Разработка и использование мультисенсорной системы для определения летучих компонентов в воздухе при производстве строительных материалов из полимерных композитов

УДК 699.8

РАЗРАБОТКА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МУЛЬТИСЕНСОРНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛЕТУЧИХ КОМПОНЕНТОВ В ВОЗДУХЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ

А.М. Чуйков, А.В. Мещеряков, А.В. Калач

Изучены возможности использования газоанализатора для своевременного обнаружения токсикантов при производстве и эксплуатации строительныхматериалов из полимерных композитов.

Ключевые слова: токсичность, строительные материалы, газоанализатор.

В настоящее время комплекс производства и использования отделочных и строительных материалов является одной из ведущих отраслей экономики России. Производство этих материалов связано с переработкой и синтезом полимерных веществ. Обеспечение безопасной эксплуатации в данной отрасли является важной и актуальной задачей. Все это диктует необходимость повышения и обеспечения требуемого уровня экологической и пожарной безопасности строительных материалов при их эксплуатации и переработке [1].

Традиционно пожаровзрывоопасность строительных материалов оценивают путем сравнения их состава с ПДК выделяющихся газообразных веществ. Первостепенное значение имеет класс опасности, состав вредных веществ и их количественное содержание. И здесь особое внимание необходимо уделить строительным материалам на полимерной основе.

Целью данной работы является разработка интеллектуальной мультисенсорной системы контроля и оценки уровня токсичности воздушной среды при производстве и эксплуатации полимерных композитов различной структуры, выполненных из ДВП, ДСП, ПВХ линолеума, различного рода отделочных материалов на основе винилхрорида (сайдинг), ПВА, вспененного ПС и мн. др., способных привести к изменению пожароопасной обстановки на объекте.

Многочисленные исследования показали, что практически все полимерные строительные и отделочные материалы, созданные на основе низкомолекулярных соединений, в процессе эксплуатации могут выделять токсичные летучие компоненты, которые при длительном воздействии могут неблагоприятно влиять на живые организмы.

Миграция токсичных веществ из полимерных материалов происходит вследствие их химической деструкции и в связи с недостаточной экологической чистотой исходного сырья, нарушением технологии их производства или использованием не по назначению.

Чуйков Александр Митрофанович - ФГБОУ ВПО Воронежский институт ГПС МЧС России, тел. (473) 236-33-05; Мещеряков Алексей Викторович - к.т.н., ФГБОУ ВПО Воронежский институт ГПС МЧС России, тел. (473) 23633-05;

Калач Андрей Владимирович - к.хн., доцент, ФГБОУ ВПО Воронежский институт ГПС МЧС России, тел. (473) 236-33-05.

Уровень выделения газообразных токсичных веществ заметно увеличивается при повышении температуры на поверхности полимерных материалов и относительной влажности воздуха в помещении.

Выделение газообразных токсичных веществ в результате горения полимерных строительных материалов - еще один весьма серьезный опасный фактор, связанный с их использованием. Достаточно указать, что термическое разложение при горении 1 кг полимерного материала дает столько газообразных токсичных веществ, что их достаточно для отравления воздуха в помещении объемом 2000 м3. У человека, находящегося в таком помещении, через 10—15 мин возникает тяжелое отравление или даже возможно гибель.

Продуктами горения полимерных материалов являются такие токсичные вещества, как формальдегид, хлористый водород, оксид углерода и др. При горении пенопластов выделяется весьма опасный газ — фосген, при термическом разложении пенополи-стирола — цианистый водород, газообразный стирол и другие не менее опасные продукты.

Все это в совокупности обуславливает актуальность и практическую значимость создания инструмента для экспресс-определения токсичных газов, выделяемых строительными материалами. Для решения этой задачи оптимален газоанализатор.

Сферы возможности применения газоанализатора в задачах обеспечения безопасности объектов и населения являются:

1. Системы сверхранней пожарной сигнализации Система функционирует по принципу аспирационного обнаружения летучих продуктов возгорания размерами 3-300 нм, образующихся на стадии нагрева изоляции электрооборудования. Технология обнаружения наноразмерных частиц продуктов нагрева позволит существенно (в десятки раз) уменьшить время обнаружения пожароопасной ситуации.

2. Быстрое тестирование безопасности новых материалов, продуктов их сгорания и составов для пожаротушения.

3. Обнаружение запахов во вредных условиях (радиация, отравляющие вещества, высокие температуры и т.п.).

В связи со сложностью распознавания образов значительно возрастают и требования по оперативности получения результатов и необходимости распознавания сразу нескольких токсикантов и возникает необходимость в применении методов математического

моделирования для создания газоанализатора. Такой подход обеспечивает сокращение расходов на разработку системы.

Проведенный анализ существующих моделей систем обоняния позволил выбрать в качестве базовой модели для создания устройства, позволяющего проводить неразрушающий анализ веществ и строительных материалов, многоуровневую нейронную модель, описывающую механизм работы обонятельной системы. Такой выбор обусловлен максимальной схожестью модели со своим биологическим аналогом и простотой и возможностью варьирования параметров программной реализации [2].

Результатом анализа газовой смеси является идентификация содержащихся в ней токсичных веществ. Естественно, что такой результат является текстовым и для использования нейросети его необходимо закодировать. Для кодировки результатов анализа было принято решение о присвоении каждому токсиканту уникального кода, по которому при формировании итогового отчета можно было бы восстановить текстовое представление выходных данных. При этом используется принцип увеличения расстояния между токсикантами, т.е. присвоение веществам не порядковых номеров, а числовых значений, стоящих далеко друг от друга. Код каждого вещества является уникальным числовым идентификатором токсиканта, по которому происходит поиск в базе данных соответствующих характеристик вещества для формирования итогового отчета, содержащего результаты анализа газовой смеси. Код токсиканта задается в соответствии с алгоритмом индексирования в момент добавления данного вещества в базу данных «Токсикант». Этот параметр является постоянной величиной и при изменении остальных характеристик токсиканта (обучающей выборки и основных сведений) остается прежним

Таким образом, получаем, что входной сигнал нейросети представляет собой вектор значений, число которых равно количеству сенсоров устройства, а выход сети - число, представляющее собой значение кода токсиканта. В связи с этим определим число нейронов входного и выходного слоев ИНС: во входном слое будет содержаться количество нейронов, идентичное количеству пьезосенсоров с учетом момента времени снятия сигнала (п+1), в выходном слое будет содержаться один нейрон, выход которого - код вещества.

Созданная измерительная система со своими функциональным возможностям дает нам полное право говорить о целесообразности ее применения для мониторинга и контроля пожаровзрывоопасности окружающей среды в процессе производства и эксплуатации строительных материалов на полимерной основе, поскольку анализатор не пассивно отражает информацию о воздействии анализируемой среды, а проводит процесс самонастройки на данный аналит, компенсирует неточность поступающей информации и выдает результат. Кроме того, следует отметить быстроту проводимого анализа, а также малогабаритность измерительной системы.

Литература

1. Арутюнов В.О. Электрические измерительные приборы и измерения. Л.:Г осэнергоиздат, 1958. 248 с.

2. Калач А.В. Пьезосенсоры в мониторинге окружающей среды // Эколог. системы и приборы. 2004. N»10. С. 8 -

11.

3. Калач А.В. Мультисенсорная система "электронный нос". Часть 2 / Калач А.В., Журавлева Е.В., Рыжков В.В. и др. Сбор, о бработка и анализ сигналов // Диагностика. Ко н-троль. 2006. №1.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский институт Государственной противопожарной службы МЧС России»

DEVELOPMENT AND USE OF THE SYSTEM FOR DETERMINING MULTI-VOLATILE COMPONENTS IN THE AIR IN THE PRODUCTION OF BUILDING MATERIALS FROM POLYMER COMPOSITES

Studied the possibility of using the gas analyzer for early detection of toxicants in the manufacture of building materials operation of polymer composites.

Key words: toxicity, building materials, gas analyzer.