Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование и разработка трассовых оптоэлектронных устройств обнаружения газа для систем промышленной безопасности

Номер контракта: 14.577.21.0022

Руководитель: Баранов Александр Михайлович

Должность: Профессор

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
трассовые газоанализаторы, мониторинг углеводородов, оптоэлектроника, инфракрасные датчики, беспроводные сенсорные сети, промышленная безопасность

Цель проекта:
На территории России находятся более ста тысяч экологически опасных объектов, а также сотни тысяч километров нефтегазовых трубопроводов. Год от года растет насыщенность территории России промышленными объектами, в том числе, и нефтегазового комплекса. В связи с этим встает задача непрерывного мониторинга горючих, взрыва- и пожароопасных и токсичных газов на больших площадях( на территориях промышленных объектов и прилегающих к ним территориях населенных пунктов). Это тем более актуально в условиях значительного износа основных фондов российских предприятий и возрастания угрозы терроризма. Целью работы является исследование и разработка конструктивно-технологических принципов создания перспективного трассового оптоэлектронного газоанализатора довзрывоопасных концентраций газов и паров углеводородов в воздухе с передачей данных на основе беспроводных сетевых протоколов. Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие основные задачи задачи: - должны быть исследованы принципы создания перспективного трассового оптоэлектронного газоанализатора довзрывоопасных концентраций газов и паров углеводородов в воздухе с передачей данных на основе беспроводных сетевых протоколов; - должны быть проведены теоретические исследования по разработке оптимальных конструктивно-технологических методов создания трассовых газоанализаторов довзрывоопасных концентраций газов и паров углеводородов в воздухе; - должно быть выполнено моделирование процессов прохождения и поглощения светового потока через газовое облако при разных условиях окружающей среды; - должен быть разработан сетевой протокол конфигурирования экспериментального образца (далее ЭО) трассового газоанализатора в составе развернутой сенсорной сети. - должны быть проведены исследования спектров поглощения углеводородов при разных условиях окружающей среды. - должны быть разработаны принципы построения устройства формирования светового потока (источника и приёмника инфракрасного (далее ИК) излучения). - должны быть разработаны алгоритмы и программное обеспечение для проведения мониторинга состава воздуха. - должны быть разработаны алгоритмы и протоколы безопасной передачи данных по беспроводным сенсорным сетям, включая выход в сети стандарта GSM и Ethernet. - должен быть разработан ЭО трассового газоанализатора и проведены исследования его параметров и характеристик.

Основные планируемые результаты проекта:
Основные планируемые результаты
1. Принципы и технические решения создания перспективного трассового оптоэлектронного газоанализатора довзрывоопасных концентраций газов и паров углеводородов в воздухе с передачей данных на основе беспроводных сетевых протоколов.
2 Результаты моделирования процессов прохождения и поглощения светового потока через газовое облако при разных условиях окружающей среды.
3 Принципы построения и оптическая схема устройства формирования светового потока (трансивера).
4 Принципы построения и оптическая схема приемника инфракрасного излучения (ресивера).
5 Алгоритмы для оптимального управления режимами работы трассового оптоэлектронного газоанализатора и проведения мониторинга состава воздуха и их программная реализация.
6 Алгоритмы для управления внешними исполнительными устройствами и их программная реализация.
7 Алгоритмы преобразования и сжатия полезного сигнала и их программная реализация.
8 Алгоритмы и протоколы безопасной передачи данных по беспроводным сенсорным сетям, включая выход в сети стандарта GSM и Ethernet.

ЭО трассового газоанализатора для in-situ контроля довзрывоопасных концентраций углеводородных испарений и газов должен соответствовать следующим характеристикам:
1) управление………………………………………………………………..микроэлектронное;
2) контролируемые параметры…..…………………............состав и концентрация углеводородных
... соединений в воздухе, температура;
3) время отклика……………………………………………………………………не более 3 с;
4) питание………………………………………………………………….....от сети, автономное;
5) напряжения питания, В……………………………….………...18;
6) рабочий ток, мА………………………………………...…….........не более 500;
7) передача данных и управление……………………………...дистанционное (беспроводное,
токовый выход)
8) протокол передачи данных………..........................беспроводной- Zigbee (IEEE 802.15.4),
токовый - 20мА, RS485 Modbus;


Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
В данной работе ведется разработка перспективного оптоэлектронного газоанализатора с дистанционным измерением довзрывоопасных концентраций газов и паров углеводородов в воздухе.
Трассовые газоанализаторы состоят из приемника и передатчика инфракрасного излучения, и используют измерение интенсивности ИК-лучей при прохождении ими среды с контролируемым газом.
На данный момент трассовые газоанализаторы выпускают всего несколько фирм, расположенных в основном в США (в частности, фирмой DET TRONICS). Однако, все выпускаемые трассовые газоанализаторы используют в качестве источника ИК излучения немонохроматические и некогерентные источники света. Широкий инфракрасный спектр излучения, требует сложной оптики для формирования светового потока, как для излучателя, так и для детектора светового потока, и существенно снижает чувствительность газоанализатора вследствие высокого уровня электронных шумов. Поэтому, дальность мониторинга не превышает 100 м.
В данной работе в качестве источника излучения предполагается использовать лазеры с перестраиваемой длиной волны. Это позволит упростить оптическую систему, увеличит чувствительность и помехозащищённость , уменьшить габариты газоанализатора и позволит, в перспективе, довести дистанцию мониторинга до более, чем 300 м.
Кроме создания перспективных газоанализаторов как устройств для обеспечения непрерывного мониторинга, имеет место и другая проблема, связанная с обработкой и передачей измерительной информации. Недостатками существующей датчиков и систем контроля являются: зависимость их от систем электроснабжения и кабельного телеизмерения; уязвимость кабелей к различным повреждениям и помехам, связанным с наводками электромагнитных полей, большой расход кабельной продукции, зачастую соизмеримый по затратам со стоимостью сенсоров. В тоже время в мире развиваются беспроводные технологии передачи данных, обеспечивающие дистанционное управление устройствами и сбор данных о состоянии устройств. В частности, идет быстрое развитие беспроводных сенсорных сетей, которые обычно включают "точечные" датчики, расположенные в разных местах, но связанные между собой беспроводной связью.
Для беспроводной передачи данных измерений, полученных в ходе проведения измерений, предполагается использовать стандарт IEEE 802.15.4 и протокол высокого сетевого уровня ZigBee, поскольку, его программно-аппаратный интерфейс, в отличие от обычных радиоканалов, позволяет создавать сенсорные сети из практически неограниченного числа устройств. Технология ZigBee имеет частотные каналы в диапазонах 868 МГц, 915 МГц и 2,4 ГГц. При этом наибольшие скорости передачи данных и наивысшая помехоустойчивость достигаются в диапазоне 2,4 ГГц. Использования стандарта передачи данных ZigBee в трассовом газоанализаторе позволит не только передавать данные по радиоканалу, но и обеспечит встраивание трассового газоанализатора в беспроводные сенсорные сети. С целью оперативного информирования соответствующих служб при возникновении чрезвычайных ситуаций будут разработаны алгоритмов цифровой обработки измеряемых сигналов и передачи полученной информации по радиоканалу , включая выход на сети стандартов GSM и Ethernet.
Важным обстоятельством также является обеспечение работоспособности трассовых оптоэлектронных газоанализаторов в чрезвычайных обстоятельствах, приводящих к отключению сетевого питания. Для снижения риска отключения газоанализатора предполагается разработать компактный резервную систему питания (автономный источник питания) на базе суперконденсаторов. Использование суперконденсаторов позволяет создать резервный накопитель энергии, работающий при температурах до -50 градусов Цельсия.
На данный момент в мире не существует газоанализаторов сочетающих в себе функции измерения довзрывоопасных концентраций газов и паров углеводородов в воздухе с передачей данных по радиоканалу и работающих автономно от накопителей энергии на основе суперконденсаторов.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разрабатываемые в рамках ПНИ конструктивно-технологические решения и принципы должны быть предназначены для создания автономного трассового газоанализатора, обеспечивающего мониторинг довзрывоопасных концентраций газов и паров углеводородов в воздухе, в том числе, на территориях с ограниченным и отсутствующим сетевым питанием и в условиях холодного климата.
Разрабатываемый трассовый газоанализатор предназначен для обеспечения непрерывного контроля довзрывоопасных концентраций углеводородных соединений и газов, таких как бутан, пропан, этан, метан и прочих продуктов нефтегазопереработки на расстояниях до 300 м.
Газоанализаторы данного типа получили название "трассовых" так как позволяют проводить непрерывный контроль вдоль контролируемого объекта (т.е. на больших линейных расстояниях и этим они отличаются от "точечных" газоанализаторов). Их применение позволяет в десятки раз сократить число "точечных" стационарных газоанализаторов.
Области применения.
Для контроля утечек углеводородов на
1. Газоперерабатывающих станциях и магистральных трубопроводах
2. Газоналивных и распределительных терминалах
3. В хранилищах и складах нефтепродуктов
4. На нефтеперерабытывающих и нефтехимических заводах
5. На заводах по переработке химического сырья
6. Для мониторинга состава воздуха вдоль периметра промышленных предприятий
Возможные потребители ожидаемых результатов
· Нефтеперекачивающие станции магистральных нефтепроводов;
· Газокомпрессорные станции;
· Резервуары для хранения нефти и нефтепродуктов, сжиженного газа;
· Буровые и добывающие платформы
· Склады ГСМ и химических веществ
· Наливные эстакады и морские терминалы, платформы, причалы
· Предприятия ТЭК, ГАЗС, ТЭЦ, ГРЭС
Полученный в ходе выполнения ПНИ схемотехнические и конструктивно-технологические решения соответствуют мировому уровню и могут быть запатентованы. Полученные экспериментальные результаты являются новыми и будут опубликованы в ведущих Российских и зарубежных журналах.

Текущие результаты проекта:
Проведено исследование вариантов оптических систем для создания оптоэлектронного трассового газоанализатора. На основе проведённых исследований сформулированы принципы построения устройства формирования светового потока (источника и приёмника ИК излучения).
В частности, обосновано использование двухлучевой схемы с измерительным лучом и лучом сравнения. Использование лазерных светодиодов в качестве источников света на длине волны 1.7 мкм и 2.3 мкм.
Разработана маршрутная карта на технологию изготовления устройства формирования светового потока и эскизная конструкторская документация на устройство формирования светового потока (источник излучения инфракрасного светового потока и приемник излучения инфракрасного светового потока).
Проведен анализ возможных технических решений технических решений, обеспечивающих защиту от конденсации влаги и изморози на элементах оптики. Показано, что из четырех видов прозрачных электропроводящих покрытий- In2O3, SnO2(или их композиты ITO), ZnO и CdO, которые широко используются в различных приложениях, для трассового оптоэлектронного преобразователя могут быть использованы только пленки ZnO. Пленки оксида цинка прозрачны в диапазоне длин волн 1.6-2.5 мкм и на их основе могут быть выполнены пленочные нагреватели для оптических линз. Исходя из требований ТЗ рассчитаны параметры пленочного нагревателя. Разработан способ магнетронного получения пленок ZnO на стеклянных подложках.
Проведено теоретическое моделирование спектров отражения различных многослойных пленочных структур в диапазоне длин волн 1.5 мкм – 2.5 мкм, состоящих из различных материалов. На основе полученных результатов и исходя из того, что оптическое антиотражающее покрытие должно одновременно выполнять и защитные функции, в качестве просветляющего покрытия (на двух длинах волн 1.7 мкм и 2.3 мкм) было выбрано двухслойное покрытие Al2O3- HfO2. Для создания двухслойного покрытия Al2O3- HfO2 была разработана технология электроннолучевого осаждения слоев Al2O3 и HfO2 из оксидов алюминия и цинка. На основе проведённых исследований был разработан лабораторный технологический для нанесения многослойных функциональных покрытий.
В настоящее время ведется изготовление ЭО трассового газоанализатора.