Значение между 0,0 и 1,0 представляют собой процент от всех отказов, которые будут разрушительными и считаются заказчиком серьезными.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Особенности этой методологии состоят в том, что она:
— открыто признает и учитывает специально (назначаемые) устроенные проблемы;
— учитывает перспективные модели надежности пользователя (или общий уровень системы);
— продвигает межорганизационные обязательства по безотказности, готовности и ремонтопригодности;
— количественно классифицирует усилия разработчиков, влияющих на улучшение надежности;
— в течение всего цикла разработки внимание сосредоточено на оперативной памяти.
ЛИТЕРАТУРА
1. Handbook of 217Plus™ Reliability Prediction Models, RIAC-HDBK-217Plus, 26 May 2006.
2. Петрухин Б. П. Особенности прогнозирования надежности систем и устройств по методике 217Plus™. Ч. 1. Модели интенсивности отказов компонент // Датчики и системы. - 2014. - № 6. - С. 37-43.
3. Environmetal stress screening (ESS) of electronic equipment. Military handbook. MIL-HDBK-344B // Department of defense, Washington DC 20301. 16 August 1993.
4. Denson W. K., Keene S. — New System Reliability Assessment Methodology, 1998.
Борис Петрович Петрухин — канд. техн. наук, вед. научн. сотрудник Института проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН.
E-mail: bppet@ipu.ru □
УДК 681.586.73:622.81
ИНФРАКРАСНЫЙ СЕНСОР ДЛЯ КОНТРОЛЯ ДОВЗРЫВООПАСНЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ГОРЮЧИХ ГАЗОВ И ПАРОВ ГОРЮЧИХ ЖИДКОСТЕЙ
А. А. Макеенков
Представлен оптико-абсорбционный инфракрасный сенсор для контроля довзрывоопасных концентраций газов и паров горючих углеводородных соединений. Описана конструкция и даны технические характеристики сенсора.
Ключевые слова: довзрывоопасные концентрации, оптико-абсорбционный инфракрасный сенсор, оценка чувствительности, выходные характеристики.
Задача объективного контроля довзрывоопасных концентраций горючих газов и паров горючих жидкостей занимает важное место в обеспечении промышленной безопасности в нефтегазодобывающей и перерабатывающей промышленности, а также при транспортировке и хранении газо- и нефтепродуктов [1]. Взрывоопасные зоны помещений и территории вблизи наружных технологических установок, в которых возможно образование взрывоопасных сме-
сей газов и паров [2], являются предметом особого внимания и требуют применения надежных и высокоточных средств измерения со стабильными во времени техническими характеристиками.
В настоящее время для обеспечения контроля довзрывоопас-ных концентраций горючих газов и паров горючих жидкостей наиболее широко используются термокаталитические [3], полупроводниковые [4] и оптические [5] сенсоры.
Принцип работы термокаталитических сенсоров основан на каталитическом взаимодействии нагретой платиновой нити и горючих газов [6]. Смесь паров воздуха и газа, попадая на раскаленную нить, сгорает в присутствии катализатора, и тем самым увеличивает температуру нити. Увеличение температуры нити влечет за собой увеличение сопротивления цепи, что в конечном итоге преобразуется в сигнал, несущий информацию о концентрации находящихся
в среде горючих компонентов. Термокаталитические сенсоры обладают высоким быстродействием. Однако им свойственен ряд существенных недостатков, к которым можно отнести ограниченный срок службы, уменьшение чувствительности с течением времени, необходимость наличия в измеряемой среде кислорода для обеспечения возможности окисления горючего газа. Кроме того, ряд газов и паров, присутствующих в контролируемой атмосфере, могут отравлять сенсор.
Тем не менее, несмотря на их недостатки, термокаталитические средства измерения благодаря простоте конструкции являются экономически выгодными для контроля довзрывоо-пасных концентраций горючих веществ.
Принцип действия полупроводниковых сенсоров основан на изменении электрофизических характеристик адсорбента в результате взаимодействия с молекулами детектируемого газа [7]. Среди преимуществ сенсоров данного типа можно отметить высокую чувствительность, а также низкую стоимость изготовления. Однако, отсутствие селективности, отравляемость и недолговечность сенсора, а также высокая погрешность измерений налагают существенные ограничения на использование полупроводниковых сенсоров в приборах и системах контроля довзрывоопасных концентраций.
Оптические сенсоры, построенные по технологии NDIR (non-dispersive infrared — оптико-абсорбционный метод измерения) по целому комплексу параметров значительно превосходят термокаталитические и полупроводниковые сенсоры. Неоспоримые достоинства опти-
ческих сенсоров включают: высокую стабильность нуля, чувствительность, селективность, быстродействие, устойчивость к воздействию агрессивных сред и неотравляемость повышенными концентрациями контролируемых и сопутствующих газов, способность функционировать в бескислородной среде [8]. К недостаткам можно отнести относительную сложность и как следствие — дороговизну конструкции, а также их достаточно большое энергопотребление.
Перспективным направлением в области разработки газоаналитических систем для контроля довзрывоопасных концентраций горючих газов и паров горючих жидкостей в настоящее время можно считать технологию ЫБШ с применением полупроводниковых элементов (све-тодиодов и фотодиодов), обладающих оптимизированными спектральными характеристиками в диапазоне 3000...4000 нм [9]. Использование подобной технологии позволяет значительно снизить энергопотребление сенсора в сравнении с сенсорами, построенными на традиционно применяемой элементной базе. Это, в свою очередь, позволит использовать их в качестве беспроводных автономных газовых сенсоров, работающих в составе беспроводных сенсорных сетей для мониторинга состава газовой среды в целях обеспечения промышленной безопасности [10]. В частности, известен оптический сенсор взрывоопасных газов с ультранизким энергопотреблением [11], изготовленный на основе гетерогенных полупроводниковых структур. Данный сенсор имеет рекордно низкое энергопотребление — 5 мВт. В то же время недостатком сенсоров данной конструкции яв-
ляется низкая температурная и долговременная стабильность.
Общим существенным недостатком всех применяемых в настоящее сенсоров является неоднозначность значения коэффициента относительной чувствительности между поверочным, как правило, метаном, и определяемым компонентом (горючими газами и парами горючих жидкостей) во всем диапазоне измерения, проявляющаяся ввиду определения этого значения при настройке в одной точке выходной характеристики сенсора. Нормирование пределов допускаемой основной и дополнительной погрешностей по поверочному компоненту также не дает конечному пользователю достаточной информации о суммарной погрешности средства измерений по определяемому компоненту.
В данной статье представлены экспериментальные результаты по разработке и исследованию параметров оптико-абсорбционного инфракрасного сенсора для довзрывоопасных концентраций горючих газов и паров горючих жидкостей в отраслях нефтегазовой промышленности. Целью работы являлось создание сенсора, способного контролировать до 30 компонентов и при этом имеющего индивидуальное нормирование пределов допускаемой основной погрешности по каждому определяемому компоненту и нормирование пределов допускаемой дополнительной погрешности по определяемым компонентам для реальных условий эксплуатации (рабочей температуры, давления, влажности).
Принцип работы оптико-абсорбционного сенсора основан на регистрации изменения интенсивности излучения, взаимо-
Рис. 1. Спектры поглощения углеводородов (метан СН4, этан С2Щ, пропан СзН8, бутан С4Н10, пентан С5Н12, гексан С6Н14)
Рис. 2. Структурная схема сенсора
действующего с исследуемой газообразной средой на некоторых характерных для этой среды длинах волн. Выделение рабочего диапазона длин волн из широкополосного спектра излучателя происходит с применением интерференционных фильтров. При разработке сенсора, способного контролировать до 30 компонентов, подобная традиционная схема построения первичного преобразователя осложняется необходимостью детектирования широкой номенклатуры веществ, спектральные характеристики поглощения которых имеют существенные различия (рис. 1). В связи с этим при разработке сенсора решались задачи по совместной оптимизации параметров спектральных характеристик интерференционных фильтров и селективного отражателя (1, т) [12, 13] оптической системы и конструкции элементов оптического канала сенсора (Ь) [14].
Структурная схема опытного образца сенсора представлена на рис. 2. Основными элементами конструкции сенсора являются источник и приемник излучения, селективный отражатель и плата обработки и связи. Оптическая схема сенсора построена по двухканальной схеме измерения с применением рабочего (измерительного) и опорного (сравнительного) каналов.
Зондирующее излучение /0, пройдя через газовую кювету с анализируемым компонентом длиной Ь и отразившись от селективного отражателя, поступает на двухканальный пироэлектрический приемник. Сигналы с рабочего и и опорного каналов и0 пироприемника преобразуются с помощью АЦП микроконтроллера в цифровую форму.
Далее из сигналов пиропри-емника полосовыми цифровыми фильтрами выделяются сигналы на частоте модуляции и удаляются шумы, сигналы выпрямляются с помощью фазоне-зависимого выпрямителя и цифровым фильтром низкой частоты выделяется постоянная составляющая сигналов. Полученная разность сигналов рабочего и опорного каналов является мерой содержания определяе-
мого компонента в анализируемой пробе. Для обеспечения требуемых метрологических характеристик в условиях воздействия пониженных и повышенных температур окружающей среды вводятся поправки. Далее проводится линеаризация характеристики преобразования сенсора с получением значения измеренной концентрации определяемого компонента в анализируемом газе. Значение измерен-
D2
ADC6 MCU
ADC8 BM
ADC7 P0,4
ADC9 SIN
ADC5 SOUT
ADC3 P2,0
ADC2 RST
AVDD DVDD
AGND DGND
GND SW
+2,5 VD A
29 P R12 10
25 11
3 12
4 *13
26
IZL
1 R11
+5 В
2sl +2,5 VD I- J*» R14
27 _
"L£rC7
+2,5 VD
C5
C6
1
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.