Метод и система теплового контроля поглотительной способности пластин хемосорбентов на основе супероксида калия в установках регенерации воздуха тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Рязанов Иван Викторович

• Рязанов Иван Викторович
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Рязанов Иван Викторович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ ДЛЯ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ПОГЛОТИТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ СОРБЕНТОВ В СРЕДСТВАХ ЗАЩИТЫ ОРГАНОВ ДЫХАНИЯ

1.1 Предисловие

1.2 Системы индикации поглотительной способности на основе органолептических методов. История развития и современное состояние

1.3 Системы индикации поглотительной способности на основе инструментальных методов. История развития и современное состояние

1.4 Анализ принципов работы, области применения средств теплового контроля физико-химических свойств сорбентов и перспектив их использования при контроле

поглотительной способности хемосорбентов

Основные результаты и выводы по первой главе диссертации

ГЛАВА 2. НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА ТЕПЛОВОГО ЭКСПРЕСС-КОНТРОЛЯ ПОГЛОТИТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ ПО ДИОКСИДУ УГЛЕРОДА ПЛАСТИНЫ ХЕМОСОРБЕНТА

2.1 Математическое описание процессов тепло- и массопереноса в пластине хемосорбента на основе супероксида калия, омываемой воздушной смесью с поглощаемым диоксидом углерода и парами воды

2.1.1 Установка для проведения измерений и методика исследований

2.1.2 Результаты исследования массопереноса в пластинах хемосорбентов

2.1.3 Результаты исследования теплопереноса в пластинах хемосорбентов

2.1.4 Определение функции измерения поглотительной способности

2.2 Анализ источников погрешностей и теоретическая оценка погрешностей косвенного измерения поглотительной способности

2.3 Метод теплового контроля поглотительной способности хемосорбентов в форме

пластины

Основные результаты и выводы по второй главе диссертации

ГЛАВА 3. ТЕХНИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНО-АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМЫ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ ПОГЛОТИТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ

3.1 Техническое обеспечение системы теплового контроля

3.1.1 Описание основных компонентов системы теплового контроля

3.1.2 Оценка погрешности регулирования температуры и удельной мощности образца сравнения в системе теплового контроля

3.1.3 Алгоритм обработки измерительных сигналов в системе теплового контроля

3.2 Программно-алгоритмическое обеспечение системы теплового контроля

3.2.1 Программно-алгоритмическое обеспечение для проведения настройки и отладки СТК

3.2.1.1 Описание программного обеспечения

3.2.1.2 Методика определения предельных значений поглотительной способности, при достижении которых требуется замена хемосорбента

3.2.2 Программно-алгоритмическое обеспечение для промышленной эксплуатации

системы теплового контроля

Основные результаты и выводы по третьей главе диссертации

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА МЕТОДА И СИСТЕМЫ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ ПОГЛОТИТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ В СОСТАВЕ УСТАНОВКИ РЕГЕНЕРАЦИИ ВОЗДУХА

4.1 Сравнение результатов теплового контроля поглотительной способности пластины хемосорбента с результатами, полученными методом химического анализа

4.2 Экспериментальная проверка метода и системы теплового контроля при работе в

составе установки регенерации воздуха

Основные результаты и выводы по четвертой главе диссертации

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

109

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод и система теплового контроля поглотительной способности пластин хемосорбентов на основе супероксида калия в установках регенерации воздуха»

Актуальность темы исследований.

Очистка воздуха является важной задачей обеспечения жизнедеятельности человека в условиях загрязнения атмосферы продуктами горения, отравляющими химическими веществами, патогенными биологическими агентами. В герметичных и условно герметичных помещениях требуется очистка от продуктов дыхания, преимущественно от диоксида углерода, а также обогащение воздуха кислородом (регенерация).

Указанная задача решается использованием установок регенерации воздуха (УРВ) с фильтрующе-поглощающими элементами (ФПЭ), содержащими хемосорбенты на основе супероксидов щелочных и щелочноземельных металлов, поглощающих СО2 в присутствии паров Н2О с выделением О2.

В процессе эксплуатации УРВ поглотительная способность (ПС) хемосорбентов уменьшается вследствие исчерпания их емкости по поглощаемому диоксиду углерода. Это приводит к росту его концентрации в защищаемом объеме. Поэтому для поддержания безопасных для жизни и здоровья человека концентраций СО2 требуется замена исчерпавших емкость ФПЭ. Решения о замене принимают, в большинстве случаев, по времени работы ФПЭ или при достижении предельных концентраций СО2 в воздухе защищаемого помещения. При этом не учитывают фактическую остаточную емкость хемосорбента. Что влечет риски запаздывания либо преждевременной замены ФПЭ при нештатном режиме работы, возникающем при кратном увеличении нагрузки по диоксиду углерода относительно расчетных значений. Поэтому для повышения оперативности и точности принятия решений о замене ФПЭ при эксплуатации УРВ необходимо осуществлять контроль параметров, характеризующих ПС хемособентов.

В диссертационной работе решается актуальная задача повышения оперативности контроля поглотительной способности по диоксиду углерода пластин хемосорбентов на основе супероксида калия. Решение задачи направлено на повышение надежности и безопасности эксплуатации УРВ, содержащих ФПЭ,

работающих в условиях естественной конвекции очищаемого воздуха на их поверхностях или при слабом обдуве воздухом.

Степень разработанности темы исследования.

Методы и устройства контроля и диагностики ПС сорбентов в средствах защиты органов дыхания появились в первой половине 20-го века (пассивные системы на основе цветовых индикаторов - Yablick М., Dragerwerk H., Wiswesser W. J., Roberts C. C., Громов О. Б., Косандрович Е. Г., Белова С. А., Захарова Н. В., Wing R. E.). Начиная со второй половины 20-го века распространение получают системы на основе измерения сопротивления (химрезистивные датчики) слоя сорбента (Wallace R. A., Stetter J. R., Moon S. M., Lee S., Min H., Park S.), температуры сорбента (Фельдман Р. И., Magnante P. C.) и методы электрохимической импедансной спектроскопии (Cerro G., Ferdinandi M.). Методы, основанные на тепловых эффектах сорбции влаги, паров бензола, диоксида углерода адсорбентами (силикагелями, активными углями) и хемосорбентами на основе супероксидов калия и натрия, разрабатывали и применяли Лычкин И. И., Ризов З. М., Кримштейн А. А., Кондрошов С. Н.

Исследования, проведенные в работе, соответствуют п. 1 паспорта специальности 2.2.8 «Научное обоснование новых и совершенствование существующих методов, аппаратных средств и технологий контроля, диагностики материалов, изделий, веществ и природной среды, способствующее повышению надёжности изделий и экологической безопасности окружающей среды».

Работа выполнена за счет гранта Российского научного фонда № 25-1900272, https://rscf.ru/project/25-19-00272/.

Цели и задачи исследования.

Целью работы является повышение оперативности контроля поглотительной способности по диоксиду углерода пластин хемосорбентов на основе КО2, работающих в составе УРВ в условиях естественной или вынужденной конвекции.

Для достижения цели поставлены и решены задачи:

- провести анализ методов и устройств для контроля и диагностирования поглотительной способности сорбентов в лабораторных условиях и в составе средств защиты органов дыхания;

- разработать метод измерения ПС пластины хемосорбента на основе КО2 при условиях конвективного тепломассообмена на ее границах с окружающей газовоздушной смесью, содержащей поглощаемый СО2;

- выполнить анализ и оценку погрешностей косвенного измерения ПС пластины хемосорбента по мощности источников тепла, действующих в ней при поглощении диоксида углерода;

- разработать техническое и программно-алгоритмическое обеспечения системы теплового контроля (СТК) ПС по диоксиду углерода пластин хемосорбента на основе супероксида калия;

- провести экспериментальную проверку разработанного метода и СТК при работе составе УРВ.

Научная новизна состоит в том, что:

- предложена функция измерения поглотительной способности пластин хемосорбента на основе КО2 в экзотермическом процессе хемосорбции диоксида углерода из окружающего воздуха, представляющая собой линейную зависимость между безразмерной удельной мощностью источников тепла, действующих в пластине хемосорбента, и отношением удельного содержания поглощенного СО2 в хемосорбенте к его сорбционной емкости;

- разработан метод экспресс-контроля ПС по диоксиду углерода плоского контролируемого образца хемосорбента в условиях конвективного тепломассообмена на его границах с окружающей газо-воздушной смесью, содержащей поглощаемый СО2, предусматривающий бесконтактное измерение температуры образца, определение ПС по мощности источников теплоты сорбции, отличающийся тем, что используют образец сравнения, помещенный в те же условия, что и контролируемый образец, измеряют разность температур образцов, регулируют удельную мощность образца сравнения так, чтобы измеряемая разность

температур стремилась к минимуму, определяют искомую ПС по предложенной функции измерения.

Объект и предмет исследования. Объектами исследования являются метод и система теплового экспресс-контроля поглотительной способности пластин хемосорбентов на основе КО2, работающих в составе УРВ. Предметом исследований являются математическое, программно-алгоритмическое, техническое обеспечения СТК ПС хемосорбентов, способствующие повышению оперативности принятия решений о замене хемосорбентов при исчерпании их емкости, как следствие, повышению надежности и безопасности эксплуатации установок регенерации воздуха.

Теоретическая значимость работы состоит в том, что:

- теоретически обоснована и экспериментально подтверждена линейная зависимость безразмерного параметра, равного отношению удельного содержания поглощенного СО2 в пластине хемосорбента на основе КО2 к его сорбционной емкости, от безразмерной удельной мощности действующих в пластине источников тепла, возникающих в результате реакции хемосорбции.

- разработаны метод теплового контроля и алгоритм замены исчерпавших ПС плоских образцов хемосорбентов на основе КО2 в процессе поглощения СО2 из окружающего их воздуха, включающие измерение разности среднеинтегральных температур поверхностей контролируемого образца и образца сравнения, помещенных в условия конвективного тепломассообмена на их границах с окружающей газо-воздушной смесью, регулирование удельной мощности источников теплоты в образце сравнения так, чтобы контролируемая разность температур стремилась к минимуму, определение безразмерного параметра по измеренной удельной мощности образца сравнения, принятие решения о замене хемосорбента при достижении безразмерным параметром предельного значения из диапазона 0,5..0,6.

Практическая значимость работы состоит в: разработанном техническом

обеспечении СТК ПС по диоксиду углерода пластин хемосорбента на основе КО2;

программном комплексе, предназначенном для автоматизации процесса теплового

7

контроля и поддержки принятия решений о замене ФПЭ; результатах испытаний СТК в составе УРВ типа БХРВ, показавших, что при возникновении нештатного режима работы УРВ снижается количество отказов на 20-40 % и сокращается время восстановления системы на 30-50%.

Методология и методы исследования. В диссертационной работе использованы методы теории теплопроводности в неограниченной пластине с источниками тепла при граничных условиях третьего рода, методы теории погрешностей измерений, методы теории автоматического управления, объемный метод химического анализа.

Положения, выносимые на защиту:

- функция косвенного измерения ПС по СО2 пластины хемосорбента на основе КО2, записанная в виде линейной зависимости между безразмерным параметром, равным отношению удельного содержания поглощенного СО2 в хемосорбенте к его сорбционной емкости, и безразмерной удельной мощности источников тепла в пластине ХС;

- метод экспресс-контроля ПС по СО2 пластины хемосорбента, отличающийся тем, что контролируют разность среднеинтегральных температур образца хемосорбента и образца сравнения, помещенных в омывающую их газовоздушную смесь, содержащую поглощаемый диоксид углерода, регулируют удельную мощность образца сравнения так, чтобы контролируемая разность температур стремилась к минимуму и определяют искомую ПС по предложенной функции измерения;

- техническое и программно-алгоритмическое обеспечение СТК, обеспечивающие автоматизацию процесса теплового контроля ПС и поддержку принятия решений о замене исчерпавшей емкость по СО2 пластины хемосорбента при достижении контролируемым безразмерным параметром предельного значения из диапазона 0,5...0,6;

- результаты анализа источников погрешностей измерения ПС пластин

хемосорбента методом теплового контроля; результаты сравнения

экспериментальных данных, полученных методами теплового контроля и

8

химического анализа; результаты испытаний СТК в составе УРВ при нештатном режиме работы, показавшие уменьшение отказов УРВ на 20-40% и сокращение времени восстановления системы на 30-50%

Достоверность и апробация результатов исследования. Достоверность научных результатов и положений диссертационной работы подтверждается: теоретически и экспериментально обоснованным применением уравнений тепло- и массообмена в пластине хемосорбента; сопоставлением результатов экспериментального определения поглотительной способности, полученных разработанным методом, с результатами, полученными стандартными для данной области исследований методами, применением поверенных средств измерения и аттестованных методик измерения.

Результаты исследований обсуждались в ходе проведения XII международной научно-инновационной молодежной конференции «Современные твердофазные технологии: теория, практика и инновационный менеджмент» (20 мая 2020 г., г. Тамбов), Всероссийской научной конференции «Управление качеством в образовании и промышленности» (21-22 мая 2020 г., г. Севастополь), II научно-практической международной конференции «Информационные технологии в управлении и моделировании мехатронных систем» (14-16 октября 2020 г., г. Тамбов), VI Международной научно-технической конференции «Современные методы и средства исследований теплофизический свойств веществ» (27-28 мая 2021 г., г. Санкт-Петербург), III Международного форума «Метрологическое обеспечение инновационных технологий» (4 марта 2021 г., г. Санкт-Петербург), 8-й всероссийской научно-практической конференции молодых ученых с международным участием «Мир науки без границ» (12 февраля 2021 г., г. Тамбов), XII международной теплофизической школы «Теплофизика и информационные технологии» (19-21 октября 2021 г., г. Тамбов), VII Международной научно-технической конференции «Современные методы и средства исследований теплофизический свойств веществ» (25-26 мая 2023 г., г. Санкт-Петербург), Республиканской научно-практической конференции «Теплоэнергетика и теплофизические свойства веществ» (27-28 ноября 2023 г., г. Душанбе),

9

Международной научно-практической конференции «НаБиТЭМ-2025» (27-28 февраля 2025 г., г. Липецк).

Личный вклад автора в результаты исследования состоит в постановке цели и задач исследования, проведении анализа методов и средств контроля и диагностирования ПС сорбентов в средствах защиты органов дыхания, проведении теоретических и экспериментальных исследований процессов тепло- и массопереноса в пластинах хемосорбентов на основе КО2, разработке метода теплового контроля, оценке его погрешностей, разработке СТК ПС, включая монтаж, наладку, разработку программного обеспечения, проведение испытаний СТК, а также апробации результатов работы и их внедрении.

Внедрение результатов исследования. Основные результаты исследования использованы в ПАО «Электроприбор» (г. Тамбов), в АО «Росхимзащита», а также в учебном процессе во ФГБОУ ВО «ТГТУ».

Основные научные результаты диссертации опубликованы в 4 рецензируемых изданиях перечня ВАК, в 1 издании, индексируемом в базах данных Web of Science, Scopus, в 10 статьях в сборниках Российских и международных конференций. По результатам работы получен патент и свидетельство на программу для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 114 станицах. Содержит введение, 4 главы, заключение, список использованных источников из 115 наименований и 2 приложения.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ ДЛЯ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ПОГЛОТИТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ СОРБЕНТОВ В СРЕДСТВАХ ЗАЩИТЫ ОРГАНОВ ДЫХАНИЯ

1.1 Предисловие

В данной главе изложены результаты анализа [1] научно-технической литературы в области методов и средств контроля поглотительной способности сорбентов и диагностики остаточного ресурса работоспособности средств защиты органов дыхания.

Средства защиты органов дыхания, использующие сменные фильтрующие,

поглощающие, регенерирующие воздух элементы (картриджи), обычно

используются для защиты от широкого спектра опасных для дыхания веществ в

виде пыли, тумана, аэрозолей, паров или газов. В процессе очистки воздуха от

отравляющих веществ сорбентами их поглотительная способность уменьшается,

что связано с насыщением сорбента поглощаемым компонентом и уменьшением

его остаточной емкости. При этом повышаются риски проскока опасных веществ

через фильтрующе-поглощающий слой картриджа. Поглотительная способность

сорбента непосредственно влияет на ресурс работы средств защиты, являющийся

их важнейшей характеристикой, влияющей на эффективность и безопасность

эксплуатации. Он определяется временем защитного действия слоя сорбента. При

этом задача прогнозирования остаточного ресурса всей установки и картриджа или

патрона в отдельности довольно сложно решается, поскольку необходимо

учитывать множество таких параметров как температура окружающей среды,

относительная влажность воздуха, природа и концентрация загрязняющих веществ,

частота дыхания. Во многих случаях первым признаком проскока очищаемым

компонентом защитного слоя картриджа является запах, вкус или раздражение

органов дыхания, вызванные воздействием загрязняющих веществ. Однако на

практике использовать указанные признаки не представляется возможным,

поскольку, например, пороговые значения запаха многих загрязняющих веществ

11

превышают предельно допустимые концентрации. Инструкции по эксплуатации многих респираторов, изолирующих средств защиты предусматривают замену картриджей по расписанию, что не учитывает реальную ПС сорбентов. При использовании коллективных средств защиты, представляющих системы из нескольких сменных аппаратов, картриджей, решения о замене исчерпавших свой ресурс аппаратов принимают на основе информации о концентрациях поглощаемых компонентов в атмосфере герметичных защищаемых объемов. В этих случаях существуют риски преждевременной замены картриджей с еще не исчерпавшим свою емкость по поглощаемому компоненту сорбентом, что влечет его перерасход и сокращение общего времени защитного действия установки в следствие ограниченного количества картриджей в герметичных объемах. Либо риски запаздывания замены, как следствие, превышение концентраций поглощаемых компонентов выше предельно допустимых значений.

Предпочтительным решением проблемы принятия неверных решений о

времени замены исчерпавших ресурс картриджей является их оснащение

системами индикации ПС сорбента, позволяющими предупредить пользователя о

времени замены. Часто для оценки ПС используются органы чувств человека -

зрения и обоняние (далее органолептические методы контроля). Например,

используют изменение цвета индикатора или появление специфического запаха при

проскоке слоя сорбента. В качестве индикаторов используют полоски с химическим

покрытием, меняющим цвет при насыщении сорбента. Основным их

преимуществом является дешевизна и простота интеграции в конструкцию

картриджа. Однако такие индикаторы требуют активного мониторинга со стороны

пользователя, что затруднительно в силу специфики применения в чрезвычайных

ситуациях, в условиях плохого освещения. Помимо этого, полоски обладают

специфической реакцией к определенным веществам, что существенно сужает

область их применения. Поэтому наряду с органолептическими нашли широкое

применение методы, основанные на измерение физических свойств хемосорбентов,

в частности сопротивления, емкости и прочих, изменяющихся при изменении ПС

(далее инструментальные методы контроля). В их основе использованы датчики для

12

контроля наличия загрязняющих веществ и индикатор (визуальный или звуковой) для автоматического предупреждения пользователя. Также преимуществом большинства индикаторных систем, основанных на использовании инструментальных методов, является их чувствительность к более широкому спектру загрязняющих веществ, что расширяет возможности применения. В данной главе проведен обзор и анализ существующих методов и устройств для контроля и диагностирования поглотительной способности сорбентов и остаточного ресурса работы индивидуальных и коллективных средств защиты органов дыхания. В результате проведенного анализа определены основные задачи диссертационного исследования.

1.2 Системы индикации поглотительной способности на основе органолептических методов. История развития и современное состояние

Первые разработки пассивных цветовых индикаторов для противогазов датируются первой четвертью двадцатого века, сразу после первой мировой войны. Так, в 1925 г. Yablick получил патент [2] на цветовой индикатор ядовитых газов, устанавливаемый внутрь картриджа противогаза. В 1957 году основателем компании Dragerwerk получен немецкий патент [3] на колориметрический индикатор, расположенный внутри пространства маски противогаза. Недостатком конструкции индикаторной системы было то, что пользователь получал информацию об исчерпании ресурса защитных свойств только когда значительная концентрация вредных веществ уже попала внутрь маски. В 1960 году Wiswesser

[4] предложил индикатор, установленный в картридже противогаза и представляющий собой две половинки диска, одна из которых имела постоянный цвет и использовалась для сравнения со второй половиной диска, содержащей индикаторную бумагу. Совпадение цветов полудисков сигнализировало об истечении срока службы картриджа. Отметим, что аналогичный принцип работы в настоящее время используется компанией North Safety Products. В 1976 году Roberts

[5] предложил колориметрический индикатор для определения окончания срока

13

картриджей для фильтрации винилорганических материалов. Индикаторы, предложенные Yablick, Dragerwerk и других, представляли тонкие полоски бумаги, которые активировались применением оксида алюминия или сорбента картриджа. При этом была видна только часть индикатора в специальном окне картриджа, а размещение индикатора с краю картриджа снижало надежность системы, поскольку сорбент отрабатывал неравномерно по толщине слоя из-за наличия краевых эффектов в пристеночном слое. Для устранения этого недостатка Wing предложил размещать индикатор горизонтально в слое [6]. В 1978 году компания Auergesellschaft GMBH запатентовала [7] картридж для респираторов, предусматривающий размещение осушающего агента перед фильтрующим слоем сорбента и наличие колориметрического окна для индикации остаточного ресурса агента. Основным недостатком конструкции было отсутствие индикации ресурса самого сорбента.

Использование цветовых индикаторов имело ряд проблем. В частности, они имели высокую селективность к узкому спектру отравляющих и загрязняющих веществ. Это привело к необходимости создания специальных химических индикаторов. Например, в 1979 году McAllister [8] получил патент на цветовые индикаторы мономеров винилхлорида. Отличием от патента [5], было добавление оксида марганца MnO2 к индикатору перманганата калия KMnO4, что обеспечивало лучший цветовой контраст при отработке сорбента, значительно повышая информативность индикатора. В патенте [9] в качестве индикатора использовали дихромат натрия или калия (K2Cr2O7), изменяющий цвет в присутствии ароматических соединений, соединений хлора. Другой проблемой цветовых индикаторов стал относительно короткий срок годности по сравнению со сроком годности сорбента в картридже [10]. Еще одной проблемой было определение отработки сорбента только в локальной области, граничащей с индикатором. Попытки ее решения принимались, например, в патенте [6] или в [11] путем расположения колориметрического индикаторного листа вдоль внутренней прозрачной боковой стенки картриджа респиратора. А также в [12], где была

реализована возможность погружения индикатора на разную глубину слоя сорбента.

Помимо листовых индикаторов предпринимались попытки использования жидких. Так, в 1984 году был запатентован [13] индикаторный модуль для противогаза от ядовитых фосфорорганических соединений, в основе которого использован фермент бутирилхолинэстераза. Патент предусматривал прикрепление модуля к линии выдоха на противогазе, по истечении определенного времени работы модуль отсоединялся и жидкий реагент высвобождался внутри модуля. Отсутствие обесцвечивания реагента являлось показателем того, что пороговая концентрация отравляющих веществ на выходе из слоя сорбента была превышена. Изобретение имеет такие очевидные недостатки, как отсутствие возможности онлайн мониторинга, необходимости извлечения модуля из маски для проведения теста.

Несмотря на вышеперечисленные недостатки, разработка цветовых

индикаторов ПС, начатая с первой четверти двадцатого века продолжается и в наше

время. В 1995 году Haddington получил патент [14] на индикатор дыхательного

фильтра, отличительной особенностью которого является расположение

индикатора, состоящего из активированного оксида алюминия, пропитанного

перманганатом калия, между лицевой маской и картриджем респиратора. В 2002

году компания North Safety Products получила ряд патентов на картридж для

респиратора с индикатором срока службы [15]. В патентах использовалась полоска

индикаторной бумаги для определения присутствия кислотных агентов, а

отличительной особенностью была механическая конструкция картриджа, которая

позволяла владельцу непрерывно его вращать в одном направлении до тех пор, пока

дисплей, меняющий цвет, не окажется в поле зрения. В 2003 и 2004 годах компания

Scentczar Corp запатентовала простой и недорогой индикатор остаточного ресурса,

предназначенный для измерения оставшегося срока службы слоев адсорбента [16]

летучих органических соединений. Индикатору присущ недостаток, состоящий в

неадекватном определении оставшегося срока службы картриджа вследствие

существенного влияния частоты и глубины дыхания при различных периодах

15

активности защищаемого. В период с 2006 по 2024 годы опубликовано ряд патентов [17-21], где в качестве цветовых индикаторов используются специальные мембраны [20], индикаторные полоски, интегрированные в ткань маски [19].

Отметим, что коммерческое применение респираторов, оснащенных цветовыми индикаторами ПС, имело место преимущественно в США. Так, в 1998 году Управление по безопасности и гигиене труда (OSHA) рекомендовало работодателям предоставлять респираторы, оснащенные цветовыми индикаторами. Однако в феврале 2002 года многие респираторы, содержащие пассивные индикаторы ПС, были изъяты, поскольку индикатор на картридже не был виден при ношении маски. В настоящее время компания North Safety Products представляет в продажу картриджи для респираторов, содержащие пассивные индикаторы органических веществ HCl, HF, SO2, H2S, аммиака. Одним из основных недостатков конструкции картриджей с индикаторами ПС является возможность обнаружения лишь нескольких выбранных загрязняющих веществ, что ограничивает область и условиях их применения.

К сожалению, не смотря на наличие отечественных разработок в области

цветовых индикаторов, их применение в средствах защиты органов дыхания носит

крайне ограниченный характер. Значительно большее распространение получили

цветовые индикаторы ресурса для диагностирования сорбционных материалов

химической и атомной промышленности. Например, в патенте 2011 г. Громова О.Б.

и др. [22] степень отработки и определение остаточного ресурса мерсеризованной

древесины осуществляют путем контроля изменения цвета от белого и оттенков

коричневого до черного по мере насыщения поглотителя кислыми соединениями в

зависимости от содержания поглощаемого компонента в сорбенте. В 2020 г.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Рязанов Иван Викторович, 2025 год

источник питания

В состав УРВ может входить от одного до N фильтрующе-поглощающих элементов (показаны пунктиром). ФПЭ 1 и образцы сравнения 2 развешены в герметичном помещении на стойках. Для измерения температур их поверхностей использована тепловизионная камера 3 марки Flir A35 Series, обеспечивающая потоковую передачу тепловых изображений с разрешением 320*256 и частотой 60 Гц. Камера расположена таким образом, что в ее поле зрения попадают ФПЭ и ОС (области контроля температур поверхности ФПЭ 1 и ОС 2 на рисунке 3.3) [98]. Камера подключена к порту GigE Vision компьютера 4 посредством технологии Ethernet, на котором осуществляется вычисление среднеинтегральных по поверхности каждой области контроля температур Т, Тн каждого /-го ФПЭ и ОС. Управление удельной мощностью wn образцов сравнения осуществляется

программно-аппаратными средствами, включающими цифровой ПИД-регулятор (реализованный программно в среде LabView на компьютере 4, цифро-аналоговый преобразователь 5 N1 иЗБ-6211 и МОББЕТ-транзистор, коммутирующий источник 6 постоянного напряжения ин=24 В с нагревателем. Регулируемая мощность p и удельная wн мощность нагревателя определяются из выражений p = {KUн)2lr, Wн = (Кин)21{гЪ^Н) где K - коэффициент заполнения ШИМ-сигнала; г - сопротивление нагревателя, ^ S, H - геометрические размеры.

а б

Рисунок 3.3 - Поле зрения тепловизионной камеры: а - схематичное изображение; б - снимок с экрана управляющей программы

На рисунке 3.4 показана функциональная схема одного из каналов управления мощностью ОС в СТК. Регулируемая электрическая мощность пропорциональна разности измеряемых температур Г, Гн каждого /-го ФПЭ и ОС. Для регулирования электрической мощности используется МОББЕТ-транзистор 1^7833, управление которым осуществляется посредством модуля вывода N1 иЗБ-6211. Источником питания нагревателя является лабораторный блок питания 5, работающий в режиме источника постоянного напряжения 24 В, входящего в рабочий диапазон транзистора. Для ограничения тока на затворе транзистора используется резистор Я1, номинал которого рассчитан исходя из рабочих диапазонов силы тока и частоты ШИМ-выхода модуля вывода. Расчет номинала резистора выполнен по следующим данным. Максимальный ток на выходе модуля вывода составляет 1М =10 мА. Полный максимальный заряд затвора транзистора, согласно документации,

составляет Qg = 32 нКл при токе нагрузки 30 А, напряжении сток-исток 16 В и напряжении затвор-исток 4.5 В. Следовательно, минимальное время открытия-закрытия транзистора составит ? = Qg / 1м = 3.2 мкс. С учетом этого, максимальная частота ШИМ-сигнала составит около 300 кГц. Тогда для ограничения силы тока в 10 мА на выходе модуля вывода при напряжении 5 В можно применить резистор номиналом не менее 510 Ом. В схеме применен резистор номиналом 620 Ом для того, чтобы максимальная сила тока на выходе модуля при работе не достигала максимального значения из документации.

Рисунок 3.4 - Функциональная схема канала управления мощностью ОС в СТК

Система автоматического управления мощностью нагревателя построена на основе цифрового ПИД регулятора, параметры которого удовлетворяют техническому оптимуму [9]. Для их расчета опытным путем была определена передаточная функция объекта управления - нагревателя. Используя метод Симою, получили передаточную функцию объекта в виде Ж(^)=0.103/(0.0061^2+0.234^+1). Проектирование регулятора для замкнутой системы осуществлялось с использованием 81шиНпк. При этом полученная модель замкнутой системы с цифровым ПИД регулятором показана на рис. 3.5. Представленный цифровой регулятор был получен путем переоборудования непрерывного регулятора (замены эквивалентным цифровым) с передаточной функцией вида Жр(^)=108+485/^+1.87^/(0.01^+1). Заменив, используя прямой метод Эйлера, каждое слагаемое передаточной функции его дискретным аналогом, получили схему

цифрового регулятора. Для периода квантования 0,01 с получили кривую переходного процесса в непрерывно-дискретной системе (рис. 3.6).

Рисунок 3.5 - Структурная схема замкнутой системы управления мощностью

Рисунок 3.6 - График переходного процесса в замкнутой системе при единичном

входном ступенчатом воздействии

3.1.2 Оценка погрешности регулирования температуры и удельной мощности образца сравнения в системе теплового контроля

Основные положения и научные результаты, изложенные в данном разделе, опубликованы в работах [100, 101].

Поставим задачу оценки погрешностей регулирования температуры Тос и мощности рос образца сравнения. При оценке относительных погрешностей в

56

качестве действительных значений регулируемой температуры и мощности примем соответствующие параметры пластины хемосорбента. Данные для оценки погрешностей получали из экспериментов, которые проводили в герметичной камере. В каждом из экспериментов регистрировали температуры ФПЭ, ОС и мощность ОС (рисунок 3.7). В зависимости от количества используемых ФПЭ общая масса хемосорбента составляла от 75 до 975 грамм. При этом в камеру подавалось постоянное количество диоксида углерода в объеме 34 л/час, что примерно соответствует выделениям одного человека при легких условиях работы.

50

и 40

« 30

то

и 20

К

10 0

25 40

20

15 н и 30

В

10 ей ЕТ 20

5 Е-Т 10

2000 4000

Время, с

а

6000

25 20

15 н

В

10 ^

5 0

2000 4000

Время, с б

6000

и

40

30

20

^ 10 0

25 20

15 £ 15 В

10 г^ 5 0

40 О 30

д

20

а р

г

е-Г 10 0

25 20

15 т

10 В

5 ^ 0 -5

2000 4000

Время, с

в

6000

2000 4000

Время, с

6000

г

Рисунок 3.7 - Зависимости во времени температур Т ФПЭ и ОС (1) и мощности р ОС (2) при использовании: а - ФПЭ массой 75 г, б - ФПЭ массой 153 г, в - ФПЭ массой 456 г, г - ФПЭ массой 975 г (г) Полученные температурные кривые (рис. 3.8) использованы для расчета погрешностей регулирования температур.

0

0

0

0

0

0

27

и &

и

с

и

25

23

21 V

■Ч

19 Л

17

15

0

200

400

600

800

1000

Время,с

Рисунок 3.8 - Зависимости во времени температур ФПЭ и ОС Относительную погрешность регулирования температуры (рис. 3.9) в каждый i-й момент эксперимента вычисляли по формуле 5г=100|7Ье -Тфпэ|/Тфпэ, где ТОс, Тфпэ - температура образца сравнения и ФПЭ, соответственно.

3

2,5

2

\0

о4

1,5

Ю

1

0,5

0

100

200

300

400

500

600

700 800

Время, с

900

0

Рисунок 3.9 - Относительные погрешности регулирования температуры ОС

Из полученных данных видно, что в период интенсивного изменения температур (в первые минуты работы ФПЭ) наблюдаются максимальные относительные погрешности регулирования температур, до 2,5%.

Относительную погрешность регулирования мощности нагревателя вычисляли по формуле 5р=100рос -Рфпэ|/Рфпэ, где рос, Рфпэ - регулируемая мощность ОС и измеренная мощность ФПЭ, соответственно. Для вычисления мощности рос использовано расчетное выражения рос = (КЦ)2/г и где К - коэффициент заполнения ШИМ-сигнала; Цн = 24 В - напряжение питания нагревателя

Рисунок 3.10 - Зависимости во времени удельной мощности источников тепла в образцах сравнения в опытах с ФПЭ массой: 75 гр (1), 153 гр (2), 456 гр (3) Вариация результатов косвенного измерения регулируемой мощности объекта управления обусловлена техническими особенностями работы системы управления электрической мощностью. В частности, регулирование напряжения питания нагревателя осуществляется модулем, имеющим ШИМ выход ТТЬ и управляющим открытием МОББЕТ-транзистора, обеспечивающего подачу постоянного напряжения питания нагревателя от блока питания.

Для уменьшения вариации, осуществляли сглаживание временного ряда (в качестве примера показан на рисунке 3.11) путем усреднения р в интервале времени измерения 60 с.

0,6 0,5 0,4

£ о,з И ,

о,2 0,1 0

2

-0,1

Время, с

Рисунок 3.11 - Зависимости во времени мощностир нагревателя в интервале времени 28..63 с Из анализа экспериментальных данных видно (рис. 3.12), что в первые минуты эксперимента при интенсивном росте температуры ФПЭ мощность нагревателя достигает своего максимума ртах и в два-три раза выше соответствующих значений р при работе хемосорбента в течение его времени защитного действия. Это приводит к существенным погрешностям определения ПС в первые минуты работы СТК. Поэтому в качестве ртах целесообразно использовать мощность, измеренную спустя 3-4 минуты с начала включения установки. Стрелками на рисунке 3.12 показаны моменты времени включения установки и регистрации ртах.

иЬи\_

30 40 50 60 70

40 35 30

и 25 20

ей

ЕТ

Е-Т

15 10 5 0

рт

8 7 6

5 Н

* 4 «

2 1 0

200 400

Время, с а

600

40

и 30

й

20

^Т 10

12 10 8 6 4 2 0

200

400 600

Время, с

800

б

н

В

Рисунок 3.12 - Зависимости во времени температуры Т ФПЭ (1) и мощности р нагревателя (2) при использовании 153 гр (а) и 456 гр (б) хемосорбента

0

0

0

Таким образом, для уменьшения погрешностей регулирования температур и мощности нагревателя, используемого в СТК в качестве образца сравнения, для исследованных условий работы ФПЭ и предложенного технического обеспечения СТК выполняли следующие операции по обработке измерительных сигналов: 1) регистрировали среднеинтегральные по площади ФПЭ и ОС температуры; 2) регулировали по ПИД закону температуру ОС, обеспечивая ее равенство (с погрешностью не более 2,5%) температуре ФПЭ, за счет управления временем и частотой импульсов (коэффициента К заполнения ШИМ сигнала управления) подачи постоянного напряжения питания ин на нагреватель; 3) измеряли мощность нагревателя р = (KUv)1/r; 4) регистрировали максимальное значение pmax мощности начиная с 3 минуты с момента начала работы УРВ (начала процесса регенерации воздуха фильтрующе-поглощающими элементами); 5) на интервале времени измерения 60 секунд усредняли измеренные значения p; 7) определяли ПС из выражения Ф=р/ртах.

3.1.3 Алгоритм обработки измерительных сигналов в системе теплового контроля

При выборе и использовании бесконтактных средств измерения температуры использовался опыт известных работ Фрунзе А.В. [102-108] и др. В качестве средства бесконтактного измерения температур тепловизионной камеры, имеющей разрешение MxK пикселей, ее размещают таким образом, чтобы в поле зрения попадали каждый i-й контролируемый ФПЭ и соответствующий ОС. С заданным шагом времени регистрируют температуры T^f i-го ФПЭ и ОС. Здесь m, к

- номер пикселя, несущего информацию о температуре части площади поверхности соответствующего ФПЭ или ОС, попавшей в области 1, 2 (на рис. 3.3 б) контроля температур. Вычисляют среднеинтегральные по площадям поверхностей областей

1, 2 (на рис. 3.3 б) контроля температур каждого i-го ФПЭ и ОС температуры ТФПЭ0 TQCi как средние арифметические значения измеренных температур T™^, T^f:

Тфпэ; = Em,fc ТфПз1 /Non3i , 7(а = £m,fc ^осГ/Nocí, где Non3i, Nocí - количество пикселей, попадающих на области 1, 2 изображения i-го ФПЭ или ОС. Используя ПИД закон регулирования формируют ШИМ сигнал (с коэффициентом заполнения К) управления транзистором, обеспечивающим подачу постоянного напряжения ин питания на соответствующий ОС. Вычисляют мощность нагревателя по выражению p = (KUn)2/r.

■<m,k

Расче т Ф

Сравнение Ф с Фпр

Решение о замене ФПЭ принято

Конец

Рисунок 3.13 - Алгоритм обработки измерительных сигналов в СТК

По истечении одной минуты от начала работы СТК мощность нагревателя в каждый у-й момент времени определяют, как среднее арифметическое результатов измерения р, полученных на предыдущей минуте измерения. Начиная с заданного момента времени тз=3 минуты, задаются значением максимальной мощности ртах ОС, равной измеренной мощности в текущий момент времени. И далее, до окончания работы СТК, сравнивают текущее значение мощности с максимальным, принимая в качестве ртах максимальное значение. Искомую ПС в каждый у-й момент времени последовательно вычисляют по выражениям:

Фу

=]Р]-1/Ршах'еСЛИ Р] = РЬ±А1 Р]/Ршах> еСЛИ Р] *Рб±А>

где рБ ± А - мощность нагревателя при отсутствии управляющего ШИМ сигнала

ФгЕ;-120 Ф1,;/Тс, приу> Тс+1, Тс=120 с. Следует отметить, что в описанном алгоритме приведенные значения времени тз начала регистрации максимальной мощности ОС, интервал времени тс усреднения результатов определения Ф были получены и приведены для исследованных условий работы ФПЭ на основе КО2. При использовании в составе УРВ пластин хемосорбента на основе супероксида натрия, гидроксидов кальция, или при работе хемосорбентов в условиях, отличных, от исследованных, требуется проведение дополнительных уточняющих экспериментов.

Для автоматизации процессов настройки и отладки СТК, а также процесса теплового контроля ПС при промышленной эксплуатации СТК разработано программное обеспечение, реализующее представленный алгоритм.

3.2 Программно-алгоритмическое обеспечение системы теплового контроля

3.2.1 Программно-алгоритмическое обеспечение для проведения настройки и отладки СТК

3.2.1.1 Описание программного обеспечения

В соответствии с предложенным в главе 2 алгоритмом (рис. 2.19), замену ФПЭ в процессе работы установки регенерации воздуха осуществляют при достижении контролируемым параметром Ф заданного предельного значения Фпр, определяемого опытным путем для заданных условий работы УРВ.

Для реализации алгоритма теплового контроля ПС разработано программное обеспечение - программный модуль «Автоматизированный тепловой контроль ресурса защитных свойств пластин хемосорбента» [109].

Программный модуль обеспечивает:

- захват инфракрасных (ИК) изображений объекта контроля (пластины хемосорбента) и объекта управления (нагревателя) тепловизионной камерой;

- расчет среднеинтегральных по заданным площадям поверхностей объектов контроля и управления температур;

- выработку, в соответствии с ПИД законом регулирования, управляющего воздействия на объект управления (регулирование напряжения питания нагревателя), обеспечивающего поддержание равенства температур поверхностей объектов контроля и управления;

- регистрацию среднеинтегральных температур поверхностей объектов контроля и управления;

- регистрацию концентраций диоксида углерода в защищаемом объеме;

- расчет ПС объекта контроля по формулам способа (Патент РФ 2753593).

Интерфейс программного модуля показан на рис. 3.14.

и» 10000

Рисунок 3.14 - Интерфейс главного окна программного модуля «Автоматизированный тепловой контроль ресурса защитных свойств пластин

хемосорбента»

В главном окне программы размещены:

- окно для визуализации инфракрасных изображений областей объекта контроля и образца сравнения с возможностью задания площади вышеназванных объектов, на которых рассчитываются среднеинтегральные температуры;

- окно для визуализации графиков зависимости во времени среднеинтегральных температур ФПЭ и ОС;

- окно для визуализации графиков зависимости во времени концентрации СО2 в защищаемом объеме;

- окно для визуализации значений контролируемого параметра Ф;

- прочие кнопки, индикаторы, элементы интерфейса, обеспечивающие запуск/останов модуля, сохранение зарегистрированных данных, ввод вспомогательных параметров расчета.

Область применения программного модуля ограничена следующими условиями и требует наличия следующего оборудования:

- объект контроля - пластина хемосорбента на основе надпероксида, гидроксида щелочного металла (калия, натрия), взаимодействующая с диоксидом углерода в присутствии паров воды в воздухе с выделением тепла согласно валовой реакции 2Ме02+С02->Ме2С03+1,502 ; толщина 2.. ..4 мм;

- концентрации диоксида углерода в окружающей объект контроля среде не превышают 4% об;

- образец сравнения - плоский (размерами 100x100 мм не менее) проволочный нагреватель, покрытый силиконом, толщиной не более 4 мм;

- тепловизионная камера Flir A35 Series или с аналогичными характеристиками (что требует изменения параметров настройки в программном коде модуля);

- модуль вывода, типа NI USB-6211 (или аналог) обеспечивающий управление MOSFET-транзистором (типа IRL7833 или аналог), управляющим электрической мощностью объекта управления.

Программный модуль, разработанный средствами LabView, состоит из

блоков, обеспечивающих подключение тепловизионной камеры и получение изображения (далее блоки 1) (рис. 3.15), блоков, обеспечивающих обработку изображений, размещенных в бесконечном цикле while с временной задержкой (далее блоки 2) (рис. 3.16), блоков расчёта Ф (блоки 3) (рис. 3.17), блоков управления нагревателем (блоки 4) (рис. 3.18).

Рисунок 3.15 - Блоки программы, обеспечивающие подключение тепловизионной

камеры 66

Рисунок 3.16 - Блоки программы, обеспечивающие обработку изображений

х

3

Рисунок 3.17 - Блоки расчёта Ф

Рисунок 3.18 - Блоки управления мощностью ОС

Входными данными блоков 1 являются настройки тепловизионной камеры. Параметры настроек задаются в блоке IMAQdx и выбираются в зависимости от типа подключаемой тепловизионной камеры. Входными данными блоков 2 являются размеры и положение области измерения температурного поля. Входными данными блоков 3 являются длительность проведения эксперимента, мощность, подаваемая на нагреватель на каждой итерации цикла while, полученная от датчика концентрация углекислого газа. Входными данными блоков 4 являются параметры нагревателя и коэффициенты ПИД-регулятора для управления мощностью, подаваемой на нагреватель, с целью поддержания или изменения температуры нагревателя.

3.2.1.2 Методика определения предельных значений поглотительной способности, при достижении которых требуется замена хемосорбента

Для проведения испытаний СТК использована условно герметичная камера (рис. 3.19) объемом Д*Ш*В=1,68*0,84*1,96 м3, выполненная из двойного стеклопакета с герметизацией швов по периметру силиконовым герметиком. При размещении внутри камеры установки БХРВ-К были демонтированы стойки, на которых крепятся ФПЭ. ФПЭ 1 размещены на задней, пластиковой стенке камеры, там же размещены ОС 2, каждый из которых имеет квадратную форму со стороной

100 мм и толщиной 1 мм. ОС выполнен из нихромовой проволоки с защитным силиконовым покрытием и помещен в газопроницаемую оболочку из спанбонда. Внутрь камеры из углекислотного баллона с редуктором подавали диоксид углерода, расход которого контролировали газовым ротаметром 3 LZB-6M. Концентрацию СО2 регистрировали с помощью газоанализатора 4 Хоббит-Т-СО2, аналоговый выход которого через регулируемый резистор подключен на вход модуля АЦП 5 N1 ШВ-6008, соединенного, в свою очередь, с ПК (на рисунке не показан).

Рисунок 3.19 - Фотография условно герметичной камеры и размещенного в ней оборудования СТК: 1 - ФПЭ; 2 - ОС; 3 - ротаметр; 4 - газоанализатор;

5 - АЦП; 6 - влагомер; 7 - тепловизор

Для создания необходимой относительной влажности воздуха в диапазоне 7090% на полу камеры размещали увлажнитель воздуха. Относительная влажность и температура воздуха в камере регистрировались прибором 6 CENTER 313, также подключенным к ПК. Для измерения температур поверхностей ФПЭ и ОС использована тепловизионная камера 7 FLIR A35, соединенная с ПК кабелем GigE.

Для определений значений Фпр, при которых принимают решения о замене ФПЭ, проводят эксперимент, в ходе которого в камеру с постоянным расходом заданным расходом подают диоксид углерода и поддерживают заданную относительную влажность воздуха. В ходе эксперимента регистрируют концентрацию СО2 в камере и значение параметра Ф. Определяют Фпр из анализа полученных экспериментальных данных.

Рассмотрим пример определения Фпр для случая, когда объем выделяемого диоксида углерода равен 30 л/час при относительной влажности воздуха не ниже 60%. Масса используемого ФПЭ - 970 гр. Заданная предельно- допустимая концентрация СО2 равна 1%. Полученные экспериментальные данные показаны на рисунке 3.20.

1,2

о Л ^л/^АЛ, 2

е о,б о,2

1,2 1 0,8 0,6 0,4

о,2 0

2000 4000

Время, с

6000

Рисунок 3.20 - Зависимости во времени параметров Ф (1) и концентрации СО2 (2)

в герметичном объеме

0

0

Анализ характера изменения параметра Ф (кривая 2) показывает, что при достижении значений 0,5 концентрация диоксида углерода достигает заданного предельно-допустимого значения. Поэтому в качестве значений Фпр предложено использовать значения из диапазона 0,6..0,55, что обеспечивает запас времени на замену ФПЭ до достижения ПДК диоксида углерода в защищаемом объеме.

Следует отметить, что указанный диапазон значений Фпр приведен в качестве примера для установки, работающей в объеме 2,8 м3 при выделениях СО2 до 30 л/час. Для установок с другими параметрами и работающими в других объемах необходимо уточнять полученный диапазон.

3.2.2 Программно-алгоритмическое обеспечение для промышленной эксплуатации системы теплового контроля

Для реализации разработанного метода теплового контроля ПС в промышленном образце УРВ были внесены следующие изменения в конструкцию СТК: персональный компьютер, модули NI, тепловизионная камера заменены на программируемый логический контроллер ПЛК210, модуль аналогового ввода МВ210-101, пирометры типа Кельвин с выходом RS232, соответственно. Для разработки программного комплекса [110], реализуемого на контроллере ПЛК210 использована среда CODESYS V3.5 SP14 Patch 3.

Программный комплекс включает три модуля. Модуль PLC_PRG, фрагмент кода которого представлен на рисунке 3.21, написан на языке ST (язык стандарта IEC61131-3). В нем производится расчет поглотительной способности.

Файл Правка Вид Проект Компиляция Онлайн Отладка Инструменты Окно Справка

J «В* <•*»■» « "а I * 4 *■ 1 e Iftajmn « в . ■ . • • • SIC

ycTpoflcTBa T ? * ¡Я GVL [il PLC_PRG X El PID.reg Щ SFCjxog

S"4§P PLC210_tS5lk B-fU Device (PLC210) e| J Pic Logic ! B fj Application two_word_to_real Hi GVL dj) MeHeoxep 6n6nwoTeK Ml PID_reg (PRG) •0 PLC_PRG (PRG) ® [§ SFCjxog (PRG) ♦ fig KoHttmrypauMS aaaa* ♦ 93 Trend Recording Manager ♦ m MeH4fl*epBM3vanM3au« Visualization £D Visualization,! ffi 0 Ethernet (Ethernet) PLC210 01<PLC210-01) © OwenRTC (OwenRTC) OwenCloud (OwenCloud) 43 Buzzer (Buzzer) ft Drives ^ives) 0 Debug(Debug) ® Info (Info) ¿j Watchdog (Watchdog) В 2 PROGRAM PLC PRG 1 Е чан " w_to_r_3: two_word_to_re al; ш EHDVAR 100% [fl.

В S В 11 В 18 В 24 В 25 В 31 w_Co_r_3.ar_W0RD[0]:=wftIN3_l; П w_co_r_3.a e_WORD[I]:=wAIN3_2; AIN3:=w_to_r_3.r_REAI; tAEJ3 :=ouc_mln31- (ouc_max3-out_mn31/100.0 *AIN3; w_to_r_4.arJiORD[0]:=wAIN4_l; AIN4: =и_СО_Е_4. £_REfil ; СД1Ы4 :=otiC_niln4 4- (out_max4-out_nnin4) /100.0 *AIN4; l_zad := tAIH4; (»температура на пластинах хемосорбента (♦бкл/быюг системы IF PtJ = TRUE THEN EHDIF; RS1 (SET := OH, RESET1 := OFF) ; IOF1(IN := OH, PI := T#3S); IF TOF1.Q = TRUE THEN EHD_IF ; p := (24.0*24.0*]c) /R_nag; IF p > pO ТНЕЫ nun TP-' P' 100 % '

Рисунок 3.21 - Фрагмент кода модуля PLC_ PRG

Модуль PID_гeg, фрагмент кода которого представлен на рисунке 3.22, написан на языке FBD. В нем организована работа ПИД-регулятора для управления нагревателем.

Рисунок 3.22 - Фрагмент кода модуля РГО_ге§ Модуль 8ЕС_рго§, фрагмент кода которого представлен на рисунке 3.23, написан на языке ББС. В этой программе осуществляется генерация ШИМ-сигнала для регулирования температуры нагревателя.

Рисунок 3.23 - Фрагмент кода модуля 8БС_рго§

Интерфейс программного комплекса показан на рисунке 3.24. В главном окне располагаются: кнопка перехода на экран настроек, световые индикаторы для сигнализации о необходимости замены ФПЭ, окна для отображения температуры и мощности выбранного ОС, кнопки включения и выключения системы, а также

отображаются максимальные значения температуры и мощности ОС, зарегистрированных с момента включения системы.

Рисунок 3.24 - Окно интерфейса программного комплекса

На экране настроек, представленного на рисунке 3.25, также располагаются: кнопка переключения управления с экрана, настройки ПИД-регулятора, и задания порогов срабатывания световых индикаторов.

Рисунок 3.25 - Экран настройки системы Включение и выключение системы осуществляется посредствам двух кнопок, подключенных к дискретным входам контроллера ПЛК210, либо в окне браузера на основном экране, при включении функции «Управление с экрана» в настройках.

Значения порогов срабатывания сигнализации (Фпр) задаются в меню программы и зависят от типа ФПЭ (химического состава хемосорбента, массы), количества защищаемых.

Основные результаты и выводы по третьей главе диссертации

Разработана система теплового контроля ПС, в том числе техническое и программно-алгоритмическое обеспечение. Программное обеспечение включает модули для автоматизации процессов настройки и отладки СТК, а также автоматизации процесса теплового контроля ПС при промышленной эксплуатации СТК. Оно реализует алгоритм теплового контроля, включающий получение инфракрасных изображений ФПЭ и ОС, регистрацию среднеинтегральных температур заданной области их поверхностей, регулирование удельной мощности ОС таким образом, что разность температур ФПЭ и ОС стремится к минимуму, определение значений безразмерного параметра, характеризующего ПС, световую сигнализацию о необходимости замены ФПЭ при достижении контролируемым безразмерным параметром заданного порогового значения.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА МЕТОДА И СИСТЕМЫ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ ПОГЛОТИТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ В СОСТАВЕ УСТАНОВКИ РЕГЕНЕРАЦИИ ВОЗДУХА

4.1 Сравнение результатов теплового контроля поглотительной способности пластины хемосорбента с результатами, полученными методом химического анализа

В данном разделе приведены результаты экспериментальных исследований достоверности теплового контроля ПС хемосорбента. Эксперименты проводили согласно известных из литературных источников методам [111-115] в герметичной камере, показанной на рисунке 3.19. В камеру подавали диоксид углерода, влажность воздуха составляла 85 ± 10%, температуре воздуха составляла 20 ± 5 0С. Регистрацию концентрации диоксида углерода (рис. 4.1) осуществляли посредством газоанализатора Хоббит-Т-СОг.

Время, с

Рисунок 4.2 - Зависимости во времени концентрации СО2 в камере в

различных опытах

В качестве ФПЭ использовали пластины на основе КО2 толщиной 3 ± 1 мм. Обдув пластин не осуществлялся. В процессе эксперимента регистрировали

75

среднеинтегральную температуру ТФПЭ рис. 4.2-4.4 хемосорбента. Регулировали температуру ТОС каждого нагревателя, используемого в качестве образца сравнения. Вычисляли удельную мощность р образцов сравнения и определяли значения параметра Ф=р/ртах.

23 18

0 400 800 1200 1600

Время , с

2000

2400

2800

Рисунок 4.2 - Изменение во времени среднеинтегральной температуры по поверхности пластины хемосорбента при С=1±0,1%

47

42

О

m

С 37

е 37

32

А \

27

Il I'

щ

I, /11 АЛ

III 'l III 'l I ■, 'l |'|

ï

>1

)1 '-1 11 j

I «

%\

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400

Время, с

Рисунок 4.3 - Изменение во времени среднеинтегральной температуры по поверхности пластины хемосорбента при С=2±0,1%

и

о с

70

60

50

40

30

20

п

!»

| |ЯН

II .'•' »у

т' /

'Л'Гч

Г.4-.»«,.^

200

400

600

Время, с

800

1000

1200

0

Рисунок 4.4 - Изменение во времени среднеинтегральной температуры по поверхности пластины хемосорбента при С=4±0,3%

По истечение первого промежутка времени, определяемого опытным путем, исходя из концентрации СО2 и зависящего от нее времени полного исчерпания емкости хемосорбента, извлекали из камеры первую пробу, помещали ее в герметичную емкость. По истечение второго промежутка времени извлекали вторую пробу и т.д. Извлеченные пробы хемосорбента передавали в лабораторию, где методом химического анализа определяли объемное содержание ф диоксида углерода в единице массы хемосорбента. Для последней извлеченной из камеры пробы принимали ф = фтах. Вычисляли ПС хемосорбента для каждой пробы из выражения Фх= ф/фтах и сравнивали полученные результаты с результатами теплового контроля (рис. 4.5-4.7). Из представленных на рисунках данных видно, что при повышении нагрузки по диоксиду углерода (увеличении концентрации в защищаемом объеме), отработка хемосорбента происходит существенно быстрее. Поэтому замены ФПЭ необходимо проводить чаще. Результаты статистической обработки полученных экспериментальных данных приведены на рисунках 4.8 -4.10. На рисунках показано сравнение результатов теплового (т) контроля ПС и расчета по данным, полученным методом химического анализа (х).

1 о

Время работы ФПЭ, мин

Рисунок 4.5 - Зависимости во времени работы ФПЭ поглотительной способности хемосорбента, полученной методом теплового контроля (т) и химического анализа при предельных концентрациях СО2 равных 1%

1

0,9 0,8 0,7 0,6 О 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

50

100 150 200 250

Время работы ФПЭ, мин

300

350

Рисунок 4.6 - Зависимости во времени работы ФПЭ поглотительной способности хемосорбента, полученной методом теплового контроля (т) и химического анализа при предельных концентрациях СО2 равных 2%

0

1

0,9 0,8 0,7 0,6 О 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

Время работы ФПЭ, мин

Рисунок 4.7 - Зависимости во времени работы ФПЭ поглотительной

способности хемосорбента, полученной методом теплового контроля (т) и

химического анализа при предельных концентрациях СО2 равных 4%

Сплошные и пунктирные прямоугольники на рисунках 4.8-4.10 относятся к

выборкам экспериментальных данных, полученных методами химического анализа

и теплового контроля, соответственно.

1 0,9 0,&

0,7 0,6 О 0,5 0,4

0,3 о, г 0,1 о

Рисунок 4.8 - Сравнение результатов теплового (т) контроля ПС и расчета по данным, полученным методом химического анализа (х) при предельных

концентрациях СО2 равных 1%

0 20 40 60 80 100 120 140 160

х

-Т-,

100 200 400

Время работы ФПЭ: мин

500

т

0

Рисунок 4.9 - Сравнение результатов теплового (т) контроля ПС и расчета по данным, полученным методом химического анализа (х) при предельных

концентрациях СО2 равных 2%

Время раооты ФПЭ: мнн

Рисунок 4.10 - Сравнение результатов теплового (т) контроля ПС и расчета по данным, полученным методом химического анализа (х) при предельных

концентрациях СО2 равных 4%

Верхняя и нижняя стороны каждого прямоугольника соответствует значениям верхней и нижней границ доверительного интервала, вычисленным для

доверительной вероятности 0,95 при числе опытных данных, равных 10. Центральная линия соответствует среднему арифметическому значению.

В целом, отклонения измеренных разработанным методом значений ПС от значений, измеренных методом химического анализа, не превышают 20%. Причем, значения ПС, полученные методом теплового контроля, несколько выше на начальных этапах работы хемосорбента, что может объясняться более высокой скоростью хемосорбции, как следствие остаточной отработкой пробы с момента ее отбора до проведения анализа. В подтверждение этому наблюдалось раздувание герметичных пакетов с пробой по причине выделения кислорода вследствие протекания остаточных химических реакций.

4.2 Экспериментальная проверка метода и системы теплового контроля при работе в составе установки регенерации воздуха

Проведены испытания работы СТК в составе УРВ типа БХРВ-К в ходе которых регистрировали количество отказов УРВ N и время тв восстановления системы. Под отказом УРВ считалось превышение предельно допустимого значения концентрации диоксида углерода в защищаемом объеме. Причиной отказа являлось запаздывание принятия решения о замене ФПЭ. Под временем восстановления понимается время, прошедшее с момента возникновения отказа до момента, когда концентрация СО2 в защищаемом объеме станет меньше предельно допустимой. Замену ФПЭ осуществлял испытатель, находившийся на протяжении всего эксперимента в защищаемом герметичном объеме и являвшийся источником выделения СО2. Для обеспечения безопасности испытателя дополнительно контролировалась концентрация кислорода. В данной работе к факторам опасности относятся: превышение концентрации СО2 выше предельно допустимых значений, что приводит к ухудшению самочувствия человека; превышение концентрации кислорода выше пожароопасного значения 23 %; уменьшение концентрации кислорода до 19 % и ниже, приводящее к ухудшению самочувствия человека. Испытания проводились на стенде АО «Росхимзащита» (см. акт внедрения

результатов диссертационной работы в приложении Б), в камерах объемом 3 и 24 м3 при температуре воздуха 18-250С, относительной влажности воздуха 50-70%.

Проведены испытания двух видов:

- с заменой ФПЭ по истечению заданного времени их работы, а также по результатам теплового контроля ПС;

- с заменой ФПЭ по достижении заданной концентрации СО2 в первой серии опытов и по результатам теплового контроля ПС во второй серии опытов.

На рисунке 4.11 показан пример результатов экспериментальной проверки СТК для УРВ, работающей в защищаемом объеме 2,8 м3 при штатном режиме, чему соответствует нагрузка по СО2 36 л/час, и при нештатном режиме, возникающем при кратном увеличении нагрузки по диоксиду углерода.

Рисунок 4.11 - Изменение концентрации СО2 в воздухе защищаемого объема от времени работы ФПЭ в установке регенерации воздуха

Первые три замены ФПЭ осуществляли с заданным интервалом времени, равным ?з=80 мин работы ФПЭ. После каждой замены видно, что концентрация

диоксида углерода в защищаемом объеме уменьшается и находится в пределах допустимых значений, равных 1%. После третьей замены кратно увеличивали нагрузку по СО2, для чего в камеру осуществляли его дополнительную подачу. В результате чего, как видно из рис. 4.11 после третьей замены концентрация диоксида углерода резко возрастает и продолжает расти даже после 4-й замены. Это говорит о том, что при нештатном режиме работы УРВ заданный интервал времени замен велик. Если проводить дальнейшие замены с установленным интервалом времени, то это приведет к отказу УРВ (превышению установленной предельно допустимой концентрации 1%). Поэтому последующие замены осуществляли по результатам теплового контроля параметра Ф при условии Ф<0,6. Выбор указанного значения параметра Ф, соответствующего верхнему значению Фпр из рекомендованного диапазона, позволяет сократить время восстановления системы. После первой замены ФПЭ по результатам теплового контроля концентрация уменьшается меньше предельно допустимых значений. И при последующих двух заменах, при нештатном режиме работы, отказа не наблюдается. После этого уменьшали нагрузку по диоксиду углерода до заданных значений, соответствующих штатному режиму работы УРВ и продолжали замену ФПЭ по результатам теплового контроля. При этом при последующих заменах принимали Фпр равным 0,5. Как видно из приведенных данных, по сравнению с заменами по заданному времени работы, интервал замены увеличился, что сопровождается более полной отработкой хемосорбента и его экономным расходованием. При этом концентрация диоксида углерода, хотя и выросла на 0,2...0,3%, но продолжает оставаться в предельно допустимых значениях. Таким образом, из представленного примера видно, что внедрение СТК в состав УРВ позволяет уменьшить количество отказов при возникновении нештатного режима работы, а также увеличить интервал замены ФПЭ при штатном режиме, что позволит экономнее расходовать хемосорбент. В таблице 4.1 приведены сравнительные результаты по отказам и времени восстановления УРВ при заменах ФПЭ по предложенному тепловому методу и по заданному времени замены.

Таблица 4.1 - Сравнительные результаты по отказам и времени

восстановления УРВ

№ Опыта Концентрация СО2 при замене Время восстановления (ВВ), мин:с Изменение ВВ, %

тепловым методом по времени тепловым методом по времени

1 0,89 0,98 - - -

2 0,92 1,06 - 2:15 -

3 1,05 1,18 1:40 3:25 -51,2

4 1,1 1,27 1:50 4:10 -56,0

5 0,96 1,08 - 2:30 -

6 1,2 1,25 2:10 4:00 -45,8

7 1,23 1,32 2:00 4:35 -56,4

8 0,9 0,99 - - -

9 0,98 1,13 - 3:10 -

10 1,08 1,28 1:30 3:50 -60,9

Количество отказов 5 8 - -