Материал: Проектирование детектора природного газа

Проектирование детектора природного газа

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Оренбургский государственный университет

Электроэнергетический факультет

Кафедра промышленной электроники и информационно-измерительной техники

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

Тема:

Проектирование детектора природного газа

Оренбург 2015

Содержание

Введение

1. Анализ технического задания, рассмотрение аналогов

. Разработка функциональной схемы и технические решения

.1 Функциональная схема взаимодействия

.2 Разработка основных функциональных узлов

2.3 Обоснование выбора типа микропроцессорной системы

. Реализация основных узлов

.1 Узел управления и обработки

.1.1 Расчёт частоты синхроимпульсов МК

.1.2 Расчёт световой индикации

.1.3 Цепь питания

.2 Узел интерфейса RS-232

.3 Узел преобразователя уровней напряжения TTL/LVTTL

.4 Разработка конструкции

. Безопасность труда

.1 Анализ вредных производственных факторов и обеспечение безопасных условий труда

.1.1 Производственная пыль и ее влияние на человека

.1.2 Электробезопасность

4.1.3. Шум и вибрация

4.1.4 Эргономика рабочего места

.1.5 Производственное освещение

.2 Инженерный расчет производственного освещения

.2.1 Расчет естественного освещения

.2.2 Расчет искусственного освещения

4.3 Возможные чрезвычайные ситуации

4.3.1 Расчет времени эвакуации сотрудников лаборатории при пожаре

.3.2 Моделирование ЧС в зоне 3 километров от лаборатории

.3.3 Оценка химической обстановки на объекте в результате аварийного разлива 25 т хлора на расстоянии 1.2 км

Заключение

Список использованных источников

Приложения

Введение

Детектор - это устройство, предназначенное для обнаружения в потоке газа-носителя анализируемых веществ по какому-либо физико-химическому свойству. Отклик осуществляется за счет преобразования свойств в электрический сигнал. Детекторы подразделяются на интегральные и дифференциальные. Интегральный детектор регистрирует изменение во времени суммарного количества выходящих из колонки компонентов.

Хроматограмма представляет собой ряд ступеней. Из-за низкой чувствительности, большой инертности и недостаточной универсальности эти детекторы имеют ограниченное применение. Все серийно выпускаемые газохроматографические детекторы являются дифференциальными. Сигнал таких детекторов пропорционален мгновенному изменению значения какого-либо свойства газового потока, а его аналоговая запись имеет вид пика.

Хроматограмма, полученная с таким детектором, представляет ряд пиков, причем количество каждого компонента пропорционально площади соответствующего пика.

В процессе детектирования химическая природа молекулы анализируемого вещества может изменяться или нет. Если природа молекулы изменяется (процесс разрушения молекулы), то она может быть зарегистрирована лишь однократно. Если же природа молекулы не изменяется, то такая молекула может быть зарегистрирована детектором многократно. Детекторы, в которых возможна многократная регистрация молекул, называются концентрационными, т.к. их сигнал пропорционален концентрации вещества в газе-носителе. Примером концентрационного детектора является детектор по теплопроводности (ДТП), в котором процесс отвода теплоты от чувствительных элементов не разрушает молекул анализируемых веществ. Детекторы, в которых возможна лишь однократная регистрация молекул, называются потоковыми, т.к. их сигнал пропорционален потоку вещества. В качестве типичного примера потокового детектора можно привести ионизационно-пламенный детектор (ДИП), в котором происходит сгорание органических веществ.

Исходя из цели анализа и условий его проведения, следует выбирать такой детектор, характеристики которого соответствуют им в наибольшей степени. Критерии оценки детекторов общеприняты для всех систем детектирования; к ним относятся:

чувствительность;

минимально детектируемая концентрация (предел обнаружения);

фоновый сигнал;

уровень шума;

скорость дрейфа нулевой линии;

диапазон линейности детектора;

эффективный объем и время отклика (быстродействие);

селективность.

Чувствительность отражает степень взаимодействия анализируемого вещества с детектором и определяет величину сигнала, соответствующего содержанию (концентрации и потоку) вещества в газе-носителе. На практике чувствительность чаще всего определяют по площади сигнала детектора в зависимости от типа детектора.

Применение микронасадочных и капиллярных колонок требует высокочувствительные детекторы (например, ДИП), а при работе с насадочными колонками - средней чувствительности (ДТП, детектор по плотности). Сигнал, который дает детектор хроматографа, работающего в каком-либо режиме, в отсутствие анализируемых веществ, называется фоновым. Графическим отражением фонового сигнала является нулевая линия, регистрируемая самописцем. Фоновый сигнал - это реакция детектора на состав газового потока, поступающего в детектор. Фоновый сигнал есть у каждого детектора, однако, нельзя измерить фоновый сигнал ДТП, т.к. его измерительная схема построена на разностном (компенсационном) принципе и на выходе детектора регистрируется результат сравнения сигналов двух линий. Из-за естественной нестабильности параметров хроматографического режима и воздействия на сигнал детектора различных помех, фоновый сигнал детектора проявляет различной степени нестабильность, что отражается на качестве нулевой линии.

Целью данного дипломного проекта является разработка проекта детектора природного газа.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- проведён анализ технического задания, рассмотрены аналоги;

разработана функциональная схема и технические решения;

разработано программное обеспечение для данного проекта;

приведено технико-экономическое обоснование проекта;

рассмотрены вопросы безопасности труда;

подведены итоги о проделанной работе.

. Анализ технического задания, рассмотрение аналогов

В соответствии с техническим заданием необходимо спроектировать детектор природного газа.

Данный детектор относится к газовым детекторам с низким энергопотреблением, в особенности для применений в областях, в которых существует опасность взрыва газа. Детекторная система для обнаружения или определения, по меньшей мере, одного конкретного газа в газовой смеси содержит, по меньшей мере, один первый детектор (D_LP), который непрерывно осуществляет мониторинг газовой смеси для обнаружения изменения в составе смеси. Детекторная система также содержит, по меньшей мере, один второй детектор (D_HP), способный определять концентрацию, по меньшей мере, одного конкретного газа в газовой смеси. При этом второй детектор (D_HP) выполнен с возможностью активации (С), когда первый детектор (D_LP) обнаруживает изменение. Также детекторная система содержит управляющее устройство (УУ), которое выполнено с возможностью деактивации второго детектора (D_HP), когда сигнал об измерении концентрации представляет собой концентрацию, по меньшей мере, одного конкретного газа, которая лежит ниже предварительно заданного значения. Техническим результатом данного проекта является повышение точности и надежности обнаружения газов, а также без потребления слишком большого количества энергии.

На нефтедобывающих платформах и на промышленных предприятиях, на которых работают с углеводородами и обрабатывают их, важно иметь возможность как можно быстрее обнаружить присутствие горючих газов из-за утечки. Фактически более 50% утечек газов, повторяющихся на нефтяных платформах, сегодня обнаруживают вручную. Такое обнаружение носит случайный характер и показывает, что существует необходимость в установке большего количества газовых детекторов. Газовые детекторы, используемые на нефтяных платформах, должны удовлетворять строгим техническим требованиям. Они должны быть чрезвычайно надежными, чувствительными, получить одобрение EX и должны быть способны существовать в суровых климатических условиях с течением времени. Существует высокотехнологичное оборудование, которое может соответствовать требованиям, но по чрезвычайно высокой цене за один детектор и при значительной стоимости установки, среди прочего, вызванной тем, что они должны быть соединены с центральным постом с помощью фиксированной разводки. Это ограничивает площадь покрытия. Целесообразны более дешевые типы газовых детекторов.

Таким образом, преимуществом является схема расположения беспроводного типа, в частности, из-за стоимости установки. Затем в то же время интересно использовать раздельное энергообеспечение для каждого устройства обнаружения, например питание от батареи. Но в то же время необходимо, чтобы детектор был включен непрерывно, и традиционные газовые детекторы типично потребляют так много электричества, что использование батарей становится непрактичным или невозможным.

В частности газовые детекторы такого типа, который способен выполнять точное определение концентрации газа определенного типа, например детектор метана, обладает значительно более высоким энергопотреблением, чем более «неспецифичный» детектор, который может обнаруживать изменения в газовой смеси, но не может точно определить, какой газ был добавлен в смесь.

Примерами детекторов неспецифичного типа являются акустические датчики с электростатической, электромагнитной или пьезоэлектрической активацией. Примерами детекторов специфического типа являются фотоакустические датчики и другие инфракрасные датчики, которые могут быть изготовлены, например, специально для природного газа.

Другими интересующими областями в отношении расположения газового детектора являются ограниченные пространства внутри колодцев или резервуаров на суднах и внизу в шахтах, где существует нехватка электрических и информационных коммуникаций и где не могут быть установлены фиксированные детекторы.

Таким образом, существует необходимость в детекторе, который является по-настоящему энергосберегающим и который дает хорошие измерения для конкретных газов, которые считаются опасными в данной области.

Пример существующей области техники раскрыт в европейской заявке на патент №1316799 A2, где газовый детектор для конкретного газа используют для наблюдения за вентиляционной системой. По большей части эта публикация относится к алгоритму вычисления пороговых значений для активации.

Международная патентная заявка WO 00/16091 A1 описывает группу газовых датчиков для множества конкретных газов, в которой управляющие устройства для отдельных газовых датчиков выключаются и включаются мультиплексором во избежание перекрестных помех от сигналов отдельных датчиков. В патентных заявках US-2004065140 A1, GB-2364807 A, JP-2002109656 A и US-6321588 B1 показаны системы и способы, используемые для наблюдения за изменениями концентраций газов или утечками газов в труднодоступных местах на промышленных предприятиях. Они включают в себя, по меньшей мере, один датчик и способы энергосбережения с помощью датчиков и других компонентов, которые можно выключить или использовать импульсные батареи.

Эти примеры существующей области техники в данной области не решают вышеописанных проблем. Настоящее устройство стремится удовлетворить вышеуказанную потребность в газовых детекторах с низким энергопотреблением и с разумной ценой.

Чтобы решить вышеуказанные проблемы предоставлена детекторная система для обнаружения или определения, по меньшей мере, одного конкретного газа в газовой смеси, в которой специализированность детекторной системы состоит в том, что она содержит:

по меньшей мере, один первый детектор, который непрерывно следит за газовой смесью для обнаружения изменения в составе смеси, и

по меньшей мере, один второй детектор со способностью определять концентрацию, по меньшей мере, одного конкретного газа в газовой смеси, где второй детектор скомпонован так, чтобы активироваться, когда первый детектор обнаруживает изменение.

В своем втором аспекте данное устройство осуществляется посредством способа для обнаружения или определения, по меньшей мере, одного конкретного газа в газовой смеси, и особые свойства способа состоят в том, что он содержит следующие стадии:

наблюдение за газовой смесью происходит непрерывно, по меньшей мере, с помощью одного первого детектора для обнаружения изменения в составе смеси,

по меньшей мере, один второй детектор активируется, когда первый детектор обнаруживает изменение, и

второй детектор выполняет определение концентрации, по меньшей мере, конкретного газа в газовой смеси.

На рисунке 1 показана блок-схема принципиального варианта осуществления детекторной системы.

Рисунок 1 - Блок-схема принципиального варианта осуществления детекторной системы

На рисунке 1 показана блок-схема первого варианта осуществления устройства. Основные блоки представляют собой первый газовый детектор D_LP с необходимым оборудованием в виде электроники и датчика и расположенный близко к D_LP второй газовый детектор D_HP с соответствующим необходимым оборудованием.

Для D_LP требуется небольшое энергоснабжение P_L от источника энергии <#"863425.files/image002.jpg">

Рисунок 2 - Конкретный вариант осуществления детекторной системы с отдельным контроллером

Здесь «канал» между первым детектором D_LP и вторым детектором D_HP введен в форме контроллера УУ2. Этот контроллер УУ2, содержащий микропроцессор и приемопередающее оборудование, которое выбрано в качестве беспроводного канала между блоками (например, радиостанция с малым радиусом действия), может иметь задачу по сортировке входящих сигналов от отдельного первого детектора D_LP для принятия решения о том, какой конкретный газ будет использован для определения концентрации с помощью всех вторых детекторов D_HP или с помощью отдельных специфических детекторов из этих вторых детекторов D_HP. УУ2, которое предпочтительно может быть расположено на центральном посту, содержит общую схему расположения каждого отдельного детектора в системе и может быть перепрограммировано персоналом в соответствии с изменениями, например, в расположении новых детекторов, изменениями пороговых уровней и т.д. Предполагается, что все детекторы оснащены приемопередающим оборудованием.

Как можно видеть на рисунке 1, в простом варианте осуществления данного устройства с двумя близкорасположенными детекторами D_LP и D_HP оба они снабжаются энергией от обыкновенной батареи B. Она является типичной для источника энергии <#"863425.files/image003.jpg">

Рисунок 3 - Функциональная схема взаимодействия между детекторами в системе

На рисунке 3 показана схема работы детекторной системы. Неспецифический детектор с датчиком S_LP в левой части фигуры с низким энергопотреблением в бесконечном цикле наблюдает за газовой смесью, которая может быть окружающей атмосферой, а также газовой смесью в трубопроводе или чем-то подобном, и проверяет, остается ли состав смеси постоянным или он меняется. Возможно, он может наблюдать за уровнем концентрации конкретного газа, как указано выше. Поскольку состав остается неизменным, детектор будет продолжать это наблюдение без каких-либо дополнительных действий. Однако если состав изменился на обнаружимое значение, датчик SHP активируется - Пробуждается - в детекторе в правой части фигуры, который выполняет специфический анализ при повышенном энергопотреблении. Если результат этого анализа, например, показывает, что процентное содержание углеводородов HC в газовой смеси ниже или равно 2500 мд, это обозначает, что датчик S_LP выполнил ложное измерение, или что обнаруженное изменение в составе газовой смеси связано с чем-то другим, а не со снижением HC, или, в конечном счете, что имело место изменение HC, которое не превышает предела, который считается опасным. Правый детектор изменяет собственное электроснабжение для снижения электропотребления всей системы. Однако если оценка левого детектора подтверждается посредством измерения концентраций углеводородов, например, выше чем 2500 мд, то подается сигнал тревоги.