Контроль проливов авиационного топлива

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 543.07

Воронежский государственный университет инженерных технологий

КОНТРОЛЬ ПРОЛИВОВ АВИАЦИОННОГО ТОПЛИВА

Ж.Ю. Кочетова

С.В. Черных

К основным причинам загрязнения аэродромных и приаэродромных территорий относятся технологические проливы при заправке и обслуживании топливных систем летательных аппаратов, потери при транспортировании и хранении топлив, слив невыработанного топлива в аварийных ситуациях. Токсичность топлив обусловлена высоким содержанием циклических соединений, в том числе ароматических [1].

Предельно допустимая концентрация (ПДК) паров керосина в воздухе рабочей зоны 300 мг/м3, ее превышение вызывает негативное воздействие на организм человека, что приводит к необратимым изменениям различных систем жизнеобеспечения. Помимо этого, содержание паров в воздухе при проливах топлив может достигать взрывоопасных значений. Для предотвращения развития чрезвычайных ситуаций необходим непрерывный мониторинг воздуха, прежде всего в местах наиболее вероятных проливов авиационных топлив. Существующие системы контроля утечек топлив включают электрохимические или оптические датчики. В большинстве своем они дорогостоящи и поэтому для средних и малых аэродромов недоступны. Недостатками некоторых датчиков также являются ограниченные диапазоны рабочих температур, давлений, влажности воздуха, концентраций сопутствующих компонентов, они требуют частой поверки, характеризуются длительным временем срабатывания (до 1,5 мин). Таким образом, актуальна разработка экономичных и надежных устройств для непрерывного мониторинга утечек топлив при их хранении, транспортировании, заправке воздушных судов.

Цель работы - создание макета пьезодатчика паров керосина для мониторинга воздуха в местах наибольшей вероятности пролива топлив для оповещения в режиме «да-нет» визуальными сигналами или для передачи информации по локальным сетям к контрольным пультам. Разрабатываемый макет датчика должен отвечать требованиям, предъявляемым к современным измерительным устройствам: высокой избирательностью, надежной работой в широких интервалах относительной влажности и температуры, низкой чувствительностью к изменениям концентраций естественных атмосферных газов, малыми габаритами, возможностью индивидуального применения и комбинирования с другими сигнальными системами, быстродействием.

По техническим характеристикам выбран пьезоэлектрический кварцевый резонатор (ПКР), генерирующий при сдвиге по толщине объемные акустические волны [2]. Управление селективностью ПКР осуществляется путем нанесения на поверхность электродов пленок сорбентов. Одна из главных задач, решаемых при создании пьезодатчиков, состоит в оптимизации свойств пленочных покрытий электродов, обеспечивающих высокую чувствительность к определяемым веществам, легкость регенерации, механическую устойчивость и химическую инертность. пьезодатчик керосин пролив топливо

В качестве пленочных покрытий электродов ПКР применяли растворы хроматографических фаз - универсальных и проявляющих сорбционное сродство к гетероциклическим и ароматическим углеводородам [3]. Модификацию электродов осуществляли погружением ПКР в раствор сорбента с последующим испарением несвязанного растворителя. Для оценки сорбционной емкости и селективности пленочных покрытий электродов ПКР применяли статический режим нагрузки пьезосенсора [4].

Модифицированный сорбентами ПКР (пьезосенсор) закрепляли в ячейке детектирования над открытым источником паров керосина. Оптимальное расстояние от источника керосина до пьезосенсора 15 см; при его увеличении снижается чувствительность и точность микровзвешивания. В качестве объекта анализа был выбран наиболее распространенный в РФ авиационный керосин марки ТС 1. Концентрация паров керосина соответствовала значению предельно допустимой концентрации, при этом относительная влажность воздуха в околосенсорном пространстве составляла О.В. = (60 2) % относит. Концентрацию паров керосина контролировали датчиком JP8, относительную влажность и температуру воздуха в околосенсорном пространстве измеряли контактным цифровым термометром ТК-5.09. Для регистрации, преобразования и обработки сигнала применяли частотомер, аналоговый преобразователь и ПК. Аналитический сигнал фиксировали по уменьшению частоты колебаний пьезосенсора (Fc, Гц) в результате сорбции паров на пленочном покрытии в течение времени (с, с). При выборе оптимального пленочного покрытия электродов для детектирования паров керосина оценивали: величину аналитического сигнала при сорбции и десорбции паров керосина и воды (Fc и Fд, Гц); селективность (А, %); устойчивость модификатора (m10 %) по относительной потере массы пленки сорбента после 10 циклов сорбция -десорбция.

Оптимальные массы пленочных покрытий для микровзвешивания высоких концентраций паров аналитов установлены ранее и составляют 7 - 15 мкг [4]. Наибольшую чувствительность и сорбционную емкость по отношению к парам керосина из изученных пленок (полиэтиленгликоль-2000, полиэтиленгликоль себацинат, фталат и сукцинат, динонилфталат, триоктиламноксид ТОАО) проявляет ТОАО, при этом она характеризуется недостаточной селективностью (А 60 %).

Для повышения устойчивости пленки ТОАО и снижения влияния влажности воздуха на обнаружение паров керосина электроды предварительно экранировали неполярным сорбентом - полистиролом (ПС) [4]. При низкой чувствительности к парам керосина пленка ПС характеризуется высокой устойчивостью m10 = 0,002 %, селективностью А 90 %. Установлено, что оптимальное соотношение масс подложки из ПС и активного компонента ТОАО составляет 1:4 (табл. 1). Время регенерации датчика (д, с), которую проводили аэрацией герметичной камеры, также зависит от состава пленочного покрытия и увеличивается при повышении содержания активного компонента.

Таблица 1 - Характеристики сорбции паров керосина на пленочном покрытии ПС/ТОАО с различным соотношением масс сорбентов (приведены средние значения 10 циклов сорбции-десорбции)

В лабораторных условиях установлено время срабатывания датчика (ср, с) от момента ввода керосина в герметичную камеру до начала сорбции паров на пленочном покрытии электродов; по датчику JP8 установлено время достижения максимальной концентрации паров (с = 250 мг/м3) в околосенсорном пространстве (max, с); время десорбции (д, с).

Дрейф аналитического сигнала сорбции паров керосина обусловлен особенностями конструкции стендовой установки: в негерметичной ячейке детектирования не достигается концентрационное равновесие в системе сорбат-сорбент. В открытой ячейке детектирования пьезодатчика происходит накопительная сорбция и самопроизвольная десорбция газов и паров при снижении их концентрации в околосенсорном пространстве. При проведении натурных испытаний контролировали дрейф базовой линии пьезосенсора, зависящий, прежде всего, от погодных условий и состава атмосферы. Установлено, что в течение суток изменение частоты ПКР без нагрузки парами керосина может составлять до 120 Гц. Поэтому в датчиках непрерывного действия на основе пьезосенсора во избежание ложных срабатываний целесообразно применять не абсолютный аналитический сигнал, а скорость его изменения (Fc/, Гц/с). Результаты натурных испытаний пьезодатчика представлены на рисунке 1 в виде дифференциальной хроночастотограммы.

Время отклика датчика (от момента ввода пробы до появления максимума на хроночастотограмме) уменьшается по мере увеличения концентрации паров керосина в воздухе: максимальное ср = 15 с при детектировании паров c концентрацией 3 мг/м3; при увеличении концентрации керосина в воздухе до 900 мг/м3 ср уменьшается в 3 раза.

Рисунок 1 - Дифференциальная хроночастотограмма сорбции на пленке ПС/ТОАО паров керосина с различными концентрациями в околосенсорном пространстве

Для установления влияния перепадов температур на результаты детектирования паров авиационного керосина ПКР охлаждали и нагревали элементом Пельтье от -20 до +40 С. Отклонения частоты колебаний пьезосенсора от базовый линии начинаются при понижении температуры до -12 С и составляют 15-30 Гц. С учетом высокой чувствительности пленочного покрытия электродов ПКР к парам керосина (1 Гц м3/мг) влияние температуры на их определение можно считать незначительным.

Таким образом, разработанный макет датчика паров авиационного керосина на основе пьезокварцевого резонатора, модифицированного ТОАО с полистирольной подложкой, характеризуется быстротой срабатывания (5-15 с), широким интервалом рабочих температур (изучено от - 20 до +40 С). Изменения относительной влажности и химического состава атмосферы на детектирование паров керосина не влияют. Время работы датчика без поверки составляет 2 месяца, при обнаружении неисправности пьезосенсора (срыв автоколебаний), он легко заменяется. Датчик может быть оснащен звуковой или световой сигнализацией, а также благодаря стандартным аналоговым сигналам и интерфейсу он совместим с различными системами электронного управления и автоматизации.

Список литературы

1. Спиридонов Е.Г. Проблемы загрязнения приземного слоя атмосферы в зоне обслуживания воздушных судов. Воронеж: ВВАИИ, 2004. 120 с.

2. Каттрал Р.В. Химические сенсоры. М.: Научный мир, 2000. 144 с.

3. Пецев Н., Коцев Н. Справочник по газовой хроматографии. М.: Мир, 1987. 264 с.

4. Кочетова Ж.Ю. Дис. канд. хим. наук. Саратов: СГУ, 2003. 148 c.

Размещено на Allbest.ru