении технологии до промышленного масштаба число элементов, формируемых в одном цикле, может превышать 1000. [41] Рисунок 2.7 – Фотография массива планарных чувствительных элементов термокаталитических сенсоров (слева) и изображение растровой электронной микроскопии активной зоны сенсора (справа).

2.3. Анализ существующих решений в области интегрального определения взрывоопасности В 1957 году А.Н. Баратовым была высказана возможность интегрального измерения содержания горючих газов и паров в воздухе [1]. Основная идея состоит в одинаковости теплового эффекта реакции горения различных газов при равных концентрациях в %НКПР.

В приложении 1 приведена таблица теплового эффекта реакции сгорания различных газов. Как следует из таблицы, значения СНКПР * Q° равны 9,792±0,832. При определении концентрации горючего газа или их смеси значение СНКПР * Q° принято одинаковым для всех горючих газов, в среднем равным 9,79, что не оказывает существенного влияния на установление наличия или отсутствия взрывоопасности многокомпонентных смесей на основе полученных результатов определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде.

Для термокаталитического сенсора в настоящее время известны следующие способы интегрального измерения многокомпонентных газовых смесей.

Известен способ определения концентрации горючих газов в кислородсодержащей среде, заключающийся в измерении теплового эффекта реакции окисления горючего компонента на поверхности каталитически активного ЧЭ, соединенного последовательно с пассивным компенсационным элементом, идентичным ЧЭ по теплофизическим параметрам; регулировкой тока питания в последовательной цепи чувствительного и компенсационного элементов поддерживают температуру компенсационного элемента на постоянном уровне [39].

В данном устройстве непрерывно работают оба элемента, что обуславливает большое энергопотребление. Наличие механической модуляции света, излучаемого ЧЭ и компенсационным элементом посредством электродвигателя с обтюратором, существенно усложняет способ, приводит к дополнительному расходу электроэнергии и снижает надежность конструкции, служащей для реализации способа; кроме того, данный способ требует постоянной продувки реакционной камеры, а также светоизоляции.

Известен также способ определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде, заключающийся в том, что термокаталитический элемент помещают в измерительную камеру, содержащую анализируемую газовую смесь, и подают на него импульсы тока, нагревая его до заданной температуры и уменьшая длительность импульсов до установления начального значения температуры; цикл измерения производят при подаче одного импульса, при чём нагрев ведут в термоударном режиме до температуры выше температуры активации катализатора, а после нагревательного импульса на термокаталитический элемент дополнительно подают зондирующий импульс, по амплитуде и длительности меньший, чем нагревательный, регистрируют изменение амплитуды напряжения на термокаталитическом элементе во время подачи зондирующего импульса, многократно повторяют цикл измерения и по результатам совокупных измерений судят о концентрации компонентов смеси [40].

Этот способ более прост в реализации и позволяет несколько уменьшить энергопотребление в сравнении со способом [39]. Однако весьма серьезным недостатком данного способа является подача нагревательных импульсов в термоударном режиме, что ведет к ускоренному выходу термокаталитических элементов (ТКЭ) из строя; кроме того, термоударный режим нагрева ТКЭ обусловливает практически мгновенное образование нагретого газового пограничного слоя вокруг ТКЭ, что приводит к значительному изменению крутизны градировочных характеристик выходного сигнала ТКЭ в зависимости от концентрации горючих газов, выраженной в %НКПР, при различной молекулярной массе анализируемых горючих газов. Этот разброс значений крутизны указанных характеристик можно объяснить тем, что в нагретом газовом пограничном слое вокруг ТКЭ происходит образование каталитически активных веществ, являющихся продуктом разложения анализируемого горючего газа; эти вещества обусловливают быстрое окисление части анализируемых горючих газов вне контакта с поверхностью ТКЭ, что приводит к потере тепла ТКЭ и, соответственно, к снижению выходного сигнала от ТКЭ.

Таким образом, способ можно использовать для определения степени взрывоопасности только какого-либо одного горючего газа в кислородосодержащей среде. Это обстоятельство свойственно не только указанному выше способу по [40], но и всем другим известным способам определения концентраций горючих газов в кислородосодержащей среде с использованием ТКЭ, например [42]. Для каталитических ЧЭ имеет место весьма большой разброс крутизны статических характеристик выходного сигнала в случае анализа газов с различной молекулярной массой. Все современные газоанализаторы имеют градуировку по одному определенному горючему газу (как правило, метану). Для определения концентраций остальных горючих газов необходимо менять чувствительность газоанализатора или осуществлять пересчёт. Определение степени взрывоопасности многокомпонентных газовых сред, включающих горючие компоненты, значительно отличающиеся по молекулярной массе, с помощью как указанного способа, так и других известных способов невозможно. Кроме того, к числу недостатков данного способа относится то обстоятельство, что для его реализации необходимо использование не менее двух ТКЭ, работающих в непрерывном режиме питания; это не позволяет создавать портативные приборы с длительным временем непрерывной работы. Например, время непрерывной работы газоанализатора СГГ-4М (Россия) при габаритных размерах 150x55x188 мм и массе 1,8 кг составляет 4-8 часов, а газоанализатора метана GP-82 (Япония) при габаритных размерах 78x142x26 мм и массе 310 г - не более 6 часов.

Известен способ определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде, который обеспечивает возможность определения интегральной взрывоопасности многокомпонентных газовых сред, включающих горючие компоненты, значительно отличающиеся по молекулярной массе, а также позволяет решить задачу увеличения срока службы ТКЭ и уменьшения энергопотребления, что увеличивает время непрерывной работы приборов, реализующих способ [38].

Указанный способ определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде заключается в том, что термокаталитический элемент помещают в измерительную камеру и подают на него импульсы электрического тока, предварительно измеряют значение сопротивления R0-1 термокаталитического элемента в момент времени в интервале от 0 до 1, где 0 – момент времени до начала подачи импульса электрического тока, 1 – момент времени до начала реакции окисления горючих газов на поверхности ТКЭ, а также значение сопротивления термокаталитического элемента в момент времени в интервале от 1 до 2, где 2 – момент времени до начала образования нагретого газового пограничного слоя вокруг термокаталитического элемента, в который прекращают подачу импульса электрического тока, затем определяют постоянный коэффициент K = R1-2/R0-1, после этого измеряют текущее значение сопротивления R1 термокаталитического элемента в момент времени 2, текущее значение сопротивления R2 термокаталитического элемента в момент времени 2, определяют значение сопротивления R° = KR, термокаталитического элемента в момент времени 2 при отсутствии в кислородосодержащей среде горючих газов, затем определяют R2 = R2 – R° и по величине R2 судят о значении концентрации газов в кислородосодержащей среде.

Существует также способ определения концентрации горючих газов с использованием коэффициента КП, характеризующего скорость убывания чувствительности при увеличении температуры ЧЭ [23]. На рис. 2.8 видно, что все газы имеют разную температуру начала окисления, различную температуру зон диффузионного окисления и различную скорость снижения чувствительности при дальнейшем увеличении температуры. Если взять за основу рабочую температуру начала диффузионного окисления метана 400– 420°С (напряжение на датчике 1,1В), то чувствительность по метану с ростом температуры еще немного увеличивается, достигая максимума при 430–450°С (1,25В). Метан имеет самую высокую температуру начала диффузионной зоны, что обусловлено высокой энергией распада молекулярных связей. Поэтому можно быть уверенным, что для остальных горючих газов диффузионная зона начинается при более низких температурах, и каждый из них имеет свою характерную скорость снижения чувствительности в зависимости от температуры. Установлено, что чем тяжелее газ, тем ниже температура начала десорбции газа с поверхности активных центров катализатора и тем с большей скоростью убывает чувствительность ЧЭ с ростом температуры. В данной работе проводится измерение при двух различных напряжениях питания и, используя характеризующий поправочный коэффициент, производится приведение результатов измерений.

Рисунок 2.8 – Чувствительность, приведенная к 25% НКПР.

1 – бутан 0,66%; 2 – метан 1,05%; 3 – водород 0,96%; 4 – гексан 0,25%; 5 – пропан 0,519%; 6 – водород 0,96% скорректированный.

Недостатками указанных способов являются неудовлетворительная для ряда случаев точность определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде. Это объясняется тем, что в способе [38] сопротивление ТКЭ измеряют только в отдельных точках его переходной характеристики; это не позволяет оценить количество тепла, выделившегося на ТКЭ, в то время как для более точного и достоверного определения концентрации горючих газов и обусловленной этой концентрацией взрывоопасности их смеси с кислородосодержащей средой необходимо напрямую учитывать количество тепла, выделяющегося при сгорании горючих газов на ТКЭ.

По итогам вышесказанного был предложен следующий способ.

Термокаталитический сенсор помещают в кислородосодержащую среду, не содержащую горючих газов, и определяют количество тепла Q°1–2, выделившегося на термокаталитическом элементе при отсутствии в кислородосодержащей среде горючих газов в интервале времени от 1 до 2. Для этого на ЧЭ в момент времени 1 подают импульсы постоянного напряжения.

Подачу указанного импульса прекращают в момент, когда значения сигнала ЧЭ установятся на постоянном уровне. Электрический сигнал с ЧЭ поступает в контроллер, где по известной программе вычисляется количество выделившегося тепла.

Количество выделяющегося при каждом последующем импульсе тепла существенно не изменяется, и контроллер выдает усредненное значение Q°1–2.

Затем сенсор помешают в кислородосодержащую среду, в которой имеется горючий газ, и аналогичным образом определяют количество тепла Q1–2, выделившегося на термокаталитическом элементе в присутствии в кислородосодержащей среде горючих газов в интервале времени от 1 до 2.

После этого определяют концентрацию горючего газа в кислородосодержащей среде СГ.Г. = (Q1–2 – Q°1–2)/(CНКПР q°) (2.3) где Q°1–2 – количество тепла, выделившегося на термокаталитическом элементе при отсутствии в кислородосодержащей среде горючих газов в интервале времени от 1 до 2;

Q1–2 – количество тепла, выделившегося на термокаталитическом элементе в присутствии в кислородосодержащей среде горючих газов в интервале времени от 1 до 2, ккал;

концентрация горючего газа, соответствующая нижнему CНКПР – концентрационному пределу распространения пламени, %НКПР;

q° – стандартная теплота горения горючего газа, ккал/моль.

СГ.Г. – концентрация горючего газа, %НКПР.

Для проведения подобных измерений необходимо проработать 3 пункта:

– переходной процесс окисления горючих газов и отклик сенсора;

– обеспечение постоянства состава газовой смеси в реакционной камере на момент проведения измерения;

– разработка импульсной характеристики напряжения питания сенсора.

2.4. Исследование переходных процессов на каталитическом сенсоре Реализация динамического режима работы датчика осуществляется путём импульсного питания чувствительного элемента, размещенного в реакционной камере с ограниченным доступом диффузионного потока анализируемой смеси горючих газов с воздухом. Цикл измерений состоит из 2 частей. В первой производится нагрев сенсора до рабочей температуры и снятие показаний с ЧЭ.

Во второй части прекращается подача питания на сенсор, и в это время происходит выравнивание концентраций горючих компонентов между анализируемой атмосферой и реакционной камерой. После установления газового равновесия цикл завершается, на сенсор вновь подается импульс, и начинается очередной цикл.

Для определения параметров окружающей среды, влияющих на работу чувствительного элемента и оценки степени их влияния на процесс нагрева необходимо теоретическое исследование переходных характеристик чувствительного элемента при подаче на него импульса напряжения питания.

Для расчётов используется схема на рисунке 2.9.

–  –  –

Вспомним формулу (2.3), концентрация горючих газов от выделяемого тепла:

= (2.8) Г.Г.

НКПР °

–  –  –

Эффективный коэффициент теплоотдачи в рабочем диапазоне температур ЧЭ слабо зависит от температуры [26], поэтому можно его принять постоянным.

Получаем, таким образом, уравнение нагрева ЧЭ.

На рисунке 2.10 показан график нагрева сенсора. Как видно из графика, вначале сенсор быстро прогревается, затем температура устанавливается на уровне 450-460 °С.

–  –  –

Общее количество теплоты, выделившееся на ЧЭ за счёт окисления горючих газов можно вычислить как разницу между температурами ЧЭ в среде с горючими газами и в чистом воздухе в заданном интервале измерений, принимая во внимание тот факт, что внешние условия должны быть одинаковыми. Необходимо при этом иметь ввиду, что электрические характеристики ЧЭ будут отличаться в присутствии горючих компонентов. При окислении на ЧЭ 1% метана в статическом режиме, температура ЧЭ будет примерно на 25°С выше, чем без метана. Сопротивление сенсора при этом увеличится примерно на 1 Ом. Выделение тепла за счёт протекания тока через ЧЭ уменьшится примерно на 1,5%, а рассеивание тепла в среду увеличится примерно на 3,5%. В данном случае, такой погрешностью можно пренебречь.

В реальных системах чаще всего пользуются аналого-цифровыми преобразователями, измеряющими напряжение между двумя точками схемы.

Для вычисления количества теплоты необходимо преобразовать снимаемые значения.

Исходя из выражения (2.3), сделаем предположение. Пусть известна концентрация воздействующего горючего газа. Числитель заменяем на выражение (2.20). Знаменатель обозначим как Qexpl.

Тогда:

A !$-?@ = (2.23) A Г.Г.

–  –  –

При проведении измерений в импульсном режиме необходимо обеспечить постоянный состав газовой смеси, так как в процессе подачи положительного импульса питания будет происходить естественная диффузия продуктов реакции из камеры и натекание молекул горючего газа, участвующих в реакции, что будет вызывать искажение результатов измерений. Лучшим решением было бы использование идеального клапана, запирающего на время измерений реакционную камеру. Однако применение такого клапана значительно усложняет конструкцию сенсора (или прибора) [14]. Одним из вариантов решения является использование т.н. «неидеального» клапана, то есть такого исполнения, при котором ограничивается естественная диффузия.

Рисунок 2.11 – Конструкция термокаталитического сенсора ДТК-1.

–  –  –

Рисунок 2.12 – относительная концентрация Сk/Са метана при заполнении реакционной камеры в зависимости от времени t для различных значений d=0,1-1,0 мм.

Из рисунка 2.12 видно, что при диаметре отверстия от 1,0 мм до 0,7 мм время заполнения камеры не более 3 с, при d=0,5 мм – около 10 с, а при меньших диаметрах d калиброванных отверстий эта зависимость представлена на рисунке 2.13 и показывает значительное увеличение времени заполнения с уменьшением диаметра d.

Рисунок 2.13 – зависимость относительной концентрация Сk/Са метана в реакционной камере от времени t для d = 0,1-0,5 мм.

Для диаметра калиброванного отверстия d=0,1 мм (рисунок 2.13) время заполнения реакционной камеры более 100 с, что недопустимо по требованиям быстродействия измерений, которое не должно превышать 30 с. Этому требованию для принятого объема реакционной камеры мм3 V=33,5 удовлетворяют калиброванные отверстия d = 0,3 мм и более.

При статическом режиме работы, параллельно с диффузией метана в реакционную камеру, в ней происходит выгорание (окисление) метана на поверхности рабочего чувствительного элемента.

Для довзрывных концентраций метана в воздухе, вследствие избытка кислорода, все молекулы метана, достигающие каталитически активную поверхность чувствительного элемента, мгновенно окисляются, при этом реальная скорость реакции определяется только скоростью диффузионного переноса молекул метана к этой поверхности, поэтому окисляемый поток равен потоку метана к поверхности.

Определим изменение во времени dt концентрации метана dСк в реакционной камере за счёт выгорания (окисления) метана:

(С Со ) 1 S dCk = D* k k dt lk V, (2.35) где D* = 6.11810-5 м2/с - коэффициент диффузии метана при определяющей температуре t = 250°C, равной усредненной температуре вблизи каталитически активной поверхности; Sk = 0,283 мм2 – площадь геометрической поверхности чувствительного элемента; lk = 0,15 мм – толщина пограничного слоя; Со – концентрация метана на каталитически активной поверхности, в мольных долях.

Введя постоянную времени к, характеризующую молекулярную диффузию метана к поверхности чувствительного элемента:

@O P MN = = 0,29 с (2.36) Q SO

–  –  –

Зависимость (2.38) относительной концентрации метана Сk/Са от времени t для различных d при одновременных диффузии через отверстие в стенке реакционной камеры и выгорании (окислении) метана на каталитически активной поверхности чувствительного элемента представлена на рисунке 2.14.

Рисунок 2.14 – относительная концентрация метана Сk/Са в зависимости от времени t для различных d = 0,1 – 1,0 мм при одновременной диффузии в отверстие стенки реакционной камеры и выгорании метана внутри на стенках каталитически активной поверхности чувствительного элемента.

График зависимости чувствительности сенсора от диаметра калиброванного отверстия показан на рисунке 2.15. Было протестировано четыре колпачка с диаметрами отверстий в диапазоне 0,4-0,7 мм с рядом сенсоров с чувствительностями в диапазоне 28-43 мВ/%CH4. Как видно из графика, чувствительность изменяется практически линейно в указанном диапазоне. [29, 69]

–  –  –

На рисунке 2.16 показаны переходные процессы на каталитическом сенсоре при различных диаметрах отверстий в стенке реакционной камеры.

Камера наполнялась метаном концентрации 2,58% об.

Рисунок 2.16 – кривые выгорания газовой смеси в камере каталитического сенсора при различных диаметрах отверстий.

Как видно из графика, при свободной диффузии внутрь камеры, характерного горба выгорания практически не видно. Сразу после включения выходной сигнал увеличивается и через какое-то время устанавливается на постоянном уровне. При использовании камеры с ограниченной диффузией газов внутрь реакционной камеры, сигнал доходит до пика примерно через 600-700 мс после включения, потом сигнал уменьшается за счёт уменьшения концентрации горючих газов в камере. При этом, чем меньше размер отверстия, тем полнее происходит выгорание, но дольше устанавливается выходной сигнал. Так, при диаметре калиброванного отверстия 0,3мм, установившийся сигнал и натекание газов в камеру минимальны, но цикл выгорания заканчивается примерно через 5 сек от момента включения. При этом необходимо ещё обеспечить время на заполнение реакционной камеры в момент паузы.

Для использования калиброванного отверстия в качестве неидеального клапана, необходимо рассчитать диаметр наиболее подходящий для проведения измерений в импульсном режиме. Подбор диаметра выбирают из расчёта, при котором в течение паузы между измерениями, относительная концентрация метана Сk/Са должна достигнуть не менее 0,98. Длительность паузы для заполнения камеры равна 15 сек. Таким образом, постоянная времени для отверстия должна быть менее, чем t/4 (2.39) По таблице определяем минимально допустимый диаметр 2.2 калиброванного отверстия равным 0,4 – 0,5 мм. Поскольку клапан неидеальный, то в процессе цикла измерений, естественной диффузией в реакционную камеру будут натекать горючие компоненты, внося дополнительную ошибку измерений.

2.6. Исследование работы сенсора в импульсном режиме В этой части работы будут рассмотрены существующие и разрабатываемые способы измерений концентрации горючих газов в анализируемой атмосфере при работе сенсора в динамическом режиме с отказом от использования сравнительного элемента и введением компенсации влияния изменения влажности и температуры за счет анализа организованных переходных процессов изменения температуры сенсора.

1.Электрическая схема, замещающая измерительный мост Уитстона.

См. рисунок 2.17. Сенсор устанавливается в цепь стабилизатора напряжения или стабилизатора тока, собранного на операционном усилителе ОУ1.

Напряжение питания задается цифро-аналоговым преобразователем ЦАП1.

Последовательно с сенсором установлен прецизионный резистор, соединённый с землей. Таким образом, падение напряжение на резисторе будет пропорционально току, протекающему в цепи резистор-сенсор. Изменение падения напряжения на резисторе свидетельствует об изменении сопротивления сенсора, а, следовательно, и об изменении измеряемой концентрации горючего газа. Исходя из этого, сигнал пропорциональный измеряемой концентрации снимается с резистора и подается на вход блока формирования и усиления сигнала. Напряжение смещения ОУ2 задается ЦАП2 таким образом, чтобы при 0 концентрации выходной сигнал ОУ2 соответствовал примерно 100мВ. Вид выходного сигнала при работе сенсора в 2% концентрации метана приведен на рисунке 2.18.

Рисунок 2.17 – функциональная схема замещения моста Уитстона.

Рисунок 2.18 – выходная характеристика сенсора при подаче 2% об.

долей метана.t1 – начало реакции, t2 – пик выгорания, t3 – установившееся значение.

Поскольку в схеме задействован только один рабочий элемент, статическое потребление энергии снизится примерно в 2 раза по сравнению с мостовой схемой, где задействован и рабочий и сравнительный элементы.

Следует учесть, что отсутствие сравнительного элемента скажется на выходном сигнале схемы при изменении температуры и влажности, поэтому в статическом режиме, без организации работы сенсора в динамическом режиме, такая схема не работоспособна.

2. Динамический дифференциальный метод измерения концентрации горючих газов в анализируемой атмосфере основанный на анализе переходного процесса выгорания горючего газа в реакционной камере сенсора.

Используется схема измерения, описанная выше в пп.1, работающая в режиме стабилизации напряжения. Реализация динамического режима работы сенсора осуществляется путём импульсного питания чувствительного элемента, размещенного в реакционной камере с ограниченным доступом диффузионного потока анализируемой метано-воздушной смеси через газообменный фильтр, калиброванное отверстие, капилляр и тому подобные средства и приёмы ограничения доступа. Импульс напряжения нагревателя чувствительного элемента, в течение которого производится нагрев до рабочей температуры выгорания метана и снятия информации, чередуется с паузой, в течение которой при снятом импульсе напряжения, происходит выравнивание концентраций метана между анализируемой атмосферой и реакционной камерой, в которой во время импульса часть метана выгорает. После установления газового равновесия цикл завершается, на чувствительный элемент вновь подается импульс, и начинается очередной цикл. Временная диаграмма, иллюстрирующая метод, приведена на рисунке 2.19, выходной сигнал на рисунке 2.20 (1% CH4). За выходной сигнал принимают разницу напряжений в двух разнесённых во времени точках переходного процесса выгорания метана в реакционной камере сенсора.

S=U1(t1)–U2(t2) (2.40) Дифференциальность этого метода позволяет не только нивелировать влияние изменения окружающей влажности и температуры, заменяя сравнительный элемент, но и сократить дрейф нулевых показаний, существенно улучшая метрологические характеристики термокаталитического сенсора.

Действительно, если по какой либо внешней причине (влажность, температура и т.п.) значение напряжения U1 изменилось, то по тем же причинам U2 изменится на ту же величину и, при вычитании, изменения компенсируются. В конце XX века ряд приборов (МСТ01 производства НТЦ ИГД, МХ2100 производства Oldham, Франция) работали, используя этот метод измерения. Приборы имели небывало малогабаритный по тем временам блок питания, что делало их конкурентно способными на рынке. Однако вследствие перечисленных ниже недостатков, массовое производство этих приборов было свернуто.

–  –  –

Рисунок 2.20 – выходная характеристика сенсора при импульсном питании.

Недостатки метода:

- конструкция реакционной камеры датчика должна быть прецизионной, также как диаметр и толщина переходного отверстия.

Для получения выходного сигнала необходимо включение сенсора как минимум на 2000мс, таким образом, исходя из требований обновления измерительной информации 1 раз в 15 секунд, потребляемая стандартным термокаталитическим сенсором мощность составит около 10 мВт, по сравнению со 170 мВт в мостовой измерительной схеме и статическом режиме. Это неплохо, но недостаточно для создания устройств и систем, способных проработать от одной батарейки длительный срок.

Переход на динамический режим работы сенсора с частыми включениями выключениями приводит к быстрому износу нагревательного элемента из-за пиковых токов вызывающих термо-электродиффузию материала нагревателя.

Поэтому метод требует применения специальных сенсоров, где нагреватель защищён защитным покрытием.

К недостаткам метода необходимо добавить тенденцию к смещению зоны выгорания в сторону увеличения времени, что вынуждает разработчиков увеличивать время включения датчика, уменьшая достигнутые преимущества в энергопотреблении.

3. Динамический дифференциальный метод измерения концентрации горючих газов в анализируемой атмосфере с компенсацией влияния изменения влажности и изменения температуры окружающей среды на основе анализа переходного процесса нагрева термокаталитического сенсора до рабочей температуры.

Используется схема измерения, описанная выше, в пп.1. Реализация динамического режима работы датчика осуществляется путём импульсного питания чувствительного элемента, где импульс напряжения, обеспечивающий нагрев до рабочей температуры, при которой происходит диффузионное горение горючего газа на поверхности катализатора, чередуется с паузой, во время которой элемент остывает до температуры окружающей среды. За выходной сигнал принимают разницу двух разнесённых по времени точек переходного процесса нагрева элемента. Первая точка выбирается при температуре сенсора не поддерживающей горение, вторая при температуре диффузионного горения на катализаторе. Метод проиллюстрирован на рисунке 2.21, на рисунке 2.22 – вид выходного сигнала для пяти разных по массе элементов. Идея метода состоит в том, что при температуре ниже начала горения горючих газов t1 – 200°С, (500мс) на сенсор влияют внешние воздействия (влажность, температура окружающей среды, и т.п.), а при рабочей температуре t2 – 450°С (4с) к внешним факторам добавляется активный сигнал от горения содержащегося в атмосфере горючего газа. При вычитании внешние влияния компенсируются, оставляя влияние горения в чистом виде.

SИ=U2(t2) – U1(t1) (2.41) Следует учесть, что выходной сигнал S0 вычисленный при 0 концентрации не равен 0, поэтому из измеряемого SИ следует вычесть калибровочное значение S 0.

S=SИ – S0 (2.42) Недостатки метода: для получения выходного сигнала необходимо включение сенсора как минимум на 4000мс, что обусловлено необходимостью достигнуть зоны диффузионного горения горючих газов с помощью стабилизированного напряжения. Таким образом, исходя из требований обновления измерительной информации 1 раз в 15 секунд, потребляемая стандартным термокаталитическим сенсором мощность составит около 20 мВт, что даже больше, чем в методе с анализом выгорания горючего газа в реакционной камере.

–  –  –

Рисунок 2.22 – выходной сигнал для четырёх разных по массе элементов.

1, 3 – лёгкие сенсоры; 2 – сенсор со средней массой; 4 – тяжёлый сенсор.

- Компенсация влияния влажности проводится недостаточно полно, что связано с тем, что помимо влаги, содержащейся в анализируемой атмосфере, на работу чувствительного элемента оказывает большое влияние влага, сорбированная поверхностью элемента во время паузы в измерительном цикле.

Несмотря на то, что нагрев стабилизированным током более медленный процесс, чем нагрев стабилизированным напряжением, времени и энергии затраченной на нагрев сенсора до температуры близкой к воспламенению горючих газов недостаточно для испарения этой влаги. Поэтому дополнительная погрешность измерения метода по влаге велика, вплоть до превышения чувствительности сенсора по горючему газу. Это существенно ограничивает сферу применения метода, или требует применения дорогостоящих осушающих фильтров.

- Метод требует отбора сенсоров по массе. Более тяжёлые элементы, (черный цвет на рисунке 2.22), разогреваются слишком долго и требуют удлинённого измерительного цикла.

4. Динамический дифференциальный метод измерения концентрации горючих газов в анализируемой атмосфере с компенсацией влияния изменения влажности и изменения температуры окружающей среды на основе анализа переходного процесса ступенчатого нагрева термокаталитического сенсора.

Используется схема измерения, описанная выше, в пп.1, в режиме стабилизации напряжения.

Реализация динамического режима работы датчика (см. временную диаграмму подаваемых напряжений рисунке 2.23) осуществляется путём импульсного питания чувствительного элемента, где составной импульс напряжения (форсаж 55мс + поддержка 350мс) обеспечивающий скорейший нагрев до 200 °С и выпаривание сорбированной поверхностью сенсора воды, предшествует импульсу напряжения, обеспечивающему нагрев сенсора до рабочей температуры, при которой происходит диффузионное горение горючего газа на поверхности катализатора. Затем следует пауза, во время которой элемент остывает до температуры окружающей среды, после чего цикл повторяется заново.

Метод разрабатывался как развитие метода измерения основанного на анализе переходного процесса разогрева термокаталитического сенсора до рабочей температуры.

Основные задачи

, решаемые в процессе разработки:

снизить энергопотребление сенсора до единиц мВт, снизить дополнительную погрешность метода измерения по влажности до требований основной погрешности измерения, (5%).

Резервы снижения энергопотребления заключены в сокращении времени разогрева элемента. Ускорение разогрева возможно при уменьшении массогабаритных размеров горячей зоны, сокращении потерь на разогрев деталей конструкции элемента и окружающей среды. Очень перспективным будет переход на планарные конструкции сенсоров, поскольку планарный нагреватель соприкасается практически только с воздухом, который, как известно, является одним из лучших теплоизоляторов.

Ещё один путь снижения энергопотребления – сокращение времени разогрева элемента за счет перехода на схемы стабилизации напряжения, где первичный платиновый нагреватель при старте из-за низкого сопротивления при комнатной температуре нагревается большими значениями токов. Неплохих результатов удаётся достичь с применением форсированного нагрева элемента импульсами напряжения. Естественным ограничением в этом случае является термостойкость нагревателя. Установлено, что для того чтобы скорейшим образом нагреть элемент форсированным импульсом напряжения не вызвав перегорания нагревателя, необходимо выбирать параметры форсирующего импульса (амплитуда, длительность), таким образом, чтобы температура нагревателя в пике нагрева не превышала 500°С. Выходной сигнал показан на рисунке 2.24.

Рисунок 2.23 – 4-стадийный импульс питающего напряжения.

Рисунок 2.24 – выходной сигнал измерительной схемы в сухом воздухе.

U1 – выходное напряжение «сравнительного» этапа, U2 – выходное напряжение «рабочего» этапа.

Известно, что чем быстрее тело нагревается, тем меньше тепловые потери процесса, поэтому 1-ая ступень длительностью 60 мс обеспечивает форсирование нагрева до t ~200оС. 2-ая ступень – измерительная, выполняющая функции псевдосравнительного элемента, её длительность 350 мс. На второй ступени, иначе первой измерительной, также происходит десорбция влаги, успевшей адсорбироваться перед включением или во время паузы. В конце ступени производится измерение сигнала отражающее влияние параметров U1, окружающей среды без влияния горения. Отсутствие горения обеспечивается подбором низкой температуры, недостаточной для поддержания горения.

Следующая 3-ая ступень – форсирование температуры нагрева до t ~450оС (температура при которой происходит реакция окисления метана). Длительность 3-ей ступени - 60 мс. Наконец, 4-ая ступень – измерительная, иначе вторая измерительная. На этой ступени ЧЭ работает в режиме рабочего элемента, при этом количество тепла выделившегося при окислении метана и соответственно повышение температуры ЧЭ пропорциональны концентрации СН4. Длительность 4-ой ступени – 200 мс. В конце 4-ой ступени производится измерение сигнала U2.

Измерения сначала проводят на 0 концентрации, вычисляя S0=U02 – U01 (2.43) Выходной сигнал сенсора, пропорциональный концентрации метана, рассчитывается как S=(U2 – U1) – S0, (2.44) обеспечивая дифференциальность сигнала. После 4 ступени питание ЧЭ прерывается и импульс прекращается. Далее следует пауза. Её длительность выбрана из условия соблюдения требований о допустимой инерционности показаний (не более 30 секунд) при максимальной экономичности потребления энергии. Оптимальной для выполнения этих требований является пауза длительностью 15 секунд. Подробно характеристики сенсора работающего в таком динамическом режиме рассмотрены в работе [68].

Испытания показали, что переход от мостовой схемы Уитстона к динамическому режиму с виртуальным сравнительным, к сожалению, вызывает возникновение сверхнормативной дополнительной погрешности измерений по температуре окружающей среды. Это результат неодинаковости теплопередачи (тепловых потерь) при различных температурах. Действительно, использовать в качестве сравнительного рабочий элемент при температуре, не поддерживающей горение – очень заманчивая идея, ведь все параметры такой пары идеально совпадают, кроме эффектов, связанных с различным изменением тепловых потерь. Да, эти изменения будут однонаправлены и близки по амплитуде, но не равны, а, следовательно, термокомпенсация не будет полной.

На рисунке 2.25 приведены замеренные значения напряжения на элементе в окружающем воздухе в зависимости от температуры среды.

Изменение U01 (см. рисунок 2.25) составило 15 мВ, а изменение U02 (см.

рисунок 2.23) – 10 мВ, при изменении температуры среды на 38°С.

Рисунок 2.25 – экспериментальные значения сигнала U01 при изменении температуры среды на 38°С и его линейная аппроксимация.

Рисунок 2.26 – экспериментальные значения сигнала U02 при изменении температуры среды на 38°С и его линейная аппроксимация.

Результирующее разностное (U02 – U01) напряжение U0, равное S0, выходному сигналу сенсора при 0 концентрации метана (см. рисунок 2.27), изменилось более, чем на 5 мВ, что при чувствительности схемы 15-20 мВ/%CH4об. соответствует 0,25-0,33% об.долей метана. То есть максимальный уход нулевых показаний такого сенсора при изменении температуры на 38°С составит 0,33, вместо разрешенных 0,1. Рассчитанная погрешность измерений носит аддитивный характер и вызовет аналогичную погрешность измерений при работе с не 0 концентрациями метана.

Рисунок 2.27 – экспериментальные значения результирующего разностного напряжения U0 = S0 = (U02 -U01) при 0 концентрации метана, при изменении температуры среды на 38°С и его линейная аппроксимация.

Был предложен алгоритм коррекции показаний при изменении температуры окружающей среды, позволяющий избежать возникновения сверхнормативной погрешности измерений:

При калибровке датчика на чистом воздухе (0 % об. метана) в нормальных по ГОСТ IEC 6007929.1 пп.5.3 условиях [16], замеряется ток I01 сенсорной ветви цепи на первой измерительной ступени и производится вычисление сопротивления сенсора на первой измерительной ступени.

Rd01= U01 / I01 (2.45) Затем замеряется ток I02 сенсорной ветви цепи на второй измерительной ступени и производится вычисление сопротивления сенсора Rd02= U02 / I02 (2.46) При дальнейших измерениях, с возможным изменением температуры окружающей среды, замеряется U1 и вычисляется Rd1.

Затем вычисляется на сколько изменилось сопротивление сенсора на первой измерительной ступени, не смотря на отсутствие горения, только за счёт изменения температуры окружающей среды, Rd1=(Rd1 – Rd01) (2.47) Замеряется U2 и вычисляется Rd2.

Вычисляется, насколько изменилось сопротивление сенсора на второй измерительной ступени, причём причиной изменения будет сумма влияния возможного горения с влиянием изменения температуры окружающей среды, Rd2=(Rd2 – Rd02) (2.48) Проводят коррекцию выходных сигналов на обеих измерительных ступенях U1К = U1 – Rd1 · I1 = U1 – (Rd1 – Rd01) · I1 (2.49) U2К = U2 – Rd2 · I2 = U2 – (Rd2 – Rd02) · I2 (2.50) При дальнейших измерениях выходной сигнал, пропорциональный концентрации метана, вычисляется так:

SК = U2К – U1К (2.51) Калибровка сенсора в газе проводится также по корректированным сигналам, что позволит избежать возникновения сверхнормативной погрешности измерений по всей шкале измерений.

Рисунок 2.28 – экспериментальные значения результирующего разностного напряжения (выходной сигнал) U0 = S0 = (U02 – U01), при изменении температуры среды на 38°С (1) и аналогичное скорректированное разностное напряжение (2).

Из рисунка 2.28 видно, что погрешность скорректированного выходного сигнала при изменении температуры на 38°С, не превышает 2 мВ, что при удельной чувствительности сенсора 20мВ/% СН4, не превышает разрешенного значения 0,1.

Еще одним положительным эффектом применения предлагаемого алгоритма коррекции является рост чувствительность схемы. На рисунке 2.29 приведены расчётные данные для чувствительности к метану (окисление 2,5 % метана, рост температуры сенсора на 70°С) для стандартного динамического режима и аналогичные данные для динамического режима с применением корректирующего алгоритма термокомпенсации.

Рисунок 2.29 – зависимость выходного (разностного) напряжения от изменения температуры, вызванного изменением концентрации метана.

1 – выходной сигнал без коррекции, 2 – выходной сигнал с термокомпенсацией. Прямые линии

– линейные аппроксимации соответствующих экспериментальных данных.

–  –  –

В данной главе проведено исследование термокаталитического сенсора в импульсном режиме работы и включением его в цепь измерений без сравнительного элемента. Главным преимуществом каталитических сенсоров является их селективность к горючим газам, что позволяет применять их для определения интегральной взрывоопасности атмосферы.

При работе в импульсном режиме с ограничением натекания газов внутрь реакционной камеры, выходной сигнал увеличивается до максимума, а затем спадает до некоторого значения. Количество тепла, выделившееся за счёт окисления горючих компонентов на поверхности чувствительного элемента, пропорционально концентрации горючих газов по шкале НКПР, и пропорционально площади под кривой выходного сигнала. Таким образом, для определения концентрации горючих газов необходимо непрерывно измерять напряжение на рабочем элементе в течение цикла измерений и затем сравнить это значение с калиброванным.

Для обеспечения полноты сгорания газовой смеси, камеру необходимо закрыть на момент включения питания. Однако, подобные клапаны очень трудно реализовать, поэтому было принято решение ограничить диффузию внутрь реакционной камеры путём задания отверстия в стенке реакционной камеры.

Подобный подход позволяет значительно улучшить точность измерений.

Переход к схеме включения без сравнительного элемента обеспечивает меньшее энергопотребление, но осложняется исключением компенсации внешних условий: температуры и влажности. Применение сложного профиля нагрева чувствительного элемента позволяет компенсировать отсутствие сравнительного элемента, используя рабочий элемент в качестве опорного. А используя температурную коррекцию, применяя внешний датчик температуры, возможно улучшить точность по сравнению с классической схемой моста Уитстона.

3. Экспериментальные исследования способа интегрального определения взрывоопасности смеси горючих газов

3.1. Описание измерительного стенда и использованные материалы

Для проведения эксперимента были изготовлены десять каталитических сенсоров производства «НТЦ ИГД» с изначальными чувствительностями 25-40 мВ/%CH4. Сенсоры используются с калиброванными отверстиями, описанными в главе 2.5 настоящей работы.

Схема тестового стенда представлена на рисунке 3.1. Схема состоит из (1) микроконтроллера ADuC831, имеющего два 12-битных ЦАП и 8-канального 12битного АЦП. Один канал ЦАП используется для задания напряжения питания сенсора. Второй канал ЦАП подключается к инвертирующему входу ОУ AD8532. Формирователь напряжения питания ЧЭ выполнен на основе (2) операционного усилителя AD8532 в виде токовой петли. (3) В измерительной части постоянный резистор и рабочий установлены последовательно. (4) Усилительная часть собрана на ОУ AD8532, работающего в режиме дифференциального усиления. Управление схемой производится с помощью микроконтроллера ADuC831. Питание схемы осуществляется стабилизатором ADP3335. В качестве системы сбора данных использовалась плата L-791 производства L-card. Она имеет 32 входных аналоговых канала с 14-битными АЦП и частотой дискретизации 400 кГц [44]. Система сбора данных L-791 совместно с ПО Lgraph2 позволяет задавать питающее напряжение, а также измерять напряжения в диапазонах ±10 В, ±5 В, ±2,5 В, ±1,25 В, ±0,6 В, ±0,3 В, ±0,15 В, ±0,07 В.

Измерительный стенд позволяет проводить измерения одного сенсора в мостовой схеме, схеме с одним рабочим элементом.

Выходной сигнал с моста можно измерить напрямую, или использовать настраиваемый усилитель с коэффициентами усиления и Измеряемые параметры:

2, 5, 10 100.

чувствительность к горючим газам (выходной сигнал сенсора), напряжение на рабочем и сравнительном сенсоре, ток, температура внутри камеры. На рисунке

3.2 представлена фотография тестового стенда.

Рисунок 3.1 – схема измерительного стенда.

Рисунок 3.2 – фотография измерительного стенда.

Ряд различных ПГС с довзрывными концентрациями горючих газов был использован для проведения эксперимента. Описание смесей представлено в таблице 3.1. Концентрация в объёмных долях была приведена к шкале НКПР.

Здесь и далее используется шкала НКПР (т.к. нижние концентрационные пределы отличаются для различных горючих газов). Выбор газов обусловлен широтой применения природного газа в промышленности и быту, основной компонент природного газа – метан. Сжиженные газы – пропан, бутан широко используются в быту и промышленности, автотранспорте. Гексан – газ, обладающий свойствами эквивалентными парам бензина, соответственно контроль паров гексана актуален для автотранспорта, предприятий органического синтеза. Водород необходимо контролировать на больших станциях зарядки аккумуляторов, на электростанциях, где с помощью водорода организован отвод тепла от подшипников и т. д.

–  –  –

Каждый сенсор предварительно прогревался напряжением 2,8 В не менее 20 минут. Далее камера стенда заполнялась горючим газом, после чего стенд переводился в импульсный режим.

Подробное описание импульсных режимов расписано в разделе 2.6 настоящей диссертации. Наиболее подходящей импульсной характеристикой является импульс, представленный на рисунке 2.21. Однако для обеспечения полноты процесса выгорания требуется большее время и обеспечение компенсации условий окружающей среды. Переходной процесс выгорания метана в камере объёмом 33 мм3 происходит в течение 5 секунд. Таким образом, импульс питающего напряжение состоит из 2 ступеней: на первой ступени имитируется работа сравнительного элемента подачей напряжения 600 мВ в течение 2 секунд; на второй ступени подаётся напряжение 1,95 В, соответствующее рабочему напряжению, при котором происходит окисление горючих компонентов и удерживается в течение 5 секунд.

Выходной сигнал записывался с помощью платы сбора данных L-791 в программе «L-card graph 2». Дальнейшая обработка происходила в Origin Pro – пакете программ фирмы OriginLab Corporation для численного анализа данных и научной графики [79]. Каждый сенсор испытывался сначала в среде чистого воздуха, а затем в камеру по очереди подавались смеси горючих газов с воздухом (ПГС), указанные в таблице 3.1. Далее результат усреднялся и записывался в память. По полученным результатам были построены графики для чистого воздуха и каждого горючего газа.

3.2. Результаты эксперимента и обсуждение результатов На рисунке 3.3 представлен выходной сигнал сенсора при воздействии на него атмосферного воздуха. ЦАП – напряжение, подаваемое на «мостовую»

измерительную схему с микроконтроллера через формирователь напряжения.

Сигнал с сенсора предварительно усиливается десятикратно.

Рисунок 3.3 – отклик сенсора на чистом воздухе.

Как видно из рисунка, отчётливо просматривается 2 этапа цикла измерения.

Первая полка, отвечающая за формирование сигнала виртуального сравнительного элемента, длится 2 секунды. Уровень сигнала при этом постепенно растёт, достигая напряжения примерно равного 1,34 В. Вторая фаза цикла длится ещё 5 секунд. ЧЭ прогревается до рабочей температуры и выходит на стабильный уровень сигнала в 1,97 В.

Для выхода на рабочий режим, сенсору требуется 0,75-1 с. Через указанный промежуток времени сенсор прогревается до рабочей температуры и проводимые измерения дают корректный результат. Скорость нагрева во многом зависит от массы самого ЧЭ. Поэтому для достижения лучшего результата в динамических измерениях желательно подбирать элементы, обладающие наименьшей массой.

После выхода сенсора на рабочую температуру, выходной сигнал стабилизируется на одном уровне. Этот уровень используется как опорный для последующих вычислений.

При подаче 1% метана кривая выгорания принимает вид как на рисунке 3.4.

Эта концентрация соответствует 23% НКПР. Кривая на первом этапе, соответствующая сигналу «виртуального» сравнительного датчика, повторяет аналогичную кривую при снятии показаний на чистом воздухе. На втором же этапе виден характерный выброс, соответствующий выгоранию накопившегося метана в камере. Вначале, по мере разогревания ЧЭ, сигнал растёт, достигая пика через примерно секунды. Далее, по достижении сенсором 0,4 максимальной рабочей температуры, количество метана в камере уменьшается путём его окисления, и, таким образом, выходной сигнал уменьшается.

Поскольку при этом в камеру продолжает поступать метан из атмосферы путём диффузии из-за градиента концентраций, то установившееся значение немного превышает аналогичный сигнал при отсутствии горючих компонентов.

–  –  –

Рисунок 3.6 – выходной сигнал с ЧЭ при подаче 0,5% гексана.

Первая ступень измерений по прежнему совпадает с таковой по метану и чистому воздуху. На второй ступени, как и в случае с метаном, наблюдается выгорание горючих компонентов в реакционной камере. Однако характер кривых, а точнее положение пиков и установившееся значение, отличается.

Площадь между двумя кривыми – в среде чистого воздуха и в среде с горючими компонентами – и есть искомая величина, пропорциональная выделившемуся при окислении горючих газов теплу.

Водород, как газ, обладающий наибольшей текучестью и наиболее легко воспламеняемый, каталитически активен при гораздо меньших температурах.

Поэтому его горение наблюдается уже в первой стадии цикла. На рисунке 3.7.

показан график кривой выгорания водорода, а на рисунке 3.8. показан график первой стадии цикла измерений.

Рисунок 3.7 – выходной сигнал с ЧЭ при подаче 1% водорода.

–  –  –

Как видно, второй этап цикла практически не отличается от такового в среде чистого воздуха. Поэтому замерить присутствие водорода достаточно сложно ввиду отсутствия выгорания. Однако если обратить внимание на первый этап цикла измерений, когда подаётся небольшое напряжение, то видно небольшое выгорание. Не смотря на то, что первый этап в первую очередь предназначается для предподогрева ЧЭ, выпаривания сорбированной влаги, его можно использовать для детектирования водорода в среде.

Рисунок 3.9 – переходный процесс в среде чистого воздуха и при подаче 1% метана.

При наличии в воздухе горючих компонентов, переходной процесс будет проходить «выше», чем в среде чистого воздуха. При сравнении этих двух графиков на рисунке 3.9 хорошо видно совпадение сигналов в первой фазе и превышение сигнала на второй. Остаточный сигнал на конце переходного процесса обусловлен натеканием горючих газов внутрь реакционной камеры и вносит погрешность в измерения. Площадь фигуры, ограниченной двумя кривыми, пропорциональна выделившемуся при окислении теплу, а следовательно, пропорциональна концентрации горючих компонентов (метана) в воздухе.

На рисунке 3.10 показан переходный процесс для всех газовых смесей из таблицы 3.1. На графике показан только 2 этап цикла и во всех сигналах вычтены сигналы нуля. Для 4 разных концентраций метана графики пропорциональны друг другу и пропорциональны концентрации метана. Для прочих углеводородов характер кривых различается. Более тяжёлые углеводороды быстрее начинают окисляться, их пик переходного процесса смещается влево, и большая их часть сгорает быстрее. Метан же медленнее вступает в реакцию и медленнее разгорается.

–  –  –

Из таблицы 3.4 видно, что относительная погрешность измерений не превышает 9%, а средняя ошибка составляет около 3%. По сравнению с измерениями в схеме с мостом Уитстона в статическом режиме присутствует значительное увеличение точности. При классических измерениях с мостом Уитстона для углеводородов отличных от метана погрешности измерения могут превышать 50% [31]. Таким образом, данный способ позволяет значительно увеличить точность измерений основных используемых в промышленности и быту горючих газов на основе углеводородов.

Измерение водорода более сложный процесс, поскольку он обладает очень высокой диффузионной подвижностью и каталитически активен даже при «низких» температурах, где не горят углеводороды.

На рисунке 3.11 показана удельная чувствительность сенсоров к различным газам при изменяющейся температуре сенсора. Как видно, кривая для углеводородов имеет S-образный характер и ниже определённой температуры реакции окисления не происходит. Кривая для водорода имеет вид параболы и проходит гораздо выше углеводородов. Таким образом, каталитическая активность водорода будет проявляться и в первый, «сравнительный», этап измерений, и во второй, «рабочий». Поскольку на первом этапе горит только водород, можно детектировать присутствие водорода.

Рисунок 3.11 – удельная чувствительность сенсора.

1 – CH4; 2 – C3H8; 3 – C4H10; 4

– C6H14; 5 – H2.

Принцип измерений аналогичен углеводородам. Во время первого этапа измеряется сигнал с сенсора и вычисляется площадь между двумя кривыми.

Важно также отметить, что поскольку на втором этапе водород также горит, то выходной сигнал со второго этапа также будет отличен от нулевого. Однако сигнал выделяется не так явно, кроме того нет характерного «горба» кривой выгорания. Поэтому в случае детектирования водорода на первой стадии, дополнительные результаты из второй стадии следует исключить. На рисунках

3.12 и 3.13 показан отклик сенсора при воздействии чистого воздуха и 1% водорода, и разницу между этими двумя сигналами соответственно.

Рисунок 3.12 – отклик сенсора при подаче 1% водорода.

Рисунок 3.13 – разница сигналов между 1% водорода и чистым воздухом.

Теперь посмотрим количественно площадь под кривой. Для вычислений воспользуемся формулой 3.2. Только для этого случая суммы будет две: для первой стадии и для второй.

–  –  –

1% H2 составляют 25% НКПР. Таким образом, если брать за основу данные таблицы 3.2, то получается, что в «рабочей» стадии сигнал по водороду почти в 2 раза меньше, что неприемлемо мало. Однако если рассматривать только 1 этап, где кроме водорода ничего не горит, то можно вычислить его концентрацию на этой стадии. Как видно из таблицы, сумма для двух стадий примерно одинакова. Поэтому после проведения цикла измерений, если на первой стадии был детектирован водород, выходные данные следует скорректировать согласно вычисленной концентрации водорода.

Такая разница обуславливается несколькими причинами: во-первых, очень высокая каталитическая активность водорода вместе с его диффузионной способностью, из-за которой водород очень быстро выгорает, поэтому заснять кривую выгорания очень сложно. А поскольку реакционная камера не закрывается полностью, то в процессе измерений в камеру натекает водород.

Во-вторых, часть водорода успевает сгореть во время «сравнительной» стадии.

Для компенсации этих эффектов можно сложить полученные значения для первой и второй стадии. В таблице 3.6 показан результат сложения и сравнение с 1% CH4. Как видно из обработанных данных, относительная ошибка измерений не превышает таковых для углеводородов.

–  –  –

В этой главе были проведены экспериментальные исследования разработанного способа. Для чего был собран измерительный стенд с камерой, куда подавались исследуемые горючие газы с воздухом.

По результатам экспериментов была подтверждена работоспособность способа, а также проработан перспективный алгоритм для воплощения в реальных устройствах. Для всех исследуемых газов относительная ошибка измерений не превышает 15 %.

Использование только одного рабочего сенсора значительно повышает точность измерений по сравнению с классической мостовой схемой благодаря уменьшению статического разброса характеристик сравнительного и рабочего элементов.

Импульсный режим работы позволяет сократить потребляемую мощность, таким образом, увеличивая время автономной работы.

4. Конструктивно-технологические принципы создания эксплозиметра – устройства для контроля взрывоопасности смеси горючих газов

4.1. Определение основных требований к устройству

Основой построения встраиваемых систем являются микроконтроллеры – микросхемы, предназначенные для управления электронными устройствами.

Типичный микроконтроллер сочетает на одном кристалле функции процессора и периферийных устройств, содержит ОЗУ и ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи.

Существует широкий спектр различных типов и модификаций микроконтроллеров.

На данный момент есть несколько известных семейств:

MCS 51 – 8-битная линейка контроллеров фирмы Intel, впоследствии выпускаемая многими производителями; AVR – 8-битные микроконтроллеры фирмы Atmel; PIC – 8-битные контроллеры фирмы Microchip, получившие большое распространение среди российских радиолюбителей; ARM Cortex – семейство 32 и 64 разрядных микропроцессорных ядер, разработанных фирмой ARM.

Если проанализировать стоимость, то цена на 32-х разрядные МК уже сопоставима с 16–разрядными и вплотную приближается к 8–разрядным [43].

Вполне вероятно, что 32–разрядные устройства вытеснят и 8–разрядные. Не смотря на это, 8–разрядные МК продолжают сохранять свои позиции, во-первых, благодаря более низкому уровню энергопотребления, что особенно критично для приборов с автономным питанием, а во-вторых, вследствие появления среди данных МК быстрых и производительных устройств с большой Flash-памятью и созданию компиляторов Си, поддерживающих архитектуры 8–разрядных МК, что упрощает разработку.

Поэтому с точки зрения стоимости, требуемой функциональности, быстродействия, производительности и потребляемой мощности для решения данной задачи наиболее подходящими являются универсальные однокристальные 8–разрядные микроконтроллеры.

Необходимым условием остаётся обеспечение питания моста.

Производители сенсоров рекомендуют использовать напряжение питания величиной в 1,4 В, которое является оптимальным для работы сенсора в стационарном (непрерывном) режиме и соответствует уровню выхода на рабочий режим в 450 оC. Однако в данном случае стоит задача реализации импульсного (периодического) режима работы устройства, а также исследования импульсных режимов нагрева (например, с помощью сигналов широтно–импульсной модуляции). Поэтому для этих целей будет вполне подходящим воспользоваться возможностями периферии микроконтроллера, в частности, цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП). С помощью ЦАП можно задавать различные уровни питающих напряжений в диапазоне от 0 В до некоторого опорного напряжения (3,3 В или 5 В). Но ЦАП рассчитан для работы на высокоомную нагрузку и ток с выхода ЦАП не может превышать нескольких единиц миллиампер.

Для достижения более высокого значения выходного тока производители микроконтроллера [49] дают рекомендацию подключения токового буфера к выводу ЦАП. Схема питания с токовым буфером сможет обеспечить ток величиной в несколько сотен миллиампер и даст возможность варьирования уровня питающего напряжения моста.

Токовый буфер представляет собой буферный усилитель, предназначенный для согласования выходного сопротивления источника сигнала с входным сопротивлением нагрузки. Буферный усилитель тока повышает выходной ток относительно высокоомного источника ЦАП. В режиме буфера с единичным усилением можно использовать операционный усилитель, подключив его выход к инвертирующему входу, образовав цепь обратной связи.

Для вывода значения обработанных результатов измерений, в системе требуется предусмотреть индикатор. Индикатор предназначен для вывода результата обработки измерений в %НКПР, а также для калибровки устройства.

Поскольку отображать требуется только цифровую информацию, лучше применять цифровые семисегментные индикаторы – из-за простоты, контраста и узнаваемости. Помимо вывода значений измерений, требуется предусмотреть световую и звуковую сигнализацию для оповещения о превышении пороговых концентраций.

Также необходимо предусмотреть подсистему ввода, для включениявыключения устройства, настройки и калибровки прибора.

По климатическому исполнению эксплозиметр относится к категории размещения УХЛ3.1 согласно ГОСТ 15150-69[12]. Рабочий диапазон температур

–10 … +40°С. Относительная влажность воздуха 98% при 25°С.

По группе механического исполнения эксплозиметр должен относиться к группе М19 согласно ГОСТ Диапазон воздействия 17516.1-90 [13].

синусоидальной вибрации 200-500 Гц с максимальной амплитудой 5g. Прибор должен выдерживать пиковое ударное ускорение 15g в течение 2-20 мс.

Так как устройство предназначено для использования в потенциально взрывоопасной зоне, согласно ГОСТ Р 52274-2004 [14], необходимо обеспечить взрывобезопасность прибора для эксплуатации во взрывоопасных зонах класса 1, в том числе в шахтах.

4.2. Подбор элементной базы

–  –  –

Такая схема включения позволяет осуществлять запись в память программ микроконтроллера в режиме последовательной загрузки. Режим последовательной загрузки включается автоматически при подаче питания, если вывод PSEN подключен к общему проводу. Таким образом, с персонального компьютера с помощью программного обеспечения WSD (Windows Serial Downloader) можно загрузить код в массив памяти программ МК через стандартный последовательный порт UART (на рисунке 4.3 обозначен вывод XP1).

Исходя из уровней питающего и выходных напряжений, а также максимального выходного тока, для обеспечения питания мостовой схемы был выбран операционный усилитель AD8532 от Analog Devices, т.к. данный ОУ может функционировать при пониженных напряжениях питания (до 2,7 В), потребляя при этом не более 750 мкА, и обеспечивать величину выходного тока до 250 мА. Выпускается в 8–выводном корпусе типа SOIC [51].

Для вывода значения обработанных измерений, в системе предусмотрен трёхразрядный семисегментный индикатор с общим анодом BA56-11SRWA фирмы Kingbright [52]. Индикатор имеет высоту знака 14,22 мм и максимальную силу света каждого сегмента – 24 мКд. Помимо индикатора, в схеме также присутствуют 2 светодиода предназначенные для индикации L-1154ID, превышения пороговой концентрации %НКПР и для индикации процесса заряда аккумулятора. Так как для работы светодиода требуется электрический ток, то для увеличения продолжительности цикла автономной работы устройства данные элементы включаются только при предусмотренных для них событиях.

Для звукового оповещения о срабатывании устройства при детектировании пороговой концентрации взрывоопасных газов в схеме устанавливается излучатель звуковой частоты. Так как интенсивность должна быть достаточно большой для того, чтобы сигнал можно было услышать при окружающем шуме, выбор звукоизлучателя производили по максимальной громкости при высоте, не превышающей 9,5мм. Под указанные критерии попадает HCM1206X с высотой 9мм и интенсивностью звука 85дБ.

В схеме также используется плёночная клавиатура, предназначенная для включения/выключения и для калибровки устройства.

Для обслуживания периферии числа выводов микроконтроллера ADuC831 не хватит, поэтому требуется расширитель числа портов ввода-вывода. Поэтому в схему добавляется драйвер светодиодов MAX6957AAX [77].

представляет собой компактный драйвер светодиодных MAX6957 индикаторов, расширитель (до 28) портов I/O общего назначения (GPIO) с последовательной управляющей шиной. Каждый порт имеет возможность индивидуальной настройки пользователем для работы в режиме либо логического входа/выхода, либо драйвера светодиодного индикатора с общим анодом в режиме стабилизации тока каждого сегмента. Каждый порт, сконфигурированный, как драйвер сегмента светодиодного индикатора, работает, как стабилизатор втекающего тока с цифровым управлением и 16 равными ступенями управления током от 1,5 мА до 24 мА. Драйвер светодиодных индикаторов подходит для управления, как дискретными светодиодными индикаторами, так и цифровыми и цифробуквенными светодиодными индикаторами с общим анодом.

Каждый порт, сконфигурированный, как порт ввода/вывода общего назначения (GPIO) может иметь либо двухтактный логический выход с нагрузочной способностью по втекающему/вытекающему току 10 мА/4,5 мА, соответственно, либо работать в режиме логического входа Шмидта с опциональным встроенным резистором подтяжки уровня. Семь портов имеют конфигурируемые цепи детектирования смены состояния порта, генерирующие прерывание. ИС MAX6957 управляется посредством SPI™-совместимого 4-х проводного последовательного интерфейса.

MAX6957AAX имеет 28 портов и выпускается в корпусе типа 36-pin SSOP.

Для обеспечения стабильного питания элементов модуля от различных источников, в том числе и автономных, следует использовать схему стабилизации напряжения.

Так как в качестве источника питания могут служить аккумуляторные батареи, гальванические элементы, а также, на этапах отладки и исследований, блоки питания, то необходимо выбрать стабилизатор напряжения, исходя из нижеследующих условий:

1) Диапазон входных напряжений 3,3 – 12 В;

2) Выходное напряжение 3,3 В;

3) Максимальный выходной ток не менее 500 мА;

4) Низкий ток потребления;

5) Минимальные массо-габаритные характеристики.

Таким требованиям соответствует стабилизатор ADP3335ARM–3.3 от Analog Devices, способный работать до напряжения 12 В и обеспечивать выходной ток до 500 мА [48]. При токе нагрузки в 300 мА ADP3335 потребляет всего 2,6 мА, при токе же менее 1 мА – несколько сотен микроампер.

Выпускается в корпусе MSOP–8.

Для увеличения продолжительности цикла автономной работы устройство должно обладать возможностью перехода в режим пониженного энергопотребления.

Для микроконтроллера ADuC831 переключение в режим «Power Down»

реализуется программными средствами (путём установки 1–го бита регистра PCON (регистр специальных функций «Power Control»)), а одним из возможных выходов из этого режима является прерывание по срабатыванию встроенного таймера-счётчика, который тактируется внешним генератором.

При нахождении микроконтроллера в режиме пониженного энергопотребления общий потребляемый ток этого устройства не превышает 12 мкА.

Так как в устройстве используются литиевые аккумуляторы, для упрощения их зарядки, в схему требуется добавить драйвер зарядки литиевых аккумуляторов. Для этих целей подходит микросхема MAX1811ESA+ [76].

законченная микросхема для зарядки литиевых MAX1811ESA+ – аккумуляторов с напряжением заряда 4,1В или 4,2В, током зарядки 100мА или 500мА. MAX1811 предназначен для зарядки по порту USB, однако это не ограничивает его применением только этой шины. Максимальное напряжение питания составляет 6,5В, что позволяет использовать его для зарядки от сетевых источников питания. Дополнительно драйвер имеет вывод индикации зарядки, выдающий «0» при процессе зарядки и «1» при заряженном аккумуляторе.

MAX1811 выпускается в корпусе SOIC-8.

4.3. Базовый алгоритм с суммированием Прежде чем начать рассматривать вопросы разработки программных алгоритмов, сначала требуется определиться с их назначением. Естественно, что какой бы удачной ни оказалась конструкция эксплозиметра, устройство будет оставаться «нежизнеспособным» до тех пор, пока в память микроконтроллера не будет записана и не начнёт своё выполнение соответствующая микропрограмма.

Микропрограмма это программное обеспечение, встроенное в

– микропроцессорное устройство и управляющее его работой. Фактически, микропрограмма – это просто список инструкций, которые однозначно интерпретируются процессором.

В рамках данной работы все исходные коды программ составлялись в интегрированной среде разработки «Keil µVision3» и компилировались в исполнимый файл в HEX–формате. Затем непосредственно из среды разработки этот файл записывался в память микроконтроллера с помощью подключённой утилиты внутрисистемного программатора «WSD» – Windows Serial Downloader от компании Analog Devices, Inc.

Ниже описывается алгоритм, который был успешно отработан и неоднократно опробован для замера концентраций различных газов и их смесей.

После нажатия на кнопку включения питания, устройство начинает функционировать согласно инструкциям, которые записаны в памяти микроконтроллера.

Прежде всего, включаются и настраиваются таймеры. Таймер 0 и таймер 2 предназначены для проведения цикла измерений и заданы соответственно 1 мс и 0,2 мс. Таймер 1 используется для передачи данных по шине UART, рассчитанный на скорость передачи 9600 бод.

Далее устанавливаются настройки UART для связи с ПК, через который будет выводиться отладочная информация в процессе измерений. И, наконец, инициализируются ЦАПы.

Далее в программе производится инициализация переменных ЦАП, а также инициализация АЦП. Производится инициализация протокола SPI и настройка драйвера MAX6957. Для проверки работы драйвера подаётся команда включения на индикаторе символа «П». И, наконец, на ЦАП подаётся предварительный нагрев датчика.

Цикл измерения состоит из 3 частей. В первой части на датчик подаётся импульс напряжения 600 мВ. При этом происходит сгорание лёгких газов, наподобие водорода. Первый цикл длится 2 секунды. Затем подаётся импульс 2 В, длящийся 7 секунд. Третья часть цикла – пауза длительностью 20 секунд.

После чего измерения начинаются заново. Во время цикла измерения, в системе запрещаются прерывания от кнопок управления и калибровки.

Так как микроконтроллер плохо подходит для работы с числами с плавающей запятой, то лучше использовать целочисленные вычисления. Для этого введём переменную в 32 бита, в которой будет храниться интегральный показатель измеряемого напряжения датчика. Так как АЦП в микроконтроллере 12-разрядный, то переменная такого объёма позволит суммировать до 220 измерений, то есть больше миллиона. А при частоте АЦП 50 кГц и 9 секундах непосредственных измерений, потребуется только 450 тыс. замеров.

Сами измерения проходят по следующей схеме: для первичной обработки используются 16-битные регистры. И имеется ещё 4 дополнительных разряда, что позволяет суммировать в регистре до 24=16 результатов. Для простоты счёта будем складывать в регистр 10 измерений. Так как частота АЦП равна 50 кГц, то 10 измерений пройдут за 0,2 мс. Воспользуемся таймером для отслеживания времени измерений. По истечении 10 замеров, регистр прибавляется к 32-битной переменной.

После окончания измерения, идёт вычисление по формулам, указанным в начале параграфа. На светодиодный драйвер подаются результаты вычислений в %НКПР. Если превышены пороговые значения концентраций, то включается звуковая и световая сигнализация. После этого наступает 3 часть цикла, контроллер переходит в спящий режим, а на светодиодный индикатор перед значением %НКПР выводится знак «=». Включаются прерывания от кнопок.

Если в этот момент нажать на кнопку входа в режим калибровки, то в системе прекращаются измерения. Сама калибровка происходит следующим образом. Калибруется эксплозиметр по 3 газам: чистый воздух, 1% водород и 2,5% метан. Каждый газ замеряется 25 раз, результаты записываются в ПЗУ.

Если были одновременно нажаты кнопки «вверх» и «вниз», то микроконтроллер подаёт команду драйверу установить на линии P19 низкий уровень и завершая работу устройства, включая звуковую сигнализацию.

На рисунке 4.4 показана блок-схема алгоритма работы эксплозиметра, наглядно представляющая принцип работы, описанный выше.

Рисунок 4.4 – блок-схема алгоритма работы демонстрационной программы.

4.4. Разработка электрической схемы Основа для создания полной электрической принципиальной схемы устройства – типовая схема включения МК ADuC831, рекомендованная производителем. На входах АЦП поставлены низкочастотные RC-фильтры. Для прочих микросхем также использовалась рекомендуемая производителем схема включения. Структурная схема эксплозиметра приведена на рисунке 4.5. Схема электрическая принципиальная разработанного макета представлена в приложении 2.

Рисунок 4.5 – структурная схема эксплозиметра.

А1 – микроконтроллер, А2 – формирователь питания сенсора, А3 – измерительная часть, А4 – усилитель, А5 – преобразователь питания, А6 – драйвер портов общего назначения, А7 – индикация и сигнализация, А8 – клавиатура, А9 – зарядное устройство.

Вывод DAC1 (выв.10 D3) используется для задания питающего напряжения моста. Сигнал приходит на неинвертирующий вход канала B операционного усилителя AD8532 (выв.5 D1). С выхода ОУ сигнал поступает на измерительный мост (R8 и RK1). Со средней точки моста сигнал возвращается в МК на канал ADC0 (выв.1 D3). Также через делитель напряжения (R7 и R5) сигнал с моста поступает на канал А усилителя (выв.3 D1). После чего усиленный сигнал поступает на ADC1 (выв.2 D3). Перед входами ADC установлены RC-фильтры для подавления высокочастотного шума.

Драйвер MAX6957AAX (D5) подключается к МК ADuC831 (D3) по протоколу SPI, для чего задействованы 4 линии. Основная часть выводов драйвера подключена к семисегментному индикатору (HG1). Один вывод (выв.11 D5) используется для подключения звукового излучателя. Ещё один вывод задействован для индикаторного светодиода. Три вывода (выв.24 D5) используются для ввода данных с клавиатуры (XS1). Ещё один вывод (выв.31 D5) используется для выключения прибора. Также один выход используется для выключения прибора (выв. 16 D5).

Выход аккумуляторного блока (G1) подсоединяется к стабилизатору напряжения ADP3335 (D2). Ключ, собранный на транзисторе VT1 используется для включения прибора. При нажатии на кнопку 2 (XS1) транзистор открывается и на входе разрешения стабилизатора (выв.6 D2) появляется высокий уровень.

При отпускании кнопки высокий уровень на входе разрешения поддерживается выходом самого стабилизатора. Делитель на резисторах R13 и R14 используется для контроля заряда аккумулятора. Поскольку напряжение питания АКБ больше внутреннего опорного напряжения АЦП, то сигнал делится пополам и поступает на ADC2 (выв.3 D3). При снижении напряжения ниже порогового уровня, микроконтроллер посылает предупреждающий сигнал и выключает прибор.

Схема заряда аккумулятора собрана на основе MAX1811 – микросхемы заряда литиевых аккумуляторов. Внешний блок питания включается в штырьковый разъём XP9. Для обеспечения искробезопасности после разъёма стоят три диода с обратным напряжением пробоя по 1000 В. Светодиод HL1 используется для индикации процесса заряда аккумулятора. Средний вывод разъёма XP9 используется для выключения прибора на время зарядки аккумулятора. При введении штыря разъёма источника питания средний вывод замыкается на общий провод, открывая тем самым транзистор VT3 и соединяя вход разрешения стабилизатора (выв.6 D2) с нулём.

Дополнительно в схему введены штырьковые выводы для контроля работоспособности прибора. Контролируемые цепи: цепи питания и общей шины, DAC0 и DAC1, ADC0 и ADC1, сигнал Clock шины SPI, сигнал ALE (выв.42 D3).

4.5. Конструкция и технология изготовления блока устройства В качестве основы для разработки прототипа взят корпус серийно выпускавшегося «Метанометр Сигнализатор МСТ-01». «МСТ-01» является портативным устройством в металлическом корпусе. Внешний вид корпуса показан на рисунке 4.6.

–  –  –

Печатная плата компонуется исходя из габаритов и конструктивных особенностей корпуса. На рисунке 4.7 приведено схематичное изображение печатной платы с учётом корпуса. На чертеже показано расположение ключевых компонентов: каталитический сенсор, генератор звука, светодиодная индикация, семисегментный индикатор. Кроме того, на изображении продемонстрированы зоны расположения прочих компонентов.

Рисунок 4.7 – схематичное изображение печатной платы.

A – зона аналоговых сигналов, B – зона цифровых сигналов, C – зона питания. 1 – место установки сенсора, 2 – место установки индикатора, 3 – места установки светодиодов, 4 – место установки звукового генератора, 5 – место установки разъёма питания.

Электрически плата разделена на 3 зоны: аналоговую, цифровую и питания. Аналоговая расположена в верхней и в верхней правой части платы. В ней расположены термокаталитический сенсор, операционный усилитель AD8532ARZ, а также компоненты обвязки. Рядом с микроконтроллером расположены RC-фильтры по входам ADC0…ADC2, гасящие нежелательные шумы. Под цифровую часть отведена оставшаяся часть платы. ADuC831 расположен в точке сопряжения аналоговой и цифровой части в середине правой части платы. Слева от контроллера расположен вывод для соединения с ПК и кнопки сброса контроллера и установки его в режим записи прошивки. В левой части платы расположен соединитель под плёночную клавиатуру. В центре расположен индикатор BA56-11SRWA, под ним расположен драйвер MAX6957.

В самом верху расположены 2 светодиода и звукоизлучатель.

В нижней части платы расположены компоненты, отвечающие за питание устройства:

MAX1811ESA+, ADP3335 и компоненты обвязки. Справа внизу расположен вход сетевого источника питания.

Для обеспечения взрывобезопасности применяется герметизация корпуса, в схему включены последовательно 3 диода в цепи питания. Кроме того, аккумулятор дополняется дополнительными элементами: мощным ваттным резистором и 2 предохранителями, расположенными на дополнительной плате, залитыми в компаунд. Плата аккумуляторного блока устанавливается на разъёмы основной платы и припаивается к ней.

В корпус устанавливается плата с аккумуляторным блоком. Провода от контактов аккумулятора припаиваются к соответствующим выводам платы аккумуляторного блока. Сверху корпус закрывается крышкой с резиновой прокладкой. На крышку накладывается плёночная клавиатура, сама клавиатура подключается к разъёму на плате. Снизу корпус прикручивается к крышке винтами.

–  –  –

В данной главе, исходя из ряда критериев, были аргументировано выбраны основные компоненты проектируемого эксплозиметра, рассмотрены типовые схемы их включения, подобрана необходимая элементная база. Также были найдены эффективные решения для обеспечения работы с устройством на этапах отладки и оптимизации режимов его функционирования.

Основным результатом проделанной в данной главе работы стал прототип устройства, которое способно отслеживать степень взрывоопасности смеси газов в кислородосодержащей среде. Эта функциональная часть устройства была дополнена средствами индикации, оповещения, системой управления питанием и интерфейсом сопряжения с ПК. Была написана программа для микроконтроллера, позволяющая реализовать вычисления и измерения.

Полученный прототип позволяет проводить измерения степени взрывоопасности среды по разработанному способу.

5. Перспективы использования разработанного способа в беспроводных сенсорных сетях Очень часто стоит задача мониторинга окружающей среды в жилых помещениях и производственных объектах. Сейчас основным инструментом газового мониторинга являются сенсорные сети, как правило, включающие в себя несколько стационарных сенсоров различных газов, разнесённых по площади контролируемого объекта, информация с которых собирается на диспетчерский пункт, где, после обработки, вырабатываются управляющие сигналы к исполнительным устройствам, способным исправить ситуацию (например, к системам вентиляции), и/или выдаётся аварийный сигнал [78].

Основными недостатками этих систем являются: необходимость прокладки протяжённых проводных линий связи между сенсорами и диспетчерским пунктом, что часто приводит к нарушению дизайна помещений и связано с дополнительными расходами на кабельную продукцию; необходимость проведения достаточно сложных калибровочных и поверочных действий при проведении замены сенсора.

Одним из перспективных путей в развитии сенсорных сетей является передача информации по радиоканалу. Существует целый ряд стандартов беспроводной передачи данных, в частности стандарт 802.15.4, включающий протокол обмена информацией в сетях «ZigBee», разработанный специально под малопотребляющие сенсорные сети и рассчитанный на передачу небольших пакетов информации [54, 84]. Серийно выпускаются миниатюрные радиомодемы, реализующие этот протокол. Проблема в том, что применение радиоканала в основном актуально только для микропотребляющих, энергонезависимых сенсоров, имеющих автономное питание. Действительно, если все равно придётся тянуть к сенсору сетевой питающий шнур, то вполне актуально организовать обмен информацией с диспетчером или стойкой сбора информации по стандартному проводному каналу, например с использованием интерфейса RS485, или любого другого последовательного интерфейса, обеспечивающего обмен на требуемом расстоянии.

Существует два принципиально различных подхода к организации беспроводных сетей. В первом случае в разработанный эксплозиметр дополнительно внедряется беспроводной модем. В результате получается автономная носимая система, способная не только оповестить работающий с ней персонал, но также передать данные о превышении пороговой концентрации в диспетчерскую службу. Кроме того, существуют решения для определения местоположения прибора на основе существующих беспроводных сетей [37, 62].

Второй путь – стационарная автономная беспроводная система, способная работать длительный срок (до 1 года) без вмешательства. Преимуществом такого рода сетей является простота установки и эксплуатации, ввиду отсутствия необходимости прокладывать кабели. Такой сенсор может быть установлен в любом потенциально опасном месте и может обмениваться информацией с соседними сенсорами, образуя т.н. ячеистую сеть с высокой степенью надёжности [61]. Однако для создания таких узлов необходимо использовать энергоэффективные решения с суммарным средним потреблением не более нескольких мВт. В работе [87] приведён пример подобной системы с гарантированной передачей данных на расстояние до 100 м и средним энергопотреблением в спящем режиме на уровне долей мВт.

Термокаталитические сенсоры взрывоопасных газов и паров, потребляют от 150 до 300 мВт, что делает их применение в автономном питании невозможным даже при использовании современных аккумуляторов и батарей. А применение импульсных режимов работы позволяет достичь среднего энергопотребления на уровне единиц мВт [66]. Поэтому для включения этого типа сенсоров в состав сенсорных сетей с передачей информации по радиоканалу, необходимо создание сенсоров горючих газов и паров с потреблением в единицы мВт. В тоже время, требуется обеспечить передачу измерительной информации от сенсора к радиомодему в цифровом виде, что требует размещения АЦП и последовательного порта непосредственно в корпусе сенсора. Такой сенсор помимо цифрового выходного сигнала можно будет оснастить памятью, в которой будет содержаться функциональное назначение, заводской номер, калибровочные характеристики, что позволит без проблем проводить замену сенсоров в любой части сенсорной сети. Существенно облегчатся процедуры калибровки и поверки, так как эти операции можно будет проводить в лаборатории, не вынося громоздкое поверочное оборудование к месту установки сенсора каждый раз по мере необходимости устанавливая откалиброванный сенсор вместо сенсора, нуждающегося в поверке.

В настоящее время несколько фирм в России активно работают над созданием серии датчиков с цифровым выходом DS – digital sensor, обладающих единым цифровым интерфейсом, протоколом обмена данными, унифицированным набором команд, методиками настройки, калибровки и поверки [32]. Датчики должны обладать возможностью горячей замены, и функцией идентификации и конфигурации в измерительных сетях при подключении. В дальнейшем, расширив возможности датчика интеллектуальными алгоритмами самокоррекции и самокалибровки, на этой базе будет легко перейти к DIS – Digital Intellectual Sensor – цифровым интеллектуальным датчикам.

Если обобщить требования к разрабатываемым датчикам горючих газов получим:

Датчик должен потреблять не более энергии, что 1) 10-20мВт обуславливается требованием питания от автономной батареи и реализуется подбором микропотребляющих элементов первичных преобразователей и переводом их в специальные динамические режимы питания;

2) Датчик должен иметь встроенный АЦП, цифровой выход по последовательному порту, например, по интерфейсу UART, часто используемому при работе с радиотрансиверами (модемами) стандарта IEEE 802.15.4, работающими в не лицензируемом ISM диапазоне и соответствующими спецификации ZigBee;

3) Датчик должен иметь универсальный, стандартный для своей группы установочный разъём, не менее 10 контактов, необходимых для подачи аналогового и цифрового напряжений питания, 4 линий порта последовательного порта, резерва.

4) Должна быть обеспечена функциональная возможность замены датчика без проведения настроечно-калибровочных работ.

В настоящее время в «МАИ» – Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) совместно с ООО «НТЦ ИГД»

проводится разработка беспроводных модулей с возможностью объединения их в единую сеть под управлением стационарного контроллера [67, 86, 88].

Функционально-структурная схема беспроводного датчика метана для сенсорных сетей приведена на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1 – функционально-структурная схема беспроводного датчика метана для сенсорных сетей.

1 – DS сенсор метана, 2 – беспроводной датчик метана с радиомодемом ETRX357, батареей, стабилизатором напряжения, установочным разъёмом для сенсора, 3 – установочный десятиконтактный разъём.

Беспроводной датчик метана (2) состоит из: батареи, обеспечивающей не менее чем полугодовой интервал беспрерывной работы датчика; стабилизатора напряжения на базе DC-DC преобразователя, формирующего напряжение питания для плат и сенсора – 3,3 В; радиомодема, обеспечивающего приём измерительной информации по интерфейсу UART и её передачу по протоколуспецификации ZigBee к сетевой стойке сбора информации; DS сенсора (1), с 10 контактным установочным разъемом (3).

DS сенсор состоит из: микропотребляющего термокаталитического сенсора, аналоговый сигнал которого передается на встроенный АЦП микроконтроллера и в цифровом виде, через разъём (3), передается на радиомодем. Микропотребление сенсора обеспечивается динамическим режимом работы, временная диаграмма которого формируется с помощью встроенного в микроконтроллер ЦАП и блока формирования импульсного режима.

На рисунке 5.2 показан DS сенсор метана, разработанный в фирме «НТЦ ИГД», на рисунке 5.3 – беспроводной газовый датчик метана для сенсорных сетей, разработанный совместно «МАИ» и «НТЦ ИГД».

–  –  –

Рисунок 5.3 – беспроводной газовый датчик метана для сенсорных сетей.

В качестве корпуса датчика был выбран широко применяемый типоразмер сенсора А3 Alphasense.

Для реализации динамического режима питания термокаталитического элемента, измерения значений промежуточных стадий, вычисления выходного сигнала в цифровом виде, передачи информации к радиомодему, необходимо было выбрать микроконтроллер, обладающий:

достаточно точным встроенным АЦП и ЦАП, последовательным портом, внутренней памятью программ, а также имеющий минимальное потребление энергии как в активном режиме, так и в режиме гибернации. Применение многофункционального микроконтроллера, вместо различных по назначению специальных микросхем, обусловлено ограниченным внутренним пространством планируемого сенсора, где для печатного монтажа доступны только внутренняя и внешняя сторона дна корпуса сенсора, общая площадь которых не превышает 3 см2.

Выбранный для реализации прототипа DS сенсора микроконтроллер ADuC845 [50] отвечает всем заявленным требованиям и выпускается в корпусе LFCSP-56, позволяющем разместить его на внутренней стороне PCB платы, образующей дно сенсора (рисунок 5.4).

–  –  –

Одним из возможных применений беспроводной сети является защита жилых помещений от появления в воздухе взрывоопасной смеси горючих газов. На рисунке 5.5 представлена примерная схема газоснабжения квартиры (коттеджа) с сигнализатором метана [27, 28].

Рисунок 5.5 – схема размещения сигнализаторов метана в квартире.

1– газовый стояк, 2– подводящий газопровод, 3 – газозапорный клапан, 4 –газовая плита, 5 – бытовое газовое устройство (газовая колонка, котел, и т.п.), 6 – беспроводной сигнализатор метана, 7 – клапан-отсекатель, 8 – отключающее реле.

Заключение

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему:

Разработан способ, который позволяет производить определение 1.

интегральной взрывоопасности многокомпонентных газовых смесей, содержащих различные углеводороды и/или водород с ошибкой, не превышающей 15%. Это значительно лучше известных способов проведения измерений, где ошибка может превышать 100%.

–  –  –

Значительно сокращено энергопотребление за счёт использования только 3.

одного рабочего чувствительного элемента, работающего в энергосберегающем импульсном режиме, что делает возможным использование данного способа в портативных приборах, в том числе с беспроводной передачей данных.

Применение диффузионного ограничения позволяет улучшить 4.

характеристики каталитического датчика и уменьшить ошибки при проведении измерений за счёт обеспечения более полного выгорания горючих газов внутри реакционной камеры.

–  –  –

Предложен вариант использования данного способа в автономных 6.

беспроводных сенсорных сетях распределённого типа, с возможностью интеграции в системы типа «умный дом».

–  –  –

1. Баратов А.Н. О возможности применения газоанализатора ПГФ-2 в качестве универсального прибора для экспресс-оценки взрывоопасности различных парогазовых сред. // Журн. прикл. химии., Т. XXXII, 1957г – с. 1157Баратов А.Н. и др. «Пожароопасность веществ и материалов и средства их тушения, в 2-х кн.», М.: Химия, 1990. – 496с.

3. Белл Р.Дж. Введение в фурье-спектроскопию, пер. с англ., М.: Мир, 1975.

4. Богдановская В. А. [и др.], в кн.: Итоги науки и техники, сер.

Электрохимия, т. 31, М., 1990.

5. Брежнева Е.О. Многокомпонентный газоанализатор на основе блочных нейронных сетей с обучением методом имитации: Автореф. дис. канд. техн. наук / «Юго-Западный Государственный Университет» – Орёл, 2013. – 16 с.

6. Васильев Ю.К., Нестеров Сергей Борисович Современные тенденции развития вакуумной техники // Вакуумная техника и технология, Том 19, №3, 2009г – с.133-138.

7. Воронов Ю.А., Никифорова М.Ю., Коваленко А.В., Подлепецкий Б.И. и др. Элементы газочувствительных датчиков на основе микротехнологий // Датчики и Системы., №1, 2010г – с. 28-36.

8. «Газоанализатор — Википедия» [Электронный документ] / Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Газоанализатор (дата обращения 26.01.2015).

9. Газоанализатор Комета-М, переносной многокомпонентный | Переносные газоанализаторы кислорода метана водорода и др. [Электронный документ] ФГУП НПП ДЕЛЬТА. Режим доступа:

/ – http://www.deltainfo.ru/content/gazoanalizator-kometa-m-perenosnoimnogokomponentnyi (дата обращения 26.01.2015).

10. Газоанализатор ФП11.2К документ] ООО [Электронный / «Газ

ФАРМЭК». Режим доступа:

– http://gaz-farmek.ru/gazoanalizatoryperenosnye/fp112k/ (дата обращения 26.01.2015).

11. Газоанализатор ФСТ-03В - Стационарные газоанализаторы - Каталог продукции "Фармэк" [Электронный документ] / ООО «Газ ФАРМЭК». – Режим доступа: http://pharmec.net/site/ru/catalog/1995/1996 (дата обращения 26.01.2015).

12. ГОСТ 15150-69 Машины, приборы и другие технические изделия.

Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды (с Изменениями N 1, 2, 3, 4, 5). – Введ.

1971-01-01. – М.: Стандартинформ, 2010.

13. ГОСТ 17516.1-90 Изделия электротехнические. Общие требования в части стойкости к механическим внешним воздействующим факторам. – Введ.

1991-01-01. – М.: Стандартинформ, 2007.

14. ГОСТ Р 52274-2004 Электростатическая искробезопасность. Общие технические требования и методы испытаний. – Введ. 2006-01-01. – М.: ИПК Издательство стандартов, 2005.

15. ГОСТ Р Модули электронные газочувствительные 55233-2012 интеллектуальные. Общие технические требования и методы испытаний. – Введ.

2014-07-01. –М.: Стандартинформ, 2014, 38с.

16. ГОСТ Взрывоопасные среды. Часть IEC 60079-29-1-2013 29-1.

Газоанализаторы. Требования к рабочим характеристикам газоанализаторов горючих газов. – Введ. 15.02.2015. – М.: Стандартинформ, 2014.

17. Егоров А.А. Систематика, принципы работы и области применения датчиков. // [Электронный документ] «Журнал радиоэлектроники». – 2009. – №3.

Режим доступа: обращения

– http://jre.cplire.ru/iso/mar09/3/text.html (дата 26.01.2015).

18. Жаринов К.А., Савельев В.А., Дюфур Г.А. и др. Определение взрывоопасности многокомпонентных газовых смесей термохимическим методом. // Журн. прикл. химии., Т. 66, №1, 1993г – с. 86-89.

19. Зятьков И.И., Максимов А.И., Мошников В.А. Сенсоры на основе полевых транзисторов. Учебное пособие – Санкт-Петербург.: Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2002. – 31с.

20. Инфракрасная спектроскопия высокого разрешения, Сб., пер. с франц. и англ., М., 1972.

21. Карелин А.П. Методы, принципы и приборы для многокомпонентного анализа горючих газов в воздухе // Научные труды (Вестник МАТИ), Вып. 24 (96). – М.: МАТИ, 2014 – с. 78–88.

22. Карелин А.П. Создание эксплозиметра: устройства для определения взрывной концентрации газов – с применением термокаталитических датчиков // XXXVI Международная молодёжная научная конференция «Гагаринские чтения 2010», том 3, 2010г – с. 25-26.

23. Карелин А.П. Способ уточнения измерительной информации на термокаталитическом датчике при работе с различными горючими газами и не бинарными смесями // Безопасность в техносфере. М.: ИНФРА-М. V. 3. I. 3. 2014.

C. 20-24. DOI: 10.12737/4937.

24. Карпов Е.Ф., Басовский Б.И., Биренберг И.Э. Автоматическая газовая защита и контроль рудничной атмосферы. – М.: Недра, 1984. – 285с.

25. Карпов Е.Ф., Басовский Б.И. Контроль проветривания и дегазации в угольных шахтах. М.: Недра, 1994. – 335с.

26. Карпов Е.Ф. Физико-технические основы автоматической защиты от выделений метана, М.:Наука, 1981. – 185с.

27. Карпова Е.Е., Миронов С.М., Сучков А.А., Карелин А.П., Карпов Е.Ф.

Непрерывный контроль возможных утечек природного газа в жилых помещениях // Безопасность жизнедеятельности, №3, 2014. – с. 14-18.

28. Карпова Е.Е., Миронов С.М., Сучков А.А., Карелин А.П., Карпов Е.Ф.

Непрерывный контроль возможных утечек природного газа в жилых помещениях // Вестник МАНЭБ, том 19, №1, 2014г– с. 113-121.

29. Карпова Е.Е., Миронов С.М., Сучков А.А., Карелин А.П., Карпов Е.Ф., Карпов Е.Е. Совершенствование термохимических (каталитических) сенсоров горючих газов и паров // Вестник МАНЭБ, том 19, №1, 2014г– с. 121-131.

30. Каттралл Роберт В. Химические сенсоры. М.: Научный мир, 2000. – 144c.

31. Комиссаров А.В. Определение интегральной взрывоопасности многокомпонентных паро-газовых средств, Диссертация канд. техн. наук / «Санкт-Петербургский Государственный Технологический Университет», СПб, 1999. – 136с.

32. Лагузов П.В. Соколов А.В. Цифровой интеллектуальный датчик – новый подход в отечественном приборостроении. // Электронные компоненты №12, 2010, – стр.24–27.

33. Лашков А.В., Сысоев В.В. Газоаналитическая мультисенсорная система на основе термокаталитических датчиков [Электронный документ] Систем.

требования: Режим доступа:

Adobe Acrobat Reader. / http://www.sstu.ru/files/ftf/docs/Lashkov.pdf (дата обращения 26.01.2015).

34. Максимов А.И., Мошников В.А., Таиров Ю.М., Шилова О.А. Основы золь-гель-технологии нанокомпозитов Санкт-Петербург.: Издательство

– СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2007. – 273с.

35. «Марш-В, переносной газоанализатор метана CH4» [Электронный документ] ФГУП НПП ДЕЛЬТА. Режим доступа:

/ – http://www.deltainfo.ru/content/marsh-v-perenosnoi-gazoanalizator-metana-ch4 (дата обращения 26.01.2015).

36. Мошников В.А., Александрова О.А. Новые наноматериалы. Синтез.

Диагностика. Моделирование. Лабораторный практикум – Санкт-Петербург.:

Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2015. – 248с.

37. НПФ «Гранч»-Система беспроводной информационной инфраструктуры ресурс]. Режим доступа:

Granch SBGPS [Электронный / http://www.granch.ru/index.php?option=com_content&task=view&id=77&Itemid=46 (дата обращения 29.05.2015).

38. Пат. RU 2156972, МПК7 G 01 N 27/16. Способ определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде. / Савельев В.А.;

Коммисаров А.В. –№99120034/28. заявл. 09.09.1999, опубл. 27.09.2000.

39. Пат. SU 1286985, МПК7 G 01 N 27/16. Исследование или анализ материалов с помощью электрических, электрохимических или магнитных средств, вызванного сгоранием или каталитическим окислением испытуемого материала, например газа, служащего средой для нагреваемого тела / Танклевский Л.Т.; Савельев В.А. – №3867397/40-25, заявл. 08.02.1985, опубл.

30.01.87, Бюл. М - 4.

40. Пат. SU 1711061, МПК7 G 01 N 27/16. Исследование или анализ материалов с помощью электрических, электрохимических или магнитных средств, вызванного сгоранием или каталитическим окислением испытуемого материала, например газа, служащего средой для нагреваемого тела / Кузьмин Ю.А.; Бакаев И.И.; Бондаренко А.Г. –№ 4660469/25. заявл. 10.03.1989, опубл.

07.02.1992, Бюл. №5.

41.И.В. Росляков, И.В. Колесник, К.С. Напольский, А.П. Карелин, С.М.

Миронов, В.С. Столяров, В.Н. Суртаев, О.А. Саяпин Развитие сенсорных технологий и техники мониторинга взрывоопасности углеводородо-воздушных смесей // Научно-технический вестник ОАО «НК «Роснефть», №4, 2015 г – с. 85

– 89.

42. Тарасевич В.Н. Металлические терморезисторные преобразователи горючих газов. – Киев: Наукова думка – 1988, с.209-210.

43. Тенденции рынка и микроконтроллеры Stellaris от Luminary Micro на базе ядра Cortex–M3. // Журнал «Компоненты и технологии». 2007. №11. С.128– 133.

44. Устройства сбора данных Руководство пользователя.

L-791.

Низкоуровневое описание [Электронный документ] Систем. требования: Adobe

Режим доступа:

Acrobat Reader. / http://www.lcard.ru/download/l791_users_guide.pdf (дата обращения 11.02.2015).

45. Самотаев Н. Н., Подлепецкий Б. И., Васильев А. А. и др. Формирование селективных откликов полупроводникового датчика на метан, водород и монооксид углерода в воздухе // Датчики и Системы, №11, 2012. – с. 26-29.

46. Сучков А.А. Разработка метода автоматического контроля и коррекции выходного сигнала термокаталитического датчика шахтных стационарных метанометров, Диссертация канд. техн. наук / «Институт Горного Дела им. А.А.

Скочинского», Москва, 2003г. – 129с.

47. Шмидт Д., Шварц А. Оптоэлектронные сенсорные системы. М.: Мир, 1991. – 96c.

48. ADP3335: High Accuracy Ultralow IQ, 500 mA anyCAP Low Dropout

Regulator Data Sheet (Rev D, 10/2013) [Электронный ресурс]. Систем. требования:

Adobe Acrobat Reader. / Режим доступа: http://www.analog.com/static/importedfiles/data_sheets/ADP3335.pdf (дата обращения 29.01.2015).

49. ADuC831: MicroConverter®, 12-Bit ADC with Embedded 62KB FLASH

MCU Data Sheet (Rev 0, 11/2002) [Электронный ресурс]. Систем. требования:

Adobe Acrobat Reader. / Режим доступа: http://www.analog.com/static/importedfiles/data_sheets/ADUC831.pdf (дата обращения 29.01.2015).

50. ADuC845/ADuC847/ADuC848: MicroConverter® Multi-Channel 24/16-Bit ADCs with Embedded 62 kB FLASH and Single-Cycle MCU Data Sheet (Rev C, 12/2012) [Электронный ресурс]. Систем. требования: Adobe Acrobat Reader. / Режим доступа: http://www.analog.com/static/importedfiles/data_sheets/ADUC845_847_848.pdf (дата обращения 29.01.2015).

51. AD8531/AD8532/AD8534: Low Cost, 250 mA Output Single-Supply (Rev F, 01/2008) [Электронный ресурс]. Систем.

Amplifiers Data Sheet требования: Режим доступа:

Adobe Acrobat Reader. / http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD8531_8532_8534.pdf (дата обращения 29.01.2015).

52. BA56-11SRWA Datasheet (PDF) - Kingbright Corporation [Электронный ресурс]. Систем. требования: Adobe Acrobat Reader. / Режим доступа:

http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/233260/KINGBRIGHT/BA56SRWA.html (дата обращения 29.01.2015).

53. Baranov A., Fanchenko S., Calliari L., Speranza G., Minati L., Kharitonov S., Fedoseenkov D., Shorokhov A. and Nefedov A. Thin film a-C/Pt nanocomposite catalysts for toxic gas sensors // Surf. Interface Anal., V. 38, 2006. – Pages 823–827.

doi:10.1002/sia.2186.

54. Batista N.C., Melicio R., Mendes V.M.F., Figueiredo J. Wireless Monitoring of Urban Wind Turbines by ZigBee Protocol: Support Application Software and Sensor Modules // Procedia Technology, Volume 17, 2014. – Pages 461-470.

55. Bernath Peter F. Spectra of Atoms and Molecules Second Edition, New York.:

Oxford University Press, 2005. – 454 pages.

56. Burlachenko Yu. V., Snopok B. A. Multisensor Arrays for Gas Analysis Based on Photosensitive Organic Materials: An Increase in the Discriminating Capacity under Selective Illumination Conditions // Journal of analytical chemistry, Vol. 63, No. 6, 2008. – Pages 557-565.

57. Brambilla G., Finazzi V., Richardson D. Ultra-low-loss optical fiber nanotapers // Opt. Express, 12, 2004. – pp. 2258–2263.

58. Choudhary Meenakshi, Kumar Singh Nitish, Mishra V.N., Dwivedi R.



Pages:   || 2 |
Похожие работы:

«ДБН В.2.3-5-2001 С. 1 ГОСУДАРСТВЕННЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ НОРМЫ УКРАИНЫ Сооружения транспорта ДБН В. 2.3-5-2001_УЛИЦЫ И ДОРОГИ НАСЕЛЕННЫХ ПУНКТОВ ДБН В. 2.3-5-2001 ДБН В.2.3-5-2001 С. 2 РАЗРАБОТАНЫ: НИПИ градостроительства (канд. техн. наук Христюк Н.М., Пшенична...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ" ПРОГРАММА вступительного экзамена по направлению магистерской подготовки 38.04.04 Государственное и...»

«СОГЛАСОВАНО Счетчики реестр средств измерении, электрической энергии Регистрационный номер 5 5 ОУ трехфазные статические СТЭБ-04Н-ЗДР Взамен № Выпускаются по техническим условиям ТУ-4228-019-11821941-2006, ГОСТ Р 52322-2005 Назначение и область применения Счетчики электрической энергии трехфазные статические СТЭБ-04Н-ЗД...»

«АВТОМОБИЛЬНЫЙ ВИДЕОРЕГИСТРАТОР Инструкция по эксплутации Содержание Содержание Технические характеристики Комплект поставки Перед началом работы Настройки Технические характеристики Процессор Ambarella A7LA50 + сенсор Aptina Конфигурация AR0330 Настройки Детектор движения/WDR/Автоэкспозиция Сенсор 3.0-мегапиксельный сенсор C...»

«ДОКЛАД ГЛАВНОГО ВОЕННОГО ЭКСПЕРТА МЧС РОССИИ ГЕНЕРАЛ-ЛЕЙТЕНАНТА Э.Н. ЧИЖИКОВА На тему: "Повышение эффективности реагирования подразделений МЧС России на чрезвычайные ситуации природного и те...»

«ISSN 1680-080X аза бас Казахская головная сулет-рылыс архитектурно-строительная академиясы академия ХАБАРШЫ ЫЛЫМИ ЖУРНАЛ ВЕСТНИК НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ 1(47) АЛМАТЫ 2013 Регистрационный № 1438-Ж № 1-2 (31), январь-июнь, 2009 ISSN 1680-080X Основан в 2001 году Выходит (47) в год 2013 №1 4 раза Регистрационный №1438-...»

«АКТ приемки устройства контроля пробивного напряжения трансформаторного масла КПН-901 г.Саратов 15 мая 2002 года Приемочная комиссия в составе: Смекалов В.В., главный специалист Департамента научно-технической политики и развития РАО "ЕЭС России" председатель комиссии. Шу...»

«E/ECE/324 E/ECE/TRANS/505 Rev.2/Add.l09 page3 Правила № 110 ЕДИНООБРАЗНЫЕ ПРЕДПИСАНИЯ, КАСАЮЩИЕСЯ ОФИЦИАЛЬНОГО УТВЕРЖДЕНИЯ: I. ЭЛЕМЕНТОВ СПЕЦИАЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ, ДВИГАТЕЛИ КОТОРЫХ РАБОТАЮТ НА СЖАТОМ ПРИРОДНОМ ГАЗЕ (СПГ);П. ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ В ОТНОШЕНИИ УСТАНОВКИ ЭЛЕМЕНТО...»

«Часто задаваемые вопросы по контроллеру беспроводной LAN (WLC) Содержание Введение Общие вопросы Вопросы по поиску и устранению неисправностей Дополнительные сведения Введение Этот документ предоставляет сведения о большинстве часто задаваемых вопросов (FAQ) о контроллере беспроводной ло...»

«Всероссийская федерация парусного спорта УТВЕРЖДЕНО Президиум ВФПС Протокол 05/13 от 05.12.2013 РЕГЛАМЕНТ ВФПС Система соревнований по парусному спорту на территории России Данный Регламент регулирует спортивную деятельность Всероссийской федерации парусного спорта (дале...»

«ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ СССР ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ И Ф В Э 85-3 ОРИ Е.А.Белогорлов, Г.И.Бритвич, Г.И.Крупный, А.А.Кузнецов, B.C. Луканин, Я.Н.Расцветалов МЕТОДИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ...»

«Федеральное агентство железнодорожного транспорта Российская академия наук Российский фонд фундаментальных исследований ОАО "Российские железные дороги" АО "Вертолеты России" Российский национальный комитет по трибологии Межведомственный научный совет по трибологии при РАН Ростовский госу...»

«ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР Единая система защиты от коррозии и старения ПОКРЫТИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ И НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ГОСТ Обозначения 9.306-85 Unified system of corrosion and ageing protection. Metal...»

«Руководство по эксплуатации Контрольной панели с таймером 230v АМ-100 СОДЕРЖАНИЕ 1. Описание и работа изделия 1 1.1. Назначение 1 1.2. Габаритные и присоединительные размеры 2 1.3. Технические характеристики...»

«gas valves water valves ball valves industrial valves K омпания Enolgas Bonomi была основана в 1960 году как предприятие семейного бизнеса. Производство началось с клапанов для пищевой и нефтегазовой промышленности. В скором времени компания стала специализироваться в производстве клапанов и конусных кранов для применения в строитель...»

«Хутыз Абрек Махмудович канд. техн. наук, доцент, профессор Шишова Рита Гучипсовна канд. техн. наук, доцент ФГБОУ ВО "Майкопский государственный технологический университет" г. Майкоп, Республика Адыгея МЕХАНИКА РАЗРУШЕНИЯ И КРИТЕРИИ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ Аннотация: в данной статье отмечены недостатки энергетического критерия...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники М.И. Курячий, А.Г. Костевич, И.В. Гальчук ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ РАНГОВАЯ ОБРАБОТКА ИЗОБРАЖЕНИЙ В ВИДЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕ...»

«Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки. 2009. № 2 (19). С. 243–247 Механика деформируемого тврдого тела e УДК 539.376 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛЗУЧЕСТИ С УЧEТОМ СТАДИИ ПРЕДРАЗРУШЕНИЯ И ИДЕНТИФИКАЦИЯ МОДЕЛИ К. А. Агахи, Ю. Г. Басалов, В. Н. Кузн...»

«Известия ТулГУ. Технические науки. 2014. Вып. 11. Ч. 2 ГОРНОЕ ДЕЛО УДК 622.236.732 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ЭРОЗИИ ГОРНЫХ ПОРОД ГИДРОАБРАЗИВНОЙ СТРУЕЙ А.Б. Жабин, И.М. Лавит, Е.А. Аверин Предложен метод математического описания процесса эрозии горных пород гидроабразивной струей. В основе м...»

«Приложение №2 к Лицензионному Договору оферте на право использования объекта авторского права Обязательства Лицензиара по поддержке функционирования Продуктов LiveTex 1 Термины и определения Термин Определение Поддержка Информационное обслуживание и техническая поддержка Лицензиата, осуществляемая ди...»

«Инженерный вестник Дона, №4 (2015) ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2015/3374 О влиянии гибкости стоек на эффективность композитного усиления П.П. Польской, Д.Р.Маилян, С.В. Георгиев Ростовский государственный строительный университет Аннотация: Приведены...»








 
2017 www.lib.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - электронные матриалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.