Термокондуктометрическое устройство контроля утечек потенциально опасных газов на основе полевых транзисторов

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ.

Одним из основных критериев качества технологического оборудования и коммуникаций и их безопасной работы является герметичность. При своевременном проведении контроля герметичности указанных выше объектов и устранении обнаруженных неполадок можно продлить срок их службы, увеличив показатели надежности, снизить материалои энергоемкость, повысить производительность, уменьшить потери сырья и получаемого технологического продукта. Следует учесть, что многие вещества, используемые и получающиеся на химических предприятиях, применяемые в различных областях науки и техники, являются токсичными, экологически вредными, взрывоили пожароопасными. Поэтому при отсутствии постоянного контроля утечек потенциально опасных веществ может произойти чрезвычайная ситуация, которая повлечет за собой возможную нетрудоспособность обслуживающего персонала, а также дополнительные материальные вложения на ликвидацию последствий аварии.

Для того, чтобы избежать непредвиденных аварийных ситуаций необходимо контролировать состояние технологического оборудования не только при изготовлении, но и в процессе его эксплуатации. Выбор' способа поиска течей, степень его автоматизации, а также эффективность испытаний зависит от размеров и конструктивных особенностей изделий, от условий последующей эксплуатации, от типа рабочей среды и соответствия ее свойств свойствам пробного вещества, от доступности * герметизирующих соединений для проникновения к ним пробных веществ и т. п.

При диагностике состояния технологического оборудования на ранних стадиях развития разного рода дефектов прямо в процессе эксплуатации без его остановки (в том числе крупногабаритных и протяженных объектов) накладывает целый ряд ограничений, в частности, из-за того, что в качестве пробного вещества приходится использовать рабочее вещество и емкости нельзя вакууммировать (из-за этого применимы не все методы контроля герметичности) — оборудование, как правило, не очень удобно размещено в промышленном помещенииимеет дополнительные приспособления, подключенные коммуникации и приборы, которые мешают проведению испытаний не только в автоматическом, но даже в ручном режиме поиска утечеки, кроме того, на работающем технологическом оборудовании возникают дополнительно наиболее вероятные места возможного возникновения течей (фланцевые и резьбовые соединения, сальниковые уплотнения, др.).

Поэтому необходимо особенно тщательно выбирать метод детектирования, тип чувствительного элемента и степень автоматизации процесса. Существующие детекторы, (используемые в промышленности) основанные на каталитическом горении, масс-спектрометрии, электро-химических процессах имеют ряд существенных недостатков, таких как сложность обслуживания, длительное время подготовки, габариты, стоимость и др.

Необходимо расширять номенклатуру чувствительных элементов течеискателей, вводя новые типы датчиков. Наиболее перспективными в настоящее время являются полупроводниковые датчики. На их базе возможно построение портативных и недорогих приборов. Говоря о чувствительных элементах нельзя не упомянуть о сложности обработки дефектоскопического сигнала и мерах, необходимых для поддержания рабочих режимов датчиков. В настоящее время большинство операций по выделению и расшифровке полезного сигнала, а также контроль за работой приборов осуществляется вручную. Это требует высокой квалификации оператора и наработки огромного статистического материала о встречающихся дефектах. Для исключения субъективного* фактора в определении параметров дефекта и повышения достоверности полученных результатов необходима автоматизация всех процессов детектирования утечек (считывание информации, первичная и вторичная обработка дефектоскопической информации, а также поддержания оптимальных рабочих режимов системы детектирования при различных условиях контроля).

Введение

микропроцессорной системы управления процессами измерения и обработки сигнала позволит использовать сложные математические алгоритмы повышающие достоверность и информативность контроля. ЦЕЛЬЮ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ являются экспериментальные и теоретические (с помощью методов математического моделирования и системно-структурного анализа) исследования характеристик новых полупроводниковых элементов, а также разработка и создание универсального портативного течеискательного устройства на их основе для контроля герметичности технологического оборудования и коммуникаций в процессе эксплуатации.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

Проведен сравнительный анализ полупроводниковых датчиков различного типа по температурным, вольт-амперным и метрологическим характеристикам и показано, что при решении задач контроля герметичности предпочтительнее использовать датчик на ПТУП с целью повышения чувствительности и быстродействия контроля, а также расширения рабочего температурного диапазона в область отрицательных температур.

Выявлены особенности поверхностных и объемных физических процессов, происходящих в структуре полевого транзистора, используемого в качестве чувствительного элемента, при нестандартном способе включения ПТУП в прямом смещении на р-п переходе. Теоретически и экспериментально обосновано включение ПТУП в измерительную схему при напряжении на управляющих электродах в прямом смещении до исм=0^-0,5 В, позволяющее существенно увеличить чувствительность контроля за счет уменьшения собственных шумов датчика при максимальной температурной нестабильности, уменьшить время реагирования и восстановления датчика, повысить надежность прибора.

Разработана математическая модель процесса взаимодействия пробного газа с чувствительным элементом течеискательного устройства, отражающая влияние различных технологических параметров на эффективность процесса детектирования утечек.

Впервые достигнут порог чувствительности по потоку водорода (0т1п=5.4 *10''мс, Па/с), чувствительным элементом данного типа, выявивший диапазон применения приборов и систем течеискания, разрабатываемых на базе полевого транзистора с управляющим р-п переходом (ПТУП).

Найдены оптимальные значения таких параметров детектирования, как скорость прохождения чувствительного эл. емента относительно течи (3−15 мм/с), расход смеси через камеру (2−6 л/ч), коэффициент теплопроводности технологического газа и др., что позволило определить лучшие по быстродействию и чувствительности контроля параметры системы сканирования и алгоритмов обработки дефектоскопической информации, а также способствующие обоснованой разработке методик контроля,.

Разработаны (на уровне изобретений и полезных моделей) и созданы новые конструкции термокондуктометричеоких течеискательных устройств и их узлов.

Разработан новый математический алгоритм обработки сложного дефектоскопического сигнала и автоматического управления технологическими процессами, учитывающие специфику операций контроля и степень их автоматизации, габариты и геометрию объектов контроля, условия проведения испытаний, реализованный при создании соответствующего программного продукта.

НАУЧНАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ.

Определены новые зависимости влияния количества пробного вещества на характеристики полупроводниковых датчиков, в т. ч. и с р—п переходами, позволяющие рассчитывать параметры процесса автоматизированного поиска утечек на поверхности технологического оборудования и коммуникаций.

Разработан принципиально новый тип термокондуктометрического детектора, нашедшего применение в течеискании и экомониторинге. Проведена оптимизация технологических параметров чувствительного элемента на основании характеристик, полученных при детектировании объектов контроляувеличен порог чувствительности и получено большее быстродействие по сравнению с серийно выпускаемыми приборами подобного типа.

Предложена методика инженерных расчётов при проектировании автоматизированных устройств определения мест течей на основе полевых транзисторов с р-п переходом.

Создана программа, осуществляющая алгоритмы обработки дефектоскопической информации, учитывающие специфику объектов контроля и степень автоматизации процесса детектирования.

РЕАЛИЗАЦИЯ И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Результаты проведенных исследований реализованы в виде:

— математической модели процесса детектирования утечек технологических газов полупроводниковыми чувствительными элементами, реализующими термокондуктометрический метод;

— детектора нового типа с чувствительными элементами в виде полевых транзисторов с управляющим р-п переходом ;

— универсального портативного течеискательного устройства со встроенной автоматической системой обработки дефектоскопического сигнала и поддержки рабочих параметров прибора;

— программы обработки дефектоскопической информации и автоматического управления технологическими процессами, учитывающей специфику операций контроля и степень их автоматизации, габариты и геометрию объектов контроля, условия проведения испытаний и т. п.

Результаты исследований внедрены в учебный процесс по специальности 21.02 «Автоматизация технологических процессов и производств». Имеются акт внедрения алгоритмов в ООО «Орлекс» г. Орел, акты промышленных испытаний в ЗАО «Завод «Измеритель» г. Санкт-Петербург.

ОБЪЕМ РАБОТЫ.

Диссертация состоит из введения. четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 193 страниц текста, 4 6 рисунков, 12 таблиц, список литературы из 7 6 наименований. В приложении 3 акта испытаний и внедрений.

Основные результаты работы:

1. Проведен сравнительный анализ различных электротехнических датчиков, в том числе полупроводниковых структур, отбираемых по чувствительности к температурным изменениям и низкому коэффициенту шума с точки зрения их примечания в качестве. чувствительного элемента термокондуктометрического течеискателя.

2. Дано теоретическое ч. экспериментальное обоснование использования полевого транзистора с управляющим р-п переходом как высокочувствительного миниатюрного датчика систем поиска утечек различных газов. Обоснован оригинальный режим работы чувствительных элементов, позволивший с успехом применить недостатки ПТУП, проявляющиеся при работе * их в обычных электрических схемах. Показано, что лучшие характеристики ПТУП дат при 1] зи <0 (прямое смещение).

3. Разработана и исследована математическая модель процесса поиска утечек с помощью датчика на ПТУП, с учетом поверхностных и объемных процессов, происходящих в ызахчроэл ок трояком датчике при детектировании газов. Аналитически: по.-:—. статическая характеристика чувствительного элемента ЛТУй,.

4. Произведен системноструктурный анал>:'-' :рс .-всса поиска утечек автоматизиров лнноп системой на основе термокондуктометрического метода, а' также построена структурная модель процесса автоматизированного поиска утечек (ПАПУ), позволяющие использовать полученную алгоритмическую структуру при интеграции ПАПУ в автоматизированный технологический процесс комплексного контроля и изготовления газонаполненных изделий.

5. Теоретически и экспериментально исследованы параметры процесса поиска течей. Определено влияние скорости прокачки смеси через канал с чувствительным элементом и скорости перемещения датчика по поверхности объекта контроля на чувствительность и динамические характеристики прибора. Определены оптимальные диапазоны этих пграмечров.

6. Разработана методика ин^елерчол-о расчета термокондуктометрических автоматизировании4- средств контроля состояния технологического оборудования и кс^учлкацмй с учетом типа чувствительного элемента ЯТУП) к анализируемого газа.

7. Разработано и опробовано портативное универсальное течеискательное устройство, позволяющее проводить контроль герметичности технологического оборудования и коммуникаций на месте эксплуатации.

8. Создана программа обработки дефектоскопической информации термокондуктометрического течеискательнсго устройства на ПТУП с учетом габаритов и формы объектов контроля, степени автоматизации и условий проведения процесса детектирования и т. п., а также с возможностью эксплуатации ее з ре-киме имитатора для проверки работы и оценки точности определения параметров течей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.