Автоматизовані газоаналітичні прилади контролю промислових і транспортних викидів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ "КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"

УДК 543.271.3

АВТОМАТИЗОВАНІ ГАЗОАНАЛІТИЧНІ ПРИЛАДИ КОНТРОЛЮ ПРОМИСЛОВИХ І ТРАНСПОРТНИХ ВИКИДІВ

СПЕЦІАЛЬНІСТЬ 05.11.13 -- Прилади і методи контролю та визначення

складу речовин

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Приміський Владислав Пилипович

Київ 2001

Дисертацією є рукопис:

Робота виконана в Національному технічному університеті України "Київський по-літехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України та Українському науково-дослідному інституті аналітичного приладобудування.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Румбешта Валентин Олександрович Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", професор кафедри "Виробництво приладів"

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, Кісіль Ігор Степанович, Івано-Франківський Державний технічний університет нафти і газу, завідувач кафедрою "Методи та прилади контролю якості і сертифікації приладів"

кандидат фізико-математичних наук, доцент, Головач Йосип Йосипович, директор СКБ засобів аналітичної техніки, м. Ужгород.

Провідна установа: Державний університет "Львівська політехніка" Міністерства освіти і науки України.

Захист відбудеться " 26 " червня 2001 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.002.18 в Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, м. Київ, пр. Перемоги, 37, корпус 1 , аудиторія 293-1.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці НТУУ "КПІ" за адресою: м. Київ, пр. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий " 25 " травня 2001 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Н.І. Бурау

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи: Однією з глобальних проблем, яка торкається життя кожного народу і окремої людини є збереження і охорона навколишнього середовища. Найбільш вразливою сферою довкілля є атмосферне повітря.

Кожен рік на Україні гинуть люди від вибухів газу в гірничодобувній галузі, витіків газу в житлових будинках. Непоодинокі випадки отруєння і загибелі людей в підвалах, колекторах, каналізаційних системах.

Автоматизація і вдосконалення технологічних процесів в промисловості, енергетиці потребують швидкого, високоточного, автоматичного виміру концентрацій багатокомпонентних газових сумішей в ході різних виробничих циклів. Такі технології мають місце в металургії, нафтохімії, енергетиці.

Таким чином в багатьох сферах життєдіяльності суспільства від промисловості до побуту (газосигналізатори витіків газу в житлових будинках) є потреба в автоматизованих високоточних, надійних швидкодіючих газоаналізаторах (ГА) і багатоканальних газоаналітичних системах (ГАС), які можуть проводити вимірювання токсичних і вибухонебезпечних концентрацій газових сумішей в екстремальних умовах експлуатації: вібрації, високій температурі, тиску, вологості, агресивному середовищі та т.і.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Тема даної роботи тісно пов'язана з науковою тематикою НДІ аналітичного приладобудування -- головної наукової організації України з проблем аналітичного приладобудування.

Представлена дисертаційна робота безпосередньо виконувалась в рамках:

1. Державної програми "Приладобудування України" (1996 р.).

2. Державної програми "Безпека дорожнього руху і екологічна безпека транспорт-них засобів" (Постанова КМУ № 496 від 6.04.98 р.).

3. Програми "Моніторингу довкілля міста Києва 1999-2002 р.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка автоматизованих газо-аналітичних приладів контролю промислових і транспортних викидів підвищеної точності і надійності, які працюють в екстремальних умовах експлуатації, дослід-ження і вдосконалення їх технічних характеристик за рахунок структурно-схемної побудови, створення розрахункових методик проектування і метрологічного забез-печення серійних приладів.

Поставлена мета реалізується вирішенням наступних завдань:

1. Аналізом сучасних методів газового аналізу і розробки шляхів підвищення точності газоаналізаторів.

2. Дослідженням математичних моделей структурних схем ГА.

3. Розробкою нових принципів побудови структурних схем побудови первинних вимірювальних перетворювачів (ППВ), ГА, інваріантних до дестабілізуючих факторів при екстремальних умовах експлуатації.

4. Розробкою принципів побудови багатоканальних газоаналітичних систем з урахуванням впливу неінформативних параметрів.

5. Розробкою методів і засобів обробки вимірювальної інформації в багатока-нальних газоаналітичних системах.

6. Експериментальним дослідженням впливу особливостей структурної побу-дови ГА і ГАС на метрологічні характеристики.

7. Розробкою розрахункових методик проектування промислових газоаналіза-торів з урахуванням техніко-економічних показників.

8. Розробкою методик і засобів метрологічного забезпечення.

Об'єкт і методика досліджень. Об'єктом дослідження є автоматичні газоана-лізатори і газоаналітичні системи, структурні схеми їх побудови, встановлення за-лежностей технічних характеристик від структурної схеми. Для аналізу структурних схем побудови газоаналізаторів і газоаналітичних систем застосовані методи теорії інваріантності, математичного моделювання, експериментальні дослідження.

Наукова новизна отриманих результатів досліджень:

1. Вперше створена класифікація і систематизація методів газового аналізу по критерію схемно-структурної побудови, точності і техніко-економічних показни-ків газоаналітичних приладів.

2. По результатам аналізу найбільш типових структурних схем ГА і їх математичних моделей встановлені функціональні залежності похибки вимірювань від структурно-схемної побудови.

3. Розроблені на рівні винаходів структурні схеми й конструкції ГА підвищеної точності і вихідний сигнал яких не залежить від дестабілізуючих параметрів екстремальних умов експлуатації.

4. Запропоновано спосіб компенсації деформації газової проби пристроями підготовки і очистки газової проби, що дозволило підвищити точність вимірювань.

5. Отримані математичні залежності вихідних сигналів вимірювальних каналів ГАС від впливу неінформативних параметрів, розроблені розрахункові методики оцінки впливу і компенсації неінформативних параметрів.

6. Розроблені на рівні винаходів схеми корекції адитивної і мультиплікативної похибки вимірювань в багатоканальних газоаналітичних системах, які дозволяють компенсувати вплив неінформативних вимірювальних параметрів.

7. Розроблені розрахункові методики проектування і структурні схеми газоаналізаторів, заснованих на інфрачервоному, хемілюмінісцентному, полум'яно-іонізаційному методах газового аналізу, вихідні сигнали яких інваріантні до зовнішніх екстремальних умовах експлуатації і мають інструментальну похибку вимірювань на рівні 1-3 %;

8. Розроблено на рівні винаходів новий спосіб градуювання газоаналізаторів і стенд для метрологічної атестації ГА.

Практична цінність результатів роботи полягає в тому, що на основі прове-дених теоретичних і експериментальних досліджень розроблено серійний ряд про-мислово освоєних газоаналізаторів і газоаналітичних систем: вимірювальний перетворювач метрологічний газоаналітичний

344ХЛ01, 344ХЛ10, 344ХЛ14 -- хемілюмінесцентні газоаналізатори оксидів азоту (NO, NO2, NOx). При створенні реалізовані Патенти на винаходи Украї-ни №№ 5147, 9824, 27680, А.с. СССР №№ 1778644, 1326965.

334КПИ03, 334КПИ10, 334КПИ14 -- полум'яно-іонізаційні газоаналізатори суми вуглеводнів (еСnНm). При створенні реалізовані винаходи: Патенти Украї-ни №№ 27681, 27682, А.с. СРСР № № 1458796, 1332275;

325ФА01 -- інфрачервоний газоаналізатор оксидів вуглецю, вуглеводнів, кисню. При створенні реалізовані винаходи Патент Росії № 2145415, А.с. СРСР № 1549315.

Для вирішення проблеми економії палива при виробництві теплової енергії вперше в Україні створено промисловий газоаналітичний комплекс ТК-1 (вимір концентрації СО, СО2, СН, О2). Комплекс ТК-1 забезпечує економію палива на рівні 7-10% на ТЕЦ, ТЕС, котельних, бойлерних.

Реалізація і впровадження результатів роботи.

Створені за розрахунковими методиками проектування серійні прилади, ви-пускаються АТ "Украналіт", заводом "Аналітприлад" і впроваджені в "Укравтобус-промі "(м. Львів), ВАТ "Завод "Енергія" (м. Київ), "Дніпропетровському тепловозо-ремонтному заводі", СП "АвтоЗАЗ-ДЕУ" (м. Зпоріжжя), ДержавтотрансНДІпроект (м. Київ), Українському транспортному університеті (м.Київ), АТ "Термо-Кінг Україна" і на інших промислових підприємствах.

Апробація результатів дисертаційної роботи. Основні положення і резуль-тати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на міжнародних науково-технічних конференціях: "Проблеми екологічного моніторінга і охорона праці" (м. Севастополь, 1995 р.); "Стан та перспективи розвитку метрологічного забезпе-чення вимірювань складу та властивостей речовин і матеріалів" (м. Київ, 1999 р.); "Материалы и покрытия в экстремальных условиях. Исследование, применение, экологически чистые технологии производство и утили-зации изделий" (Крым, пос. Кацивели, 2000 г.); "АВІА-2000" (м. Київ, 2000 р).

Особистий внесок автора. Основні результати дисертаційної роботи отрима-ні автором самостійно, на основі власних ідей і розробок, а окремі досягнуті в спів-авторстві з науковим керівником та співробітниками за місцем роботи. За результа-тами роботи автором опубліковано самостійно без співавторства 17 наукових робіт, які включають наукові статті, тези докладів і винаходи.

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 47 робіт: 18 статей, 22 винаходи (7 патентів України, 1 патент Росії, 14 а.с. СРСР), 7 тез докладів.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти глав і висновків, викладених на 276 сторінках, 78 рисунків, 11 таблиць, списку використаної літератури із 91 найменувань і додатків.

Основний зміст роботи

У вступі обгрунтовано актуальність проведеної роботи, сформовано мету, визначено основні завдання, показано наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів для промисловості, висвітлено питання створення промислових газоаналізаторів і їх впровадження на підприємствах України.

У першому розділі зроблено систематизацію, класифікацію і аналіз відомих методів газового аналізу, досліджені основні проблеми оптимізації технічних характеристик газоаналізаторів. Виділено основні групи технічних характеристик, по яким проводиться оцінка газоаналізатора: 1. Інформаційна; 2. Техніко-економічна; 3. Техніко-експлуатаційна; 4. Апаратно-реалізаційна; 5. Характеристика технічних рішень; 6. Конструктивно-технологічна.

Класифіковано поняття якості інформації газоаналітичних вимірювань. Роз-глянуті основні складові якості інформації: рівень інформативності, чутливість, по-хибка вимірювань, достовірність, надійність.

Практичне виконання газоаналітичних вимірювань засновано на використанні взаємозв'язку між складом газової суміші (концентраціями її компонентів) і величи-нами, які характеризують його фізичні і фізико-хімічні параметри:

У = f(C1, C2, C3,...,Cn), (1)

де У -- параметр газу, концентрація якого вимірюється; C1, C2, C3,...,Cn -- концентрація компонентів; n -- чисельність газів в газовій суміші.

Одним з основних показників ГА є сумарна похибка вимірювань. Для оптимізації ГА по цьому показнику необхідно знати її окремі складові і причини їх виникнення, оптимізувати шляхи зменшення окремих складових. Проведено класифікацію способів зниження похибки вимірювань.

Зроблено відповідний аналіз і одержані висновки, що структурно-схемні методи підвищення точності вимірювань є найбільш перспективними для побудови високоточних газоаналізаторів.

У другому розділі розроблені функціонально-параметричні і математичні моделі побудови газоаналізаторів і основної складової ГА -- первинних вимірювальних перетворювачів (ПВП).

Загальна відносна похибка вимірювань ГА, складається з суми відносних похибок окремих складових перетворювач, незалежно від закономірності утворення похибки (адитивна чи мультиплікативна):

, (2)

де: gі -- мультиплікативна похибка і-го блоку; х0 -- приведена до входу абсолютна похибка всього ГА.

Окрім систематичних похибок для ГА характерна наявність значного впливу випадкових похибок вимірювання. Джерелом випадкових похибок ГА є: швидкозмінні умови експлуатації; недосконалість конструкції і виготовлення елементів БПП, ПВВ; неінформативні параметри, які змінюються випадково і незалежно; неідентичність і недосконалість приготування повірочних газових сумішей; вплив параметрів оточуючого середовища. Досліджені і встановлені джерела загальної похибки вимірювань ГА по характеру походження (інструментальні похибки, методичні похибки, похибки моделі, похибки від впливу довкілля), закономірностей утворення (систематичні і випадкові).

Основою структурної побудови ГА є ПВП. Розроблені і досліджені основні структурні схеми ПВП: одноканальні, двоканальні диференційні, двоканальні логометричні, компенсаційні одноканальні -- з компенсацією по електричній величині, компенсаційні двоканальні -- з компенсацією по електричній величині; компенсаційні одно і двоканальні -- з компенсацією по неелектричній величині.

На рис. 2 наведена розроблена узагальнена двоканальна диференційна схема ПВП, яка дозволяє знизити вплив дестабілізуючих зовнішніх факторів (температура, тиск, вібрації і т.і.) на похибку вимірювань.

Розроблені структурні схеми ГА дозволяють досягти значення основної при-веденої похибки вимірювання для одноканальних структур на рівні 15-20%, а для двоканальних 1-5 %. Для компенсації адитивної, мультиплікативної (і їх комбінації) похибок вимірювань, викликаних зовнішніми умовами експлуатації, розроблені від-повідні структурні схеми ПВП і алгоритми їх роботи.

Третій розділ присвячений розробці структурних схем (ПВП) інваріантних до екстремальних умов експлуатації.

Для виміру газів з повільною зміною концентрації (наприклад атмосферне повітря) розроблено двохтактний метод газоаналітичного вимірювання.

В першому такті ПВП вимірює концентрацію "свого" газу: У1 = К Ч X1, де X1 -- концентрація газу; Y1 -- вихідний сигнал ПВП; К -- коефіцієнт перетворення. В другому такті вимірювання до аналізованої газової суміші додається порція такого ж газу з балону з перевірочною газовою сумішшю, з відомою концентрацією Х2. На виході ПВП утворюється концентрація Х1+Х2. Вихідний сигнал ПВП прийме виг-ляд : У2 = К (Х1 + Х2).

За допомогою обчислювального пристрою вирішується система рівнянь:

(5) відносно отримаємо (6)

Можливо і більш прийнятний варіант з метрологічного забезпечення алгоритм з застосування зразкової суміші з концентрацією Х2. В першому такті на вхід ПВП подається зразкова концентрація Х2. На виході ПВП отримаємо сигнал:

У1 = К(Х2 + Х1).

Вирішив рівняння відносно Х, отримаємо (7)

В виразах (6, 7) коефіцієнт перетворювання ПВП К відсутній. Якщо обидва такти провести з мінімальним інтервалом в часі, то коливання коефіцієнта К від свого номінального значення не будуть приводити до похибки вимірювань. Таким чином, досягається інваріантність вимірювання Х1 від дестабілізуючих факторів. Похибка вимірювань при цьому визначається стабільністю зразкової міри Х2 і похибкою обчислювального пристрою.

Для аналізу швидкозмінних газових сумішей, де небажано відключати газоа-налізатор від аналізованого газу розроблено відповідний варіант інваріантної структурної схеми ГА з заміщенням (Рис. 3).

На ГА діє сумарна концентрація аналізованого газу Х і взірцева заміщуюча концентрація такого ж газу Х0. Ці два гази складаються на вході ГА в суматорі газів См.

Концентрація заміщення Х0 виникає за допомогою перетворювача заміщення (ЗП), керованого цифровим кодом, що зберігається в регістрі пам'яті (РП). Перетворювач заміщення -- це набір електромагнітних вентілів, встановлених на виході балонів з чистим газом. Вентилями керують за кодом з РП. Через відкритий вентиль концентрація газу -- Х0 надходить до См. Сумарна концентрація Х + Х0 діє на ГА, на вході якого матимемо У = K1 Ч (Х + Хо), де К1 -- коефіцієнт перетворювання ГА.

Перетворювачем напруга-частота (ПНЧ) електричний сигнал У перетворюється в частоту проходження імпульсів: f = K1Ч K2( Х + Х0), де K2 -- коефіцієнт перетворювання ПНЧ. Далі імпульси від ПНЧ через дільник частоти імпульсів на два f/2 надходять на вхід накопичення реверсивного лічильника імпульсів РЛ1. Дільник f/2 виконує роль, яку можна порівняти з фазочутливим елементом в електричних вимірах. Дільник f/2 дає можливість регулювати міру заміщення в протилежних напрямках: зменшення і збільшення. Від'ємний вхід РЛ1 сполучений з виходом ПНЧ безпосередньо. Роботу РЛ1 в режимі накопичення визначає БК, збуджуваний імпульсами генератора тактових імпульсів ГТ1. За час накопичення Т в РЛ1 зафіксується число імпульсів:

, (8)

де К -- коефіцієнт поділу частоти дільника імпульсів, К = 2.

З надходженням чергового тактового імпульсу БК переводить РЛІ у від'ємний режим рахування імпульсів і одночасно скидає код, що зберігається в РП. В результаті цього на ГА продовжує впливати тільки на вхідні концентрації Х, тому що концентрація врівноважування Х0 = 0. За час рахування Т з лічильника РЛІ віднімається число імпульсів N2: .

Залишок імпульсів

(9)

перетвориться в код, що фіксується на цифровому табло ЦТ й одночасно записується в РП. З подальшим тактовим імпульсом РЛІ переходить у режим накопичування імпульсів. Оскільки в РП зберігається код N, то починається черговий цикл перетворення за участю концентрації Х0, що заміщує аналізований газ, при цьому (10), де b -- коефіцієнт перетворення ОП.

З урахування рівняння (9) вираз (10) можна записати як

(11)

Розв'язавши останній вираз відносно N, дістанемо (12)

Таким чином, вихідний код N, пропорційний концентрації газу Х, визначається параметрами ланцюга ЗП і не залежить від коефіцієнтів К1 і К2.

Однією з нових розроблених структурних схем є апаратурна схема ПВП, в якій об'єднується принцип двоканальності з періодичним порівнянням вимірювального і порівняльного каналів.

На рис. 4 наведена структурна схема розробленого термокондуктометричного ПВП для роботи в умовах підвищеної радіації, пилу, високих температур. Чутливими елементами в термокондуктометричному ПВП є термоопори, які нагріваються током, що проходить через них і які розміщені в газових кюветах. В такому ПВП досягається інваріантність вихідного сигналу до змін температури і коливання напруги живлення.

При періодичному замиканні ключів на виході інтегруючих ланцюгів R1C1 і R2C2 виникають складові напруги U1 і U2 з частотою комутації ключів, амплітуди яких пропорційні різниці опорів нагрітого і та "холодних" терморезісторів і.

U1 = К1( - ) = К1 Ч D R4 (13)

U2 = К2( - ) = К2 Ч D R5 де: К1, К2 -- коефіцієнти пропорційності.

Ключі Кл2 і Кл3 працюють в противофазі, тому на вхід підсилювача буде діяти різниця напруг: U3 = U1 - U2 = К Ч (D R4 - D R5)

Напруга U3 випрямляється фазочутливим випрямлячем і далі вимірюється вихідним приладом.

Напруги U4 = К3ЧU3, де К3 -- коефіцієнт передачі ФЧВ можна записати у ви-гляді:

U4 = К3 Ч К1Ч D R4 - К2Ч D R5 (14)

У зв'язку з тим, що приріст термоопорів є функція концентрації газу

DR = f(Хі), то U4 = К3 Ч К1 f(xi ± DХ) - К3 Ч К2 f(xi) (15)

Відхилення вихідного приладу показує на скільки змінилася концентрація газу Хі, в проточній кюветі (камері) по відношенню до концентрації того ж газу в закритій кюветі (камері). Для багатьох газів DR = f(Хі) має лінійний характер. Вихідна змінна складова напруги на виході інтегруючих чарунок

R1 Ч Сі: U1 = K1 ( - ) не залежить від зміни температури газової суміші. Не впливають на результат аналізу і нестабільність в часі опору терморезісторів, тому що в однаковій мірі змінюється і ( і ).

Інваріантність змінних складових з частотою субгармоніки від дестабілізуючих факторів (температура, вологість і т.і.), забезпечує підвищені точність газового аналізу). При цьому можна суттєво знизити вимоги до стабілізації температури, конструктивного оформлення.

Четвертий розділ присвячений розробці та дослідженню принципів побудови газоаналітичних систем (ГАС).

Багатоканальні газоаналітичні системи (ГАС) утворюють особливий клас комплексних засобів вимірювальної техніки і відрізняються від інших вимірювальних систем більшою складністю та багатофункціональністю.

При розробці і випуску ГАС значна увага приділяється структурно-схемній побудові. Розроблено три основні структурні схеми побудови системи: 1. ГАС з послідовним з'єднанням окремих газоаналізаторів, які вимірюють концентрацію свого компоненту. 2. ГАС з паралельно-послідовними вимірювальними каналами. 3. ГАС з паралельними вимірювальними каналами.

Послідовні і паралельно-послідовні структурні схеми ГАС в зв'язку з низькою швидкістю і малою надійністю, вихід каналу зв'язку приводить до виходу з ладу всієї ГАС, мають обмежене застосування.

В порівнянні з послідовними структурними схемами паралельна структура ГАС потребує більше апаратурних витрат, але ця структура є надійнішою і, саме головне, має підвищену швидкодію, що дозволяє аналізувати газові суміші з динамічною зміною концентрації газів.

В загальному випадку автоматичний аналіз газових сумішей зводиться до вирішення систем n-незалежних рівнянь:

У1 = f1(Х1, Х2,..., Хn) У2 = f2(Х2, Х1, Х3,..., Хn) (16).

Уn = fn(Хn, Х1,Х2,..., Хn)

де У1... У2 -- вихідні сигнали відповідних газоаналізаторів, інтегрально залежних від концентрацій Х1... Хn, які вимірю- ються.

Таким чином, до складу ГАС повинні входити обчислювальні пристрої, харак-тер роботи яких визначається описом функціональної залежності вихідного сигналу від концентрації і математичною формою цих залежностей.

При вирішенні системи рівняння (16) можливо отримати два види рівнянь:

Х1 = y1 (У1, Х2,...Хn) Х2 = y2 (У2, Х1,Х3,...,Хn) (17) Хn-1 = y n-1(У n-1, Х1, Х2,...Хn)

Х1 = F1 (У1, У2,...,Уn) Х2 = F2 (У1, У2,...,Уn) (18) .

Хn = Fn (У1, У2,...,Уn)

Рівняння системи (17) повинні вирішуватись сумісно, а рівняння системи (18) можуть вирішуватись окремо одне від одного. В першому випадку аналіз багатокомпонентної газової суміші є сумісне автоматизоване вимірювання, в другому -- ряд (по числу рівнянь) непрямих вимірювань. Обчислювальний пристрій (ОП) в першому випадку буде більш складним, тому що повинен вирішити систему сумісних рівнянь, а в другому -- може складатись з окремих блоків. Кожен з цих блоків незалежно один від одного вирішує одне з рівнянь, що дозволяє складати ОП по блочно-модульному принципу і забезпечить незалежність їх роботи (Рис. 5).

В залежності від складу газової суміші, селективності газоаналізаторів, можливостей ОП, апаратурних витрат, умов експлуатації і ремонту для вирішення систем (17) и (18) вибирається один з методів і відповідний ОП.

Однією з важливих особливостей ГАС є можливість взаємної корекції впливу неінформативних параметрів на кожен вимірювальний канал ГАС. Для цього в процесі експериментальних досліджень виявлено відхилення статистичної функції перетворення вимірювального каналу ГАС від номінального і корегують її так, щоб вона весь час була близька до номінальної, таким чином виконується автоматична корекція похибок вимірювання.

Розроблений багатоканальний автоматичний пристрій корегування (рис. 6) ре-алізує функцію (19), де: y1...yn -- вихідні сигнали ви-мірювальних каналів ГАС.

Блок виконує функцію , (20) де: Uвх -- сигнал на виході ПВП (вході лінеарізатору); bi, dj -- сигнали заміщення нульової відмітки шкали; ci, lj -- постійні коефіцієнти; n -- число сигналів взаємно-го нульового заміщення.

Коефіцієнти передачі блока корекції:

(21)

При диференціюванні виразу (24) по db i dd отримаємо

,

якщо перейти до кінцевих приростів, то маємо:

(22)

За умовами роботи вимірювальних каналів ГАС Uвх, Uвих, b, d змінюються в межах 0-1 В; с, Dl = 0,1; Dl, Db = 0,5 %, n = 4 (чотири канали ГАС).

Складові похибки вимірювань відповідно визначаються як: .

Сумарна похибка розробленого блоку корекції вимірювального каналу ГАС:

(23)

Ступінь наближення рівняння корекції реальному закону впливу може бути визначено, тільки після експериментального дослідження функції впливу неінформативних вхідних величин на вихідні сигнали ПВП.

Однією із важливих характеристик ГАС є швидкодія вимірювальних каналів. Для більшості існуючих ПВП характерна підвищена інерційність. Для підвищення швидкодії використані дослідження функції динамічних характеристик ПВП за рахунок встановлення співвідношень, які дозволяють по результату вимірювань в заданий момент часу екстроополювати перехідний в стале значення. З результатів досліджень встановлено, що чим менший час початку реагування вихідного сигналу вимірювального каналу по відношенню до сталої часу, тим менша похибка вимірювань.

П'ятий розділ присвячений в розробці методик проектування і дослідженню серійних типів газоаналізаторів, які реалізують теоретичні і експериментальні результати попередніх чотирьох розділів дисертаційної роботи.

Методика проектування і експериментальні дослідження інфрачервоного ГА

Розроблена методика вибору структурної схеми побудови і конструкції інфрачервоного ГА залежно від діапазону і похибки вимірювань, яка може бути реалізована з врахуванням проблеми метрологічного забезпечення і технологічних можливостей виготовлення ГА. Встановлені залежності систематичних похибок -- Dn, зумовлені параметрами оточуючого середовища і дрейфових змін, від структурної схеми побудови. Для диференційних структурних схем (Д)Dn = 1-2 % а для компенсаційних структурних схем з врівноваженням в робочому каналі (АРР) Dn = 0,5 %.

Суттєві переваги врівноважених структур зумовлені значно меншим рівнем мультиплікативних похибок. В одноканальних врівноважених структура Dnn = 0, тому що Dlu = 0. З отриманих виразів легко визначити вимоги до стабільності джерел живлення, при виконанні яких похибка Dnj не виходить за граничні вимоги. Проведено аналіз стабільності розроблених структур інфрачервоних ГА. Для структур Д і АРР встановлено часовий інтервал на протязі якого систематична похибка вимірювань Dnj(t0) не перевищує заданого рівня Dnj. Для схеми АРР -- 20 діб, а для диференцій-ної неврівноваженої -- 7 діб.

Таким чином в рівних умовах схема АРР в 3 рази стабільніша схеми Д.

Проведені дослідження дозволила створити на рівні винаходу (А.с. СРСР № 1549315) оптимальну структурну схему промислового газоаналізатора -- двоканальну, однопроменеву (рис. 7) з каналом для компенсації дестабілізуючого фактору -- температури довкілля.

Методика проектування і дослідження хемілюмінесцентного ГА

Для хемілюмінесцентних ГА оксидів азоту створена розрахункова методика основних параметрів: просторового коефіцієнту К реакційної камери потужності хемілюмінесцентного випромінювання. Встановлена інтенсивність хемілюмінесцентного випромінювання на довжину хвилі визначається формулою:

Il=(Il0*[NO]* [O3])/[M], де: [NO],[O3],[M] -- концентрації NO, O3, і ін. молекул, які знаходяться у суміші; Il0 -- співвідношення констант швидкостей хемілюмінесцентної реакції.

Якщо проінтегрувати Il по l і врахувати площину поверхні реакційної камери, отримаємо потужність випромінювання хемілюмінесцентної реакції:

Р = SpkЧSpk*[NO] *[O3]/[M] (24)

Розроблена розрахункова методика визначення інтегральної чутливості ФЕП для реального джерела випромінювання, створені розрахункові алгоритми вибору основних конструктивних елементів газоаналізатоірв.

Визначено, що найбільш прийнятним з критерію максимальної чутливості сприйняття хемілюмінесцентного випромінювання при мінімальній концентрації оксиду є фотоелектронні примножувачі -- ФЕП. На рис. 8 наведена експериментальна спектральна характеристика ФЕП типу ФЕУ-84-3, з якої видно, максимум чутливості ФЕП досягається на довжині хвилі випромінювання в діапазоні 0,4ё0,8 мкм.

Зв'язок між характеристиками ФЕП по реальному і еталонному випромінюванню має вираз:

Sэт. = Smax(l) = Smax(l)*Кэт (25)

Sр = Smax(l) = Smax(l)*Кр, (26)

де: -- максимальна спектральна чутливість ФЕП, Кэт і Кр -- коефіцієнти використання ФЕП по эталонному и реальному випромінюванню відповідно.

В результаті експериментальних досліджень підтверджені розрахункові дані про те, що мінімальна концентрація оксиду азоту, яку може зафіксувати ФЕП по пороговому рівню випромінювання становить 0,0002ё0,0003 об.%.

На основі створених розрахункових методик і з урахуванням, оптимального вибору структурної схеми ГА вперше розроблено серія промислових ГА 344 ХЛ01, 344 ХЛ10, 344 ХЛ14.

Методика проектування і дослідження полум'яно-іонізаційного ГА

Аналогічно вищенаведеному розроблена розрахункова методика проектування полум'яно-іонізаційного газоаналізатора. Розрахунок конструктивних параметрів полум'яно-іонізаційного ГА був проведений за критерієм оптимальної чутливості і швидкодії в заданому діапазоні вимірювань.

За результатами експериментальних досліджень була спроектована структурна схема газоаналізатора (Рис. 9), яка забезпечує максимальну чутливість і мінімальну похибку вимірювань -- ± 3 %. На основі розробленої схеми створені промислові зразки газоаналізаторів (334 КПИ03, 334 КПИ10, 334 КПИ14).

Метрологічне забезпечення промислових газоаналітичних вимірювань

Метрологічне забезпечення розроблених промислових ГА реалізується за рахунок новітньої методики градуювання газоаналізаторів (Патент України№ 27679 "Спосіб градуювання газоаналізаторів" і відповідної метрологічної установки, Патент України № 27682 "Пристрій для калібровки газоаналізатора" (Рис. 10).

Розроблений спосіб і методика його застосування дозволяє проводити метрологічну атестацію ГА без відключення від технологічних процесів і досягти для ряду методів газового аналізу значення основної приведеної похибки вимірювання на рівні 1-2 %.

Основні висновки

1. Розроблено модельний ряд серійних автоматизованих газоаналізаторів для виміру промислових і транспортних викидів: хемілюмінесцентний ГА -- 344ХЛ01, 344ХЛ10, 344ХЛ14 (вимір NO, NO2, NOx); полум'яно-іонізаційний -- 334КПИ03, 334КПИ10, 334КПИ14 (вимір еСnHm(CH4C3H8, С6Н12); інфрачервоний -- 325ФА01 (вимір СО, СН, СО2, О2); ПЄКА (одночасне і паралельне вимірювання СО, еСH, NO, NO2, NOx) для роботи в екстремальних умовах експлуатації, які мають підвищену точність і надійність.

2. Розроблені структурні схеми і розрахункові методики проектування серійних ГА, які реалізують інфрачервоний, хемілюмінесцентний, полум'яно-іонізацій-ний методи газового аналізу, інваріантних до зовнішніх дестабілізуючих факторів, що дозволило досягнути інструментальної похибки вимірювання на рівні 1-3 %.

3. Проаналізовані джерела походження і проявлення похибок вимірювання газоаналізаторів. Показано що найбільш перспективним шляхом підвищення точності вимірювань є структурно-схемні методи побудови ГА і ГАС.

4. Встановлені функціональні залежності технічних характеристик ГА від конкретної структурно-схемної побудови. Проаналізовані математичні моделі найбільш поширених структурних схем ГА. Експериментально досліджені залежності похибки вимірювань від структурної побудови і розроблені методики і рекомендації по зниженню похибки вимірювань.

5. Розроблені нові на рівні винаходів схеми ГА підвищеної точності, вихідний сигнал яких не залежить від дестабілізуючих умов експлуатації.

6. Отримані математичні залежності вихідних сигналів вимірювальних каналів газоаналітичних систем від впливу неінформативних параметрів. Запропоновані розрахункові методики оцінки впливу і компенсації неінформативних параметрів.

7. Розроблені на рівні винаходів схеми корекції адитивної і мультиплікативної похибки вимірювання в багатоканальних ГАС, які компенсують вплив неінформативних параметрів на вихідні сигнали.

8. Розроблено новий спосіб градуювання газоаналізаторів, і стенд для метрологічної атестації ГА без відключення від технологічного процесу.

Список основних опублікованих праць за темою дисертації

1. Примиский В.Ф. Структурные схемы газоанализаторов // Измерение, контроль, автоматизация (ИКА). М.: 1984. № 4. С. 25-32.

2. Приміський В.П. Особливості газоаналітичних вимірів в багатоканальних системах. // Вісник Національного університету "Львівська політехніка". 2000. № 404. С. 115-120.

3. Румбешта В.О., Приміський В.П. Деякі особливості побудови структур інваріантних газоаналізаторів // Наукові вісті НТУУ "КПІ". 2000. № 4. С. 103-107.

4. Примиский В.Ф., Ровенский А.Я. Средства газоаналитического контроля отработавших газов. // Двигателестроение, 1987. № 6. С. 32-33.

5. Приміський В.П. Багатопараметровий газоаналітичний комплекс емісії автомобілів. К.: // Автошляховик України, 2000. № 2. С. 28-29.

6. Примиский В.Ф. Цифровые логарифмирующие устройства. // Приборы и системы управления, 1986. -- 9. С. 23-26.

7. Приміський В.Ф., Структурні схеми газоаналітичних систем. // Методи та прилади контролю якості, Івано-Франківський Державний технічний університет нафти і газу, 2000. № 6. С. 83-86.

8. Приміський В.П. Деякі метрологічні питання виміру концентрації оксидів азоту в відпрацьованих газах автомобілів. //Збірник наукових праць Українського транспортного університету. Вип. К. 2000. С. 98-105.

9. Примиский В.Ф. Хемилюминесцентные газоанализаторы окислов азота. // Измерение, контроль, автоматизация (ИКА). М.: 1989. № 1. С. 22-30.

10. Румбешта В.О., Приміський В.П. Принципи побудови абсорбційних газоаналізаторів. // Наукові вісті НТУУ "КПІ". 2000. № 5. С. 117-121.

11. А.с. СССР 1326965, МКИ GOI N 21/76. Хемилюминесцентный газоанализатор. Примиский В.Ф. Заявл. 16.01.85. Опубл. 30.07.87. Бюл. 1987, № 28.

12. А.с. СССР 1778644, МКИ GOI N 21/76. Хемилюминесцентный газоанализатор оксидів азоту. Примиский В.Ф. Заявл. 21.08.90. Опубл. 30.11.92. Бюл. 1992, № 44.

13. А.с. СССР 1549315, МКИ GOI N 21/61. Оптический абсорбционный газоанали-затор. Примиский В.Ф., Маноим А.И., Морозов В.П. Заявл. 21.03.88. Опубл. 20.02.89. Бюл. 89, № 4.

14. Патент України 27679, МКИ GOI N 21/61. Спосіб градуювання газоаналізаторів. Богуненко В.Л., Ситніков Н.Н., Приміський В.П. Заявл. 16.04.85. Опубл. 15.09.2000. Бюл. 2000, № 4.

15. Патент України 27682. МКИ GOI N 21/61. Пристрій для калібровки полум'яно-іонізаційного газоаналізатора. Приміський В.П., Ровенський А.Я., Цуканова Л.А. і ін. Заявл. 12.11.87. Опубл. 15.09.2000. Бюл. 2000, № 4.

16. Патент України 5147. МКИ GOI N 13/11. Генератор озону. Приміський В.П. Заявл. 13.09.89. Опубл. 28.12.94. Бюл. 1994, № 7-1.

17. Патент России 2145415. МКИ GOI N 1/22. Устройство подачи газовой пробы к измерительному преобразователю. Примиский В.Ф., Михальчевский В.Г., Цуканова Л.А. Заявл. 28.07.99. Опубл. 10.02.00. Бюл. 2000, № 4.

18. Примиский В.Ф. Методология построения структурных схем газоанализаторов. Тезисы доклада Международной конференции "Материалы и покрытия в экст-ремальных условиях: исследования, применение экологически чистых техноло-гий производства и утилизации изделий, Кацевели 2000г.".

19. Примиский В.Ф., Румбешта В.А. Технические схемы и метрологическое обеспе-чение измерения эмиссии автомобилей с помощью ПЭКА: Тезисы доклада Рес-публиканской конференции "Стан та перспективи розвитку метрологічного за-безпечення вимірювання складу та властивостей речовин і матеріалів. Київ, 1999. С. 92-93.

20. Румбешта В.О., Приміський В.П.. Автоматичний газоаналітичний комплекс емісії авіадвигунів: Тези докладу Міжнародної науково-технічної конференції "Авіа-2000". Київ, 2000.

Анотація

Приміський В.П. Автоматизовані газоаналітичні прилади контролю промислових і транспортних викидів. -- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13 "Прилади і методи контролю та визначення складу речовин". Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", Київ, 2001.

В роботі досліджені автоматизовані газоаналітичні прилади, які працюють в екстремальних умовах експлуатації. Розроблені структурні схеми і математичні моделі газоаналізаторів і газоаналітичних систем, вихідні сигнали яких інваріантні до дестабілізуючих факторів. Запропоновані схеми корекції впливу неінформативних параметрів, Розроблені розрахункові методики проектування інфрачервоних, хемілюмінесцентних і полум'яно-іонізаційних газоаналізаторів. Розроблено новий спосіб градуювання газоаналізаторів і стенд для метрологічної атестації ГА.

Ключові слова: газоаналізатор, газоаналітична система, похибка вимірювань, розрахункові методики, метрологічне забезпечення.

Annotation

Primisky V.P. Automatic gas analytic devises of controlling industrial and transport ejections.

The dissertation on reception of a scientific degree of the candidate of technical science specialty 05.11.13 - " Devices and methods of the check and definition of a composition of substances. " - National Technic University of Ukraine " Kiev Polytechnic Institute ", Kiev 2001

In this work are researched automatic gas analyzing devises, which work in extreme condition of maintains. Development structures schemes and mathematical models of gas analyzers and gas analytical systems outgoing signals of which independence to the destabilizing factors. Offered schemes of corrections of influence not informative parameters. Develop calculated methodic of projection infrared, chemiluminescencens, and Flame-ionization gas analyzers. It is made new way of graduation of gas analyzers and devices for its realization.

Key words: gas analyzer, gas analyzing system, error measuring by calculated method, metrological security.

Аннотация

Примиский В.Ф. Автоматические газоаналитические приборы контроля промышленных и транспортных выбросов. -- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.13 -- "Приборы и методы контроля и определения состава веществ". Национальный технический университет Украины "Киевский политехни-ческий институт", Киев, 2001.

Диссертация посвящена разработке автоматизированных газоаналитических приборов для контроля промышленных и транспортных выбросов повышенной точности и надежности, которые работают в экстремальных условиях эксплуатации, исследованию и совершенствованию их технических характеристик за счет структурно-схемного построения, создание расчетных методик проектирования и метрологического обеспечения серийных приборов.

Исследование методов газового анализа позволило классифицировать и установить источники появления погрешности газоаналитических измерений и систематизировать их по характеру проявления. Установлено, что структурно-схемные методы повышения точности измерений являются наиболее оптимальными и перспективными для создания серийных образцов газоанализаторов.

Установлены функциональные зависимости технических характеристик ГА и ГАС от конкретного структурно-схемного построения. Получены и проанализированы математические модели наиболее распространенных структурных схем ГА.

Для реализации метода замещения анализируемого газа известной поверочной газовой смесью разработаны устройства плавно синтезирующие газовую смесь за-данного состава.

Разработана новая структурная схема инвариантного ГА для экстремальных условий эксплуатации, сочетающая принцип двухканальности и периодичности обработки измеряемого и сравнительного сигналов, что позволяет снизить погрешность измерений.

Экспериментально исследованы зависимости погрешности измерений от структурной схемы и разработаны методики и рекомендации по снижению погрешности измерений.

Разработаны на уровне изобретений структурные схемы ГА повышенной точности, выходной сигнал которых не зависит от дестабилизирующих условий эксплуатации.

Получены математические модели выходных сигналов измерительных каналов газоаналитических систем от влияния неинформативных параметров. влияния неинформативных параметров.

Разработаны различные варианты схем блока коррекции аддитивной, мульти-пликативной и их комбинации погрешности измерений.

Предложены расчетные оценки влияния и компенсации неинформативных параметров.

На основе проведенных исследований разработан модельный ряд серийных газоанализаторов повышенной точности работающих в экстремальных условиях, для измерения состава промышленных и транспортных выбросов: газоанализаторы, реализующие хемилюминесцентный метод газового анализа -- 344ХЛ01, 344ХЛ10, 344ХЛ14 (измерение NO, NO2, NOx); пламенно-ионизационный -- 334КПИ03, 334КПИ10, 334КПИ14 (измерение еCnHm(CH4, C3H8, C6H12)); инфракрасный --325ФА01 (измерение СО, СН, СО2, О2).

Для решения исключительно важной для экономики Украины проблемы снижения уровня потребления топлива при производстве энергии впервые создан промышленный газоаналитический комплекс ТК-1 (измерение концентрации СО, СО2, СН, О2). Комплекс ТК-1 обеспечивает оптимизацию процесса горения топлива на энергетических установках за счет непрерывного измерения концентрации газов в зоне горения и регулирования по результатам измерений соотношения топливо-воздух. Газоаналитический комплекс ТК-1 обеспечивает экономию топлива на уровне 7-10% на ТЭЦ, бойлерных без применения капитальных вложений.

Ключевые слова: газоанализатор, первичный измерительный преобразователь, газоаналитическая система, погрешность измерений, расчетная методика, метрологическое обеспечение.

Размещено на Allbest.ru

...