WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Сопротивление датчика в метане определяется как:

1 l Rг =, (2) np - nd qµpS где nd - концентрация свободных электронов в материале датчика, обусловленных адсорбцией и ионизацией молекул метана.

Знак минус между np и nd объясняется тем, что электроны молекул метана рекомбинируют с дырками, в результате - количество свободных носителей заряда в материале датчика уменьшается.

Чувствительность датчика, т. е. отношение сопротивлений датчика в присутствии метана и без него, равна:

Rг np = =. (3) R np - nd Зависимость количества адсорбировавшихся и ионизировавшихся молекул от концентрации СH4 и рабочей температуры датчика имеет следующий вид:

kT N = N0e, (4) где N0 - число молекул, адсорбировавшихся на поверхности датчика при данной концентрации СH4; =8.4·10-21 Дж - энергия адсорбции и ионизации примеси материала датчика, определена экспериментально; k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура.

Число адсорбировавшихся молекул СH4 при постоянной температуре (изотерма адсорбции) определяем как:

N0 = kaCkmSд, (5) где С - концентрация метана; km - коэффициент, обратно пропорциональный массе молекулы газа; Sд - площадь поверхности датчика;

ka и - коэффициенты адсорбции материала датчика, по нашим исследованиям равны соответственно 5.4·10-11 и 0.1.

Уравнение (4) принимает следующий вид:

kT N = kakmCSдe. (6) Концентрацию электронов nd, обусловленных адсорбцией метана на поверхности материала датчика, усредняем по объему полупроводника и определяем по формуле:

N nd = (7) l S или с учетом (6) kakmSд - kT kT nd = Ce = knCe, (8) lS где kn - константа.

Из полученных результатов можно сделать следующие выводы. С ростом концентрации метана в атмосфере производственных помещений нефтегазового комплекса при постоянной рабочей температуре сопротивление датчика СH4 увеличивается. Это объясняется формулами (2) и (8), т. е. под действием адсорбции метана растет концентрация электронов, которые уменьшают проводимость, обусловленную примесями в полупроводниковом материале датчика. С ростом рабочей температуры датчика при постоянной концентрации метана его чувствительность падает, т. к. концентрация собственных носителей заряда в материале датчика растет быстрее количества электронов, обусловленных адсорбцией метана (3).

Полученные выражения (2) и (3) и (8) для электрофизических параметров датчика СH4 позволяют рассчитать его сопротивление и чувствительность в зависимости от концентрации метана (в диапазоне от 0,05 до 0,5% об.) и рабочей температуры (от 50 до 70 оС).

Разработанный датчик способствует снижению пожарной опасности в помещениях нефтегазового комплекса и может являться эффективным средством предупреждения пожаров в силу высокой чувствительности (0,05% об.) и рекордно низкой рабочей температуры (50о С).

В третьей главе изложена методика и результаты экспериментальных исследований условий работы датчика концентрации метана в производственных помещениях нефтегазового комплекса. Повышение качества контроля СH4 на предприятиях нефтегазового комплекса связано с детальными исследованиями влияния концентрации метана, рабочей температуры и времени воздействия СH4 на датчик. Кроме того, теоретические исследования влияния условий работы датчика метана на его электрофизические характеристики, рассмотренные во второй главе, нуждаются в экспериментальной проверке. Оценка влияния разных факторов на сопротивление и чувствительность датчика проводилась с использованием метода статистического планирования эксперимента, которому предшествовали поисковые исследования с целью выбора воздействующих факторов и обоснование уровней их варьирования. Реализован план эксперимента 33. В качестве воздействующих факторов приняты концентрация метана, рабочая температура и время воздействия СH4 на датчик.

Экспериментальные исследования проводились с датчиком, конструкция которого приведена на рис. 1. Подложка датчика состоит из ситалловой пластины 3 размером 10х10х1 мм с изготовленными на ее поверхности методом фотолитографии встречно-штыревыми электродами 1.

1 100мкм Рис. 1. Датчик газа метана.

1- растровые электроды;

10мм 2 – слой фталоцианина магния;

3 – ситалловая подложка. 10мм Зазор между электродами а =100 мкм, длина зазора L=1476 мм, толщина (высота) слоя электрода h=1 мкм. Для нанесения на подложку слоя органического полупроводника 2 использовался метод вакуумной сублимации на установке ВУП-4.

В результате проведенного полного факторного эксперимента получили следующие уравнения регрессии для сопротивления R и чувствительности датчика:

R = 24.7 +10.2C - 9.29t + 4.69 - 4.07C2 -1,78t2 - 2.71 ; (9) - 5.67Ct + 2.57C - 2.45t -1.23Ct =12.3 + 4.34C -1.59t + 2.15 -1.87C2 - 2,78t2 -1.19. (10) -1.19Ct +1.02C - 0.46t - 0.26Ct Воспроизводимость результатов оценивалась по критерию Кохрена.

Проверка моделей (9) и (10) по критерию Фишера подтвердила их адекватность.

Из (9) и (10) получены частные уравнения регрессии и построены зависимости сопротивления и чувствительности датчика при фиксировании факторов на различных уровнях. На рис. 2 представлены зависимости сопротивления датчика метана от времени при различных концентрациях СH4 и рабочих температурах. Сделан вывод, что время необходимое для измерения составляет 30 с.

Рис. 2. Зависимости сопротивления датчика от времени при различных концентрациях метана и рабочих температурах:

1 - С=0,5% об., t=70 оС, R = 14.1+ 3.58 - 2.71 ;

2 - С=0,28% об., t=60 оС, R = 24.7 + 4.69 - 2.71 ;

3 - С=0,05% об., t=50 оС, R = 12.3 + 3.34 - 2.71.

При изучении влияния концентрации метана и рабочей температуры на сопротивление и чувствительность датчика фактор времени фиксировали на верхнем уровне. На рис. 3 приведены зависимости чувствительности датчика СH4 от рабочей температуры при различных концентрациях метана.

Анализируя рис. 3, установили, что чувствительность датчика имеет максимум, который находится в диапазоне температур t =50...70 оС.

Рис. 3. Зависимости чувствительности датчика от рабочей температуры при различных концентрациях метана:

1 - С=0,5% об., =120 c, = 16.8 - 3.5t - 2.78t2 ;

2 - С=0,28% об., =120 c, = 13.3 - 2.05t - 2.78t2 ;

3 – С=0,05% об., =120 c, = 6.07 - 0.6t - 2.78tПри определении оптимальных параметров работы датчика метана, которые соответствуют максимальной чувствительности, функция отклика (10) исследована на максимум, построены поверхности отклика и их горизонтальные сечения. На рис. 4 приведена одна из таких поверхностей = f (C, t). Получили максимальную чувствительность датчика max =17.при С =0,5% об. и t =52 оС.

о В качестве оптимальной рабочей температуры принимаем t =50 С, т. к.

чувствительность при данной температуре ( =16.8) отличается от максимальной незначительно, а величина измеряемого сопротивления датчика значительно уменьшается. Исследование зависимости сопротивления датчика от концентрации метана проводилось при рабочей температуре 50 оС (рис. 5).

Рис. 4. Зависимость чувствительности датчика от концентрации метана и рабочей температуры:

=13.3+ 5.36C- 2.05t -1.87C2 - 2.78t2 -1.45Ct С целью практического применения датчика концентрации СH4 в нефтегазовом комплексе было проведено исследование его старения с помощью камеры искусственного климата при воздействии метана (концентрации от 0,05 до 0,5% об.) в течение 500 часов, различных температурах окружающей среды (от 2 до 50 оС) и влажностях воздуха (от до 95 %), что соответствует параметрам среды производственных помещений нефтегазового комплекса. В результате эксперимента сопротивление датчика возросло на 2-4 %, а чувствительность уменьшилась на 1-3 %.

Рис.5. Зависимость сопротивления датчика R от концентрации метана С при t=50 0С Анализируя результаты теоретических расчетов и экспериментальных исследований влияния концентрации метана и рабочей температуры на электрофизические характеристики датчика (табл. 1, 2), отмечаем, что с учетом доверительного интервала имеет место расхождение результатов до 10 %.

Таким образом, существует удовлетворительная сходимость между теоретическими и экспериментальными значениями сопротивления и чувствительности.

Таблица Сравнение теоретических и экспериментальных данных по сопротивлению датчика метана при рабочей температуре t =50 оС Относительная C, Сопротивление, Ом погрешность, % % об.

теоретическое экспериментальное 0.05 9.7·106 9.8·106 1.0.16 18.8·106 19.3·106 2.0.28 25.6·106 26.7·106 4.0.39 30.5·106 32.1·106 5.0.5 32.9·106 35.4·106 7.Таблица Сравнение теоретических и экспериментальных данных по чувствительности датчика метана при С= 0,05% об.

Относительная t, оС Чувствительность погрешность, % теоретическая экспериментальная 50 13.9 12.6 -9.55 13.4 13.6 1.60 12.8 13.3 3.65 11.2 11.6 3.70 8.1 8.47 4. о Рабочую температуру датчика варьировали в интервале 50...70 С.

Это объясняется тем, что в этом интервале чувствительность именно к метану по данным обзора и собственных поисковых исследований о максимальна. Верхняя граница - 70 С объясняется тем, что при высоких температурах собственная проводимость чувствительного слоя датчика возрастает и влияние адсорбции метана на проводимость полупроводника становится значительно менее заметным, кроме того, начинаются процессы десорбции метана; нижняя - 50 оС - тем, что сопротивление датчика при этой температуре значительно возрастает и погрешность его измерения может достигнуть недопустимых размеров (начинает сказываться влияние сопротивления изоляции, а также электромагнитные помехи). При более низких температурах быстродействие датчика становится недопустимым.

Кроме этого, при температуре 50о С влияние влажности на характеристики датчика минимальное и позволяет пренебречь ею.

В четвертой главе разработаны технические средства обеспечения контроля концентрации метана в нефтегазовом комплексе, приведены их принципиальные электрические схемы, технические и метрологические характеристики. Разработанные средства учитывают специфику среды применения, как-то: окружающая среда с часто изменяющейся температурой и влажностью, недопущение возникновения искр и тления и пр. Датчик о метана работает на рекордно низкой температуре (50 С), что исключает возможность возникновения искр, кроме этого такая температура обеспечивает снижение влияния влажности на процессы, протекающие в нем.

Из теоретических и экспериментальных исследований получены зависимости сопротивления и чувствительности датчика от концентрации СH4, рабочей температуры и времени измерения, кривые старения датчика. На основании этих данных разработаны измерители концентрации метана (СМ) для предприятий нефтегазового комплекса и устройства непрерывного контроля СH4 для систем автоматизированного микроклимата.

Обобщенная структурная схема средств контроля концентрации метана представлена на рис. 6.

Рис. 6. Структурная схема средств контроля концентрации метана:

1 - датчик метана, 2 - преобразователь, 3 - отображающее (для измерителей СМ) или исполнительное (для систем микроклимата), 4 - стабилизатор температуры датчика, 5 - источник питания Разработано несколько вариантов измерителя СМ с различными схемными решениями включения датчика для предприятий нефтегазового комплекса различной специализации: аналоговые измерители концентрации метана СМ1 и СМ-2, измерители концентрации СH4 с цифровой индикацией СМ-3, СМ4 и СМ-5. Их характеристики сведены в табл. 3.

Таблица Характеристики измерителей концентрации метана Показатель СМ СМ-2 СМ-3 СМ-4 СМ-Пределы измерения 0,1..0,5 0,1..0,5 0,05..0,5 0,05..0,5 0,05..0,концентрации СH4, % об.

Рабочая температура 50 50 50 50 датчика, оС Время, необходимое на 6 4 3 1 0,измерение, мин.

Погрешность 30 20 15 20 измерения, % Потребляемая мощность (не 25 10 5 6 0,более), Вт Габаритные 200х200х140 200х200х140 180х180х120 180х180х120 110х60хразмеры, мм Масса, кг 3 3 2 2 0,Стоимость лабораторного 2100 4150 6230 12500 образца, руб.

На рис. 7 приведена принципиальная электрическая схема устройства непрерывного контроля и регулирования концентрации метана релейного типа для системы автоматизированного микроклимата. Она включает:

измерительный мост R1-R4 c датчиком метана R2, усилитель на микросхеме DA1, компаратор DA2 и сигнальный светодиод V2 (исполнительное устройство - реле К1, пускатель К2, двигатель привода вентилятора М1).

Блок питания устройства и стабилизатор температуры датчика СH4 не показаны. При превышении концентрации метана нормы загорается V(включается двигатель М1).

Рис. 7. Принципиальная электрическая схема системы контроля и регулирования концентрации метана Рабочие условия эксплуатации средств контроля метана: температура от о 40 до +40 С; относительная влажность до 95 % (при отсутствии конденсации); атмосферное давление от 86 до 106 кПа; напряжение сети В от -15 до +10 % частотой 50±1 Гц.

В пятой главе определена технико-экономическая эффективность применения средств контроля метана в нефтегазовом комплексе. Расчетный годовой экономический эффект от внедрения разработанных технических средств контроля метана составил 2882,01 руб.

Заключение.

В диссертационной работе представлено новое решение актуальной научной задачи – повышение уровня пожарной безопасности на предприятиях нефтегазового комплекса путем разработки более совершенного сигнализатора метана на основе чувствительного датчика изготовленного с использованием органического полупроводника.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. По уникальной технологии (патент №2231052 от 20.06.2004) разработан датчик метана, отличающийся рекордно низкой рабочей температурой (50 оС) и простотой изготовления. Датчик позволил улучшить качество контроля метана за счет высокой чувствительности и простоты измерения (концентрация СH4 определяется посредством измерения активного сопротивления чувствительного слоя датчика).

2. Получены математические модели, устанавливающие количественные связи между электрофизическими характеристиками датчика метана и условиями его работы в среде помещений нефтегазового комплекса.

Сравнение расчетных и экспериментальных зависимостей показали совпадение результатов в пределах 10 %.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»