ISSN 2225-7551

УДК 541.135

 

О.Г. Лінючев, аспірант

Ю.С. Мірошниченко, аспірант

О.В. Лінючева, д-р техн. наук

М.Д. Гомеля, д-р техн. наук

Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», м. Київ, Україна

АПАРАТНО-ТЕХНІЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ДЛЯ ВИЗНАЧЕННЯ РІВНЯ ЗАБРУДНЕННЯ ХЛОРОМ ПОВІТРЯНОГО СЕРЕДОВИЩА

А.Г. Линючев, аспирант

Ю.С. Мирошниченко, аспирант

О.В. Линючева, д-р техн. наук

Н.Д. Гомеля, д-р техн. наук

Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», г. Киев, Украина

АППАРАТНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ХЛОРОМ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ

Oleksandr Liniuchev, PhD student

Yuliia Miroshnychenko, PhD student

Olha Liniucheva, Doctor of Technical Sciences

Mykola Homelia, Doctor of Technical Sciences

National Technical University of Ukraine «Kyiv Polytechnic Institute», Kyiv, Ukraine

HARDWARE AND TECHNICAL SUPPORT FOR DETERMINATION OF THE LEVEL OF CHLORINE IN AIR

На основі розроблених чутливих елементів, первинних перетворювачів, датчиків та мікрогенераторів створено апаратно-технічне забезпечення для моніторингу повітряного середовища. Запропоновано суміщення в один модуль і датчика, і мікрогенератора, які забезпечуватимуть отримання даних про стан середовища виміру (ідентифікація шкідливих газових речовин). Це дозволяє дистанційно тестувати, перевіряти та тренувати пристрої, що встановлені у важкодоступних та небезпечних для знаходження людей місцях.

Ключові слова: чутливий елемент, первинний перетворювач, датчик хлору, мікрогенератор хлору, модульний блок.

На основе разработанных чувствительных элементов, первичных преобразователей, датчиков и микрогенераторов создано аппаратно-техническое обеспечение для мониторинга воздушной среды. Предложено совмещение в один модуль и датчика, и микрогенератора, которые обеспечат получение данных о состоянии среды измерения (идентификация вредных газовых веществ). Это позволяет дистанционно тестировать, поверять и тренировать устройства, которые установлены в труднодоступных и небезопасных для нахождения людей местах.

Ключевые слова: чувствительный элемент, первичный преобразователь, датчик хлора, микрогенератор хлора, модульный блок.

On the basis of the developed sensory elements, transducers, detectors and microgenerators was created the hardware and technical support for the monitoring of air. Been offered to combine in one module the sensor and the microgenerator that will provide data on the state of environment measurement (identification of harmful gaseous substances). This allowing remotely to test, to verify and to coach the devices that are installed in remote and insecure areas for people.

Key words: sensory element, transducer, detector of chlorine, microgenerator of chlor, module.

Постановка проблеми. Збільшення антропогенного впливу на навколишнє середовище висуває на перший план загальнодержавні проблеми, на тлі яких здійснюється прогнозування екологічних ситуацій та охорона довкілля. В питаннях екологічної безпеки особливо важливим є управління та прийняття обґрунтованих рішень, які ґрунтуються на детальному аналізі об’єктів управління і прогнозуванні їх стану. Для проведення таких досліджень використовуються методи вимірювання параметрів навколишнього середовища із зазначеними метрологічними даними, які дозволяють визначати кількісно та якісно характеристики газових викидів в атмосферу, причому інструментальні методи є головуючими. В інструментальних вимірюваннях застосовуються лише газоаналітичні пристрої для контролю промислових викидів, які внесені до Держреєстру.

Забруднювачами повітряного середовища є домішки промислового походження, які переважно є електрохімічно активними газами, що створює передумови для визначення їх вмісту інструментальними пристроями (чутливими елементами, первинними пере­творювачами, датчиками), які під впливом визначуваних газів генерують електричний сигнал, що, у свою чергу, спрощує реєстрацію, збереження, оброблення та передачу оперативної інформації. Враховуючи багатокілометрову протяжність мультиканальних ліній і розміщення пристроїв у важкодоступних та небезпечних для перебування людини місцях, нагальною є потреба в усуненні необхідності виїзду персоналу для тестування і перевірки датчиків, оскільки такі операції проводяться щонайменше раз на місяць при гарантованому терміні експлуатації не менше року.

З метою скорочення експлуатаційних витрат на метрологічне забезпечення датчиків необхідним є застосування генератора газу замість балонних систем газових сумішей або суміщення в один блок-модуль і датчика, і мікрогенератора. Така ідея дозволить дистанційно тестувати, перевіряти та тренувати пристрої і на їх основі створити апаратно-технічне забезпечення по визначенню рівня забруднення повітряного середовища токсичними газами.

Аналіз останніх досліджень та публікацій. Вирішення комплексних задач щодо охорони навколишнього середовища, техніки безпеки й управління технологічними процесами промислових підприємств ґрунтується на постійному аналітичному контролі багатьох об’єктів, включаючи повітряне середовище. Ефективність таких задач визначається надійністю, швидкодією, дешевизною та простотою експлуатації засобів контролю, таких як газоаналізатор. Газоаналізатори на основі хімічних датчиків (ХД) відносяться до розгалуженої групи аналітичних приладів, що активно розвивається. Дія ХД заснована на різних фізико-хімічних і біологічних принципах, проте переважна більшість ґрунтується на електрохімічних первинних перетворювачах (ЕПП) [1]. Це обумовлено електрохімічною активністю газових домішок індустріального походження. Саме тому вирішення проблеми екологічної безпеки нерозривно пов’язане з надійністю та оперативністю потокової інформації, отриманої за допомогою ХД, щодо хімічного складу повітряного середовища. За визначенням ІЮПАК, ХД – це первинні датчики, які селективно реагують на зміну хімічного складу навколишнього середовища з формуванням відгуку у вигляді оптичного, електричного чи іншого сигналу [2].

Виробництво високотоксичного хлору та його використання в різноманітних галузях промисловості висунули в число актуальних задач створення апаратно-технічного забезпечення для визначення концентрації хлору в атмосферному повітрі та інших газових середовищах. Усі системи моніторингу атмосферного повітря ґрунтуються на пристроях, апаратах, елементах, що забезпечують отримання даних про стан середовища вимірювання, зокрема, ідентифікацію шкідливих речовин (чутливі елементи, первинні перетворювачі, датчики, генератори, побудники витрат газу, газоаналізатори), їх концентрацію, метрологічні характеристики та метеорологічні показники визначуваної області [3].

У світовій практиці деякі приладобудівні фірми газоаналітичного профілю мають власні виробництва окремих ХД, але сучасна тенденція полягає у створенні спеціалізованих по виготовленню чутливих елементів фірм, які постачають датчики приладобудівникам. Найбільш потужними з таких фірм є City Technology (Англія) [4] з річним випуском понад мільйон датчиків, Sensoric (Німеччина) [5], Drager (Німеччина) [6] та OLDHAM (Франція) [7], які випускають різнотипні датчики обмеженого діапазону та асортименту.

Ефективність використання ХД значною мірою визначається надійністю та доступністю технічних засобів щодо їх метрологічного забезпечення. На сьогодні метрологічне забезпечення газоаналітичних приладів здійснюється за допомогою балонних повірочних газових сумішей, автоматичних установок змішування газів, прицезійних приладів змішування газів для градуювання з їх допомогою робочих приладів, газових сумішей-еквівалентів для нестабільних градуювальних та повірочних сумішей. Крім того, використовуються автоматичні аналізатори з вмонтованими блоками перевірки з використанням негазових фізичних еквівалентів аналізованого середовища, компаратори для звірення та атестації установок змішування газів різного класу точності [8].

Перевірка газоаналізаторів за стандартними зразками чи газовими сумішами трудомістка та дорога. У деяких випадках використовують імітатори газових сумішей [9; 10], проте найбільш надійними та універсальними залишаються перевірочні газові суміші, до яких відносяться електрохімічні методи отримання газів. Відоме використання електрохімічних комірок для отримання заданої кількості водню та кисню і методика атестації за ними датчиків [1; 10], але маса таких пристроїв становить близько 1,5 кг і відсутні надійні методи розподілу катодних та анодних продуктів реакції.

В останніх розробках провідних газоаналітичних світових фірм (City Technology, Sensoric, Monoox) прослідковується тенденція оснащення датчиків малогабаритними джерелами газів, зокрема для водню [2; 4; 5; 11], проте немає рішень, в яких використовувався б мікрогенератор хлору для датчиків хлору, мікрогенератор сірководню для датчиків сірководню.

Виділення не вирішених раніше частин загальної проблеми. Відсутні розробки твердотільних датчиків та мініатюрних мікрогенераторів хлору, які монтувалися б в єдиний модуль-блок і мали один типорозмір та масу (до 50 г) з уніфікованою серією датчиків НТУУ «КПІ».

Мета статі. Головною метою роботи є створення апаратно-технічного забезпечення у вигляді газового датчика і мікрогенератора та практична апробація його на блок-модулях, призначених для моніторингу хлору в повітряному середовищі.

Викладення основного матеріалу дослідження. Потреба в газоаналізаторах хлору охоплює широкий діапазон концентрацій [Cl2] – від десятків часток до десятків тисяч мг∙м-3. Для контролю рівня [Cl2] у повітрі промислових приміщень потрібні пристрої з діапазоном від нуля до 3–10 мг∙м-3(~ 9–30 ppm), для контролю допустимого рівня хлору в установках очистки газів – до 200–500 мг∙м-3, для контролю технологічних процесів у виробництві кальцію, магнію, титану – до 10–20 г∙м-3. З цією метою можуть використовуватися стаціонарні, переносні та портативні газоаналізатори або безперервно діючі сигналізатори перевищення допустимого рівня хлору. Стаціонарні і переносні газоаналізатори зазвичай містять у собі збудник витрат газу, що дозволяє із заданою об’ємною швидкістю подавати середовище, яке аналізується, на індикаторний електрод чутливого елемента датчика. Компактність електрохімічних генераторів хлору, розроблених у НТУУ «КПІ», дозволяє включати їх до складу газоаналізаторів і безпосередньо перед вимірюванням перевіряти калібруванням датчик. У цьому випадку похибки, обумовлені дрейфом реальної температури та вологістю середовища, зводяться до мінімуму. У такому режимі калібрування первинного перетворювача (датчика) похибка виміру визначається похибкою генератора хлору і збудником газорозбавника (~ ±8 %).

У практичному плані первинною метою роботи було розроблення датчика хлору для створення системи виявлення аварійних викидів цього газу на територіях промислових підприємств. Ця система повинна містити розосереджені по території і цехах промислового об’єкта датчики з межею виявлення [Cl2] у повітрі нарівні 100 мг∙м-3 та вторинну систему збору та обробки інформації.

На основі фундаментальних і прикладних робіт, виконаних у НТУУ «КПІ», створені чутливі елементи, з подальшим апгрейдом у первинні перетворювачі і твердотільні датчики хлору амперометричного типу.

Чутливі елементи датчиків (рис. 1) являють собою таблетки діаметром 18 мм і висотою 10–12 мм, які виконані пошаровим пресуванням (при питомому тиску 4 т∙см-2); у своєму складі мають індикаторний і допоміжний електроди, розділені шаром твердого електроліту. Основним критерієм вибору твердого електроліту для чутливих елементів хлору прийнята їх електропровідність.

Наукова бібліотека ЧНТУ © 2012