Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0022

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0022
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)"
Название доклада
Исследование и разработка трассовых оптоэлектронных устройств обнаружения газа для систем промышленной безопасности
Докладчик
Баранов Александр Михайлови
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
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.
Ключевыми задачами проекта являются:
1. Разработка оптоэлектронного устройства формирования светового потока (излучателя и у детектора
светового потока).
2. Разработка электрической принципиальной схемы блока микроэлектронного управления.
3. Разработка конструкции трассового оптоэлектронного газоанализатора довзрывоопасных концентраций
газов и паров углеводородов в воздухе с передачей данных по радиоканалу.
4. Исследование параметров и характеристик трассового газоанализатора.
5. Разработка алгоритмов и программного обеспечения для оптимального управления режимами работы
трассового оптоэлектронного газоанализатора и проведения мониторинга углеводородов в воздухе.
6. Разработка алгоритмов и протоколов безопасной передачи данных по беспроводным сенсорным сетям,
включая выход в сети стандарта GSM и Ethernet.
7. Разработка принципов управления внешними исполнительными устройствами
Актуальность и новизна исследования
Трассовый газоанализатор является ИК датчиком «открытого пути» обеспечивающим непрерывный контроль содержания газов в воздухе. Принцип действия трассовых газоанализаторов основан на измерении интенсивности инфракрасного излучения при прохождении им среды с контролируемым газом.До последнего времени в качестве источников излучения использовались миниатюрные лампы накаливания (ксеноновые), имеющие непрерывный спектр излучения в ближней ИК области. Так как ксеноновые лампы излучают в широком диапазоне длин волн, то обязательным условием проведения измерений является необходимость использования фильтров оптического излучения. Кроме того, большая часть мощности ксеноновой лампы пропадает (более 90 %), так как основная ее интенсивность излучения приходится на видимый диапазон. Появление полупроводниковых светодиодов и лазеров ближней ИК (1.6- 5.0 мкм) позволяет существенно улучшить параметры газоанализаторов (габариты, энергоэффективность, дальность мониторинга и т.д.). При этом для мониторинга углеводородов ( таких как метан, этан, пропан, бутан и прочих продуктов нефтегазопереработки) обычно используется диапазон длин волн от 3.3 мкм и выше. Однако использование полупроводниковых светоизлучающих диодов на длине волн 3.3. мкм затруднено из за их узкой ширины запрещенной зоны. Поэтому, фактически, уже при комнатной температуре, имеет место переход к собственной проводимости, что вызывает сильную зависимость электропроводности от температуры и уменьшает излучательную рекомбинацию. В данном проекте были разработаны принципы создания многоволновых трассовых газоанализаторов, в которых в качестве источника света используются светодиодные матрицы, излучающих в диапазоне 1.3-2.5 мкм.

Описание исследования

В ходе выполнения проекта были проведены следующие разработки и исследования:

1. Были  исследованы принципы создания перспективного трассового оптоэлектронного газоанализатора довзрывоопасных концентраций газов и паров углеводородов в воздухе с передачей данных на основе беспроводных сетевых протоколов.

2. Проведены теоретические исследования по разработке оптимальных конструктивно-технологических методов создания трассовых газоанализаторов довзрывоопасных концентраций газов и паров углеводородов в воздухе с передачей данных на основе беспроводных сетевых протоколов, в том числе: выполнено моделирование процессов прохождения и поглощения светового потока через газовое облако при разных условиях окружающей среды; разработана математическая модель поглощения светового потока через газовое облако при разных условиях окружающей среды; разработаны алгоритмы расчета коэффициентов поглощения и прохождения светового потока поглощения светового потока через газовое облако при разных условиях окружающей среды;  выполнены расчеты коэффициентов поглощения и прохождения светового потока поглощения светового потока через газовое облако при разных условиях окружающей среды.

3. Были  разработаны алгоритмы их программная реализация для оптимального управления режимами работы ЭО трассового газоанализатора; алгоритмы и программное обеспечение   для проведения мониторинга состава воздуха;  алгоритмы и программное обеспечение   для  управления внешними исполнительными устройствами;  алгоритмы обработки  и сжатия полезного сигнала и их программная реализация;  алгоритмы и протоколы безопасной передачи данных по беспроводным сенсорным сетям, включая выход в сети стандарта GSM и Ethernet, а также сетевой протокол конфигурирования  экспериментального образца (далее ЭО) трассового газоанализатора  в составе  развернутой сенсорной сети. 

4. Для экспериментальной проверки результатов теоретических исследований были  изготовлены различные устройства формирования светового потока:

1) источник ИК излучения светового потока  с  ИК  лампой и полупроводниковый  приемник ИК излучения;

2) источник ИК излучения светового потока с ИК светодиодом  и фотоэлектронный  (далее ФЭУ) приемник ИК излучения;

3) источник ИК излучения светового потока с  ИК лазером с перестраиваемой частотой и полупроводниковый приемник ИК излучения.  

5. Был изготовлен  ЭО  трассового газоанализатора, включающий в себя, устройство формирования светового потока, блок измерения и линеаризации сигнала, микроэлектронный блок управления и блок беспроводной передачи данных и  выполнены экспериментальные исследования  его параметров и характеристик.

Результаты исследования

1. Разработаны 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 Проведено моделирование прохождения и поглощения светового потока через газовое облако при разных условиях окружающей среды.

3 Разработаны алгоритмы  для оптимального управления режимами работы трассового оптоэлектронного газоанализатора и проведения мониторинга состава воздуха и их программная реализация. 

4 Разработаны алгоритмы для  управления внешними исполнительными устройствами и их программная реализация.

5 Разработаны алгоритмы и протоколы безопасной передачи данных по беспроводным сенсорным сетям, включая выход в сети стандарта GSM и Ethernet.

6 Создан экспериментальный образец (ЭО)  трассового газоанализатора и исследованы его характеристики.

Показано, что для инфракрасных трассовых газоанализаторов на метан наиболее перспективным является использование полосы поглощения 2.3 мкм. Проведенные расчеты показали, что коэффициент поглощения метана в атмосфере уменьшается с ростом температуры и увеличивается с ростом давления. Показано, что перекрестная чувствительность газоанализатора на метан к другим углеводородам не превышает 10%.  Для исключения влияния неконтролируемых параметров окружающей среды на результаты измерений предложено использовать двухлучевую измерительную схемы с близкими длинами волн 1.7 мкм и 2.3 мкм. 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). Обосновано использование двухлучевой схемы с измерительным лучом и лучом сравнения. Использование светодиодов в качестве источников света на длине волны 1.7 мкм и 2.3 мкм. Кроме того, для устройства формирования светового потока показано, что необходимо использовать параболический рефлектор для предварительной фокусировки излучения светодиода. Оптические системы из параболического рефлектора и линзы позволяет осуществить фокусировку светового пучка на расстояниях в сотни метров. Для предотвращения конденсации влаги на оптических элементах необходимо обеспечить подогрев оптики, который выполняется за счет нанесения прозрачного электропроводящего покрытия на поверхность линзы с последующим пропусканием через нее электрического тока.

Для измерения концентрации многокомпонентных смесей обосновано применение многоволновых светодиодных матриц, излучающих в диапазоне 1.1- 2.5 мкм. Проведено исследование многокомпонентных газовых смесей. Мониторинг состава газового состава среды осуществляется на основе последовательных измерений коэффициентов пропускания излучения от всех светодиодов светодиодной матрицы. Излучение распространяется в анализируемой атмосфере и регистрируется фотоприемником. Уменьшение пропускания на измеряемой длине волны свидетельствует о наличии поглощающего соответствующего газа.  

На основании вышесказанного можно заключить, что полученные результаты характеризуются научной новизной и практической значимостью. Разработанные в ходе выполнения проекта схемотехнические и конструктивно-технологические решения соответствуют  мировому уровню. По результатам работы поданы три заявки на получение РИД. 

Практическая значимость исследования
Разрабатываемый трассовый газоанализатор предназначен для обеспечения непрерывного монторинга довзрывоопасных концентраций углеводородных соединений и газов, таких как бутан, пропан, этан, метан и прочих продуктов нефтегазопереработки на территории или вдоль периметра контролируемого объекта, в том числе, на территориях с ограниченным и отсутствующим сетевым питанием и в условиях холодного климата. Их применение позволяет в десятки раз сократить число "точечных" стационарных газоанализаторов.
Области применения.Для контроля утечек углеводородов
1. На 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