УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УТЕЧЕК ВЗРЫВООПАСНЫХ ЖИДКОСТЕЙ НА ОСНОВЕ ПЬЕЗОСЕНСОРА
DEVICE DETERMINING LEAKS OF EXPLOSIVE LIQUIDS BASED ON PIEZOELECTRIC SENSOR

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено для непрерывного контроля утечек взрывоопасных жидкостей (в том числе органических растворителей, аммиака, керосина, бензина) и выдачи звукового или светового сигнала при повышении концентраций паров жидкостей в воздухе помещений, замкнутых объемах (подземных сооружениях и коммуникациях) и наружных установок.
Известны устройства для определения утечек взрывоопасных жидкостей, действие которых основано на различных принципах измерений концентраций газов и паров в воздухе, но для детектирования взрывоопасных газов наибольшее распространение получили термокаталитические благодаря экономичности, простоте конструкции, быстродействию. К недостаткам устройств на основе термокаталитических сенсоров относят ограниченный срок службы и уменьшение чувствительности с течением времени. Кроме того, ряд газов и паров (например, пары авиационного керосина) могут отравлять сенсор. Еще одной особенностью термокаталитических сенсоров является то, что для окисления горючего газа на пеллисторе необходим кислород воздуха, поэтому при калибровке сенсоров можно применять только поверочные газовые смеси «горючий газ в воздухе» (см. номер в Государственном реестре средств измерения 20851-01 «Анализатор-сигнализатор взрывоопасности АВС-1»).
Наиболее близким к заявляемому решению по технической сущности является устройство для анализа газовых сред с применением многосенсорного газоанализатора с открытым входом (см. Патент РФ №2302627 МПК G01N 27/12). Устройство состоит из корпуса 1 в виде цилиндра или усеченного конуса высотой 5-10 см с крышкой 2, на которой расположены держатели 3 для матрицы сенсоров 4 (от 1-го до 16-и) (фиг. 1). С помощью резьбы 5 фиксируют крышку с пьезосенсорами в корпусе. Для создания герметичности дно корпуса содержит резиновый обод 6. Анализируемую пробу 7 с целью тестирования ее газовой фазы накрывают корпусом газоанализатора. В результате самопроизвольного испарения легколетучих компонентов 8 пробы и диффузии их в околосенсорное пространство происходит сорбция газов на пленочных покрытиях электродов пьезосенсоров. Фиксируют отклики пьезозенсоров (частота колебаний F, Гц) с шагом 1 с в парах анализируемой пробы с применением частотомера 9. Абсолютные аналитические сигналы от каждого пьезосенсора передаются в компьютер 10, обсчитываются по определенному алгоритму, формируются в «визуальный отпечаток» запаха, который представляет собой суммарный отклик матрицы пьезосенсоров и несет аналитическую информацию.
Известное устройство на основе матрицы пьезосенсоров с различными пленочными адсорбционными покрытиями позволяет проводить анализ многокомпонентных газовых проб различного генезиса в периодическом режиме измерений при внесении жидкого или твердого образца непосредственно под корпус ячейки детектирования с открытым входом. Непрерывный мониторинг с помощью такого устройства невозможен вследствие накопительной сорбции компонентов на пленочных покрытиях пьезосенсоров и их низкой селективности: абсолютный аналитический сигнал (F, Гц) будет изменяться непрерывно, что приведет к ложному срабатыванию сигнального устройства.
Техническая задача заключается в том, что устройство на основе одного пьезосенсора должно непрерывно контролировать утечки взрывоопасных жидкостей (в том числе органических растворителей, аммиака, керосина, бензина) и оповещать с помощью светового или звукового сигнала о быстром повышении концентрации паров в околосенсорном пространстве относительно фонового значения.
Технический результат достигается тем, что известное устройство с открытым входом на основе пьезосенсоров оснащается частотомером с функцией непрерывного измерения скорости изменения аналитического сигнала с шагом τ=10 с (ΔF/Δτ, Гц/с) одного пьезосенсора с устойчивым и чувствительным покрытием электродов; сигнальным световым или звуковым устройством, срабатывающим при скачкообразном повышении скорости изменения аналитического сигнала вследствие быстрого повышения концентрации паров жидкостей в околосенсорном пространстве относительно фонового значения; устройством для крепления сигнализатора в местах контроля утечек жидкостей; дополнительной перфорированной крышкой, крепящейся ко дну ячейки детектирования, которая не препятствует самопроизвольной диффузии паров взрывоопасных жидкостей в околосенсороное пространство и предохраняет пьезосенсор от механических повреждений.
Сущность изобретения заключается в том, что устройство с открытым входом для контроля утечек взрывоопасных жидкостей измеряет не абсолютный аналитический сигнал матрицы сенсоров, а скорость изменения аналитического сигнала одного пьезосенсора с устойчивым и чувствительным покрытием, которая зависит от концентрации и природы паров взрывоопасных жидкостей, поступающих в околосенсорное пространство под действием самопроизвольной диффузии от места утечки жидкостей через перфорированное дно ячейки. При быстром повышении концентрации паров в околосенсорном пространстве относительно фонового значения скачкообразно возрастает скорость изменения аналитического сигнала и срабатывает сигнальное устройство. Такой подход позволяет с высокой надежностью непрерывно контролировать утечки жидкостей и исключает ложные срабатывания сигнализации при изменении влажности или состава атмосферного воздуха в помещениях или наружных установках.
Схема устройства для определения утечек взрывоопасных жидкостей (фиг. 2) аналогична прототипу. Отличия заключаются в том, что для работы устройства достаточно применение одного пьезосенсора 4, закрепленного в держателе 3; для свободной диффузии паров взрывоопасных жидкостей в околосенсорное пространство и защиты пьезосенсора от механических повреждений вместо резинового обода ко дну корпуса анализатора неподвижно закрепляется перфорированная крышка 6; сигнализатор закрепляют на высоте l=5-15 см от места возможной утечки взрывоопасной жидкости 7 с помощью устройства для крепления 11. В результате самопроизвольного испарения взрывоопасных жидкостей и диффузии их паров 8 в околосенсорное пространство происходит сорбция газов на пленочном покрытии электродов пьезосенсора. Дифференциальные аналитические сигналы пьезозенсора (ΔF/Δτ, Гц/с) в парах анализируемой пробы измеряются частотомером 9 с функцией измерения скорости изменения частоты колебаний пьезосенсора. При быстром (относительно фонового значения) повышения скорости изменения аналитического сигнала в результате утечки жидкости и сорбции ее паров (табл. 1) срабатывает сигнальное устройство 10.
Время срабатывания пьезосенсора зависит от природы жидкости и расстояния ячейки детектирования до места ее утечки. При l≤15 см время срабатывания датчика не превышает 10 с.
Калибровку устройства проводили по формальдегиду - веществу, адсорбирующемуся на пленочном покрытии пьезосенсора с наименьшей скоростью: при изменении скорости изменения аналитического сигнала более чем на 0,4 Гц/с срабатывает сигнальное устройство (табл. 1). При постепенном изменении влажности воздуха в околосенсорном пространстве от 40 до 100% отн. частота колебаний пьезосенсора на основе, например, гидрофобного полистирола изменяется незначительно (±0,008 Гц/с) и не мешает контролю утечек взрывоопасных жидкостей. При снижении концентрации паров газов в околосенсорном пространстве до фонового уровня происходит самопроизвольная регенерация пьезосенсора.
Число срабатываний устройства зависит от природы сорбента и адсорбата. Наиболее агрессивной средой по отношению к пьезосенсору с полистирольным покрытием с оптимальной массой 12-15 мкг (см. Кочетова Ж.Ю. Определение легколетучих органических соединений в газовой фазе с применением пьезосорбционных сенсоров на основе синтетических и природных полимеров: диссертация... кандидата химических наук: 02.00.02.- Саратов, 2002. - 143 с: ил. РГБ ОД, 61 03-2/229-4) являются пары керосина. Уменьшение массы пленочного покрытия после 100 циклов сорбция-десорбция составляют 1-2 мкг, при этом изменяется структура пленочного покрытия и, как следствие, надежность срабатывания устройства. Число циклов сорбция-десорция при детектировании паров жидкостей с концентрациями в околосенсорном пространстве, равными взрывоопасным, представлено в таблице 1. При выходе из строя пьезосенсор легко заменяется на аналогичный в держателе съемной крышки корпуса устройства.
Сравнение некоторых характеристик предлагаемого технического решения и ближайшего аналога представлено в таблице 2.
Предложенное устройство для непрерывного контроля утечек взрывоопасных жидкостей на основе пьезосенсора позволяет:
- расширить ассортимент определяемых взрывоопасных жидкостей;
- расширить диапазоны рабочих температур и атмосферного давления, сократить время срабатывания сигнального устройства благодаря характеристиками чувствительного элемента: пьезосенсоры характеризуются высокой устойчивостью к перепадам температур и давления, быстродействием (см. Малов);
- расширить диапазон рабочих значений относительной влажности воздуха за счет применения гидрофобного полимерного покрытия электродов пьезосенсора;
- повысить время непрерывной работы за счет микроэнергопотребления пьезосенсора;
- повысить мобильность устройства за счет уменьшения габаритных размеров и массы, а также благодаря независимости измерений от положения пьезосенсора в пространстве.