Разработка и изучение параметров бытового сигнализатора метана (природного газа)

АННОТАЦИЯ

Разработан сигнализатор, предназначенный для обнаружения мест утечек и скоплений горючих газов в замкнутых экологических системах. Время срабатывания сигнализации составляет не более 20 с. Суммарная дополнительная погрешность сигнализатора ±2,1%. Проведенные ис­следования показали, что разработанный сигна­лизатор метана вполне удовлетворяет требованиям ГОСТа для данного класса приборов.

ABSTRACT

An alarm system designed to detect leaks and accumulations of flammable gases in closed ecological systems has been developed. The alarm response time is no more than 20 seconds. The total additional error of the indicator is ±2.1%. Research has shown that the developed methane detector fully meets the requirements of state standard for this class of devices.

Ключевые слова: сигнализатор метена, природный газ, термокаталитический сенсор, взрывоопасные смеси, пожаробезопасность.

Keywords: methane detector, natural gas, thermocatalytic sensor, explosive mixtures, fire safety.

Введение

Метан является одним из опасных компонентов воздуха бытовых и производственных помещений [1, 2; с.176-197]. Он создает с воздухом взрыво­опасную смесь. Поэтому контроль концентрации метана в воздухе необхо­дим [3].

Существующие сигнализаторы и пожарные извещатели не обеспечивают достаточно точного и оперативного контроля концентраций взрывоопасных компонентов воздуха (в частности, метана)[4; с.3103-3109,5.]. Учитывая выше изложенное, ис­следование, направленное на изучение и разработку путей повышения каче­ства контроля метана в воздухе является актуальным.

К основным требованиям, предъявляемым к приборам контроля метана, от­носятся минимальные размеры, низкая потребляемая мощность и высокая надеж­ность. В настоящее время для обеспечения пожаро- и взрывобезопас­ности бытовых и производственных помещений применяются различные сигнализаторы, действие которых основано на фиксировании наличия дыма, повышение температуры, открытого пламени и т.д.[6, 7; с.44-49]. Для них характерен один недостаток – такие датчики «ждут» когда опасные факторы пожара достиг­нут самого извещателя. Поэтому важной задачей становится предупреждение опасной ситуации путем контролирования химического состава воздуха и своевременное предупреждение персонала об опасности.

Нами разработан сигнализатор газа, который благодаря приме­нению селективного термоката­литического сенсора лишен перечисленных выше недостатков [8].

Методика эксперимента

Раз­работанный сигнализатор предназначен для автоматического беспрерывного контроля содержания метана. Прибор обеспечивают звуковую и световую сигнализацию при достижении установленных предельных значений кон­центрации контролируемого компонента. Прибор предназначен для работы в производственных и бытовых помещениях. Поверка и настройка сигнали­затора осуществляется с помощью поверочных газовых смесей. Чувстви­тельные элементы сигнализаторов имеют защиту, которая исключает прямой доступ жидкости и пыли к сенсорам. Подстройка нулевых показаний, чувствительности и пороговых зна­чений срабатывания сигнализации осуществляется с помощью поверочных газовых смесей.

Результаты и их обсуждение

Результаты зависимости сигнала сигнализатора от концентрации при заданных значе­ниях последнего приведена в таблице 1.

Таблица 1.

Зависимость сигнала датчика от концентрации метана в смеси (диапа­зон измерения 0-5,0 % об. n=5, Р=0,95)

Граница основной приведенной погрешности измерения метана в воздухе при заданных значениях концентрации (объемной доли): 0,5 %; 1,0; 1,5; 2,0 и 2,5 % составляет не более 10 %. Время срабатывания сигнализации на каждом установленной точке (при скачкообразном изменении содержа­ния метана от 0 до 2,5) составляет не более 20 с.

Проверку дополнительной погрешности термокаталитического сенсора метана (ТКС-СH₄), обусловленной изме­нением температуры окружающей среды, осуществляли в диапазоне темпе­ратур 0 - 60 ⁰С. Эксперименты проводили при атмосферном давлении 680±40 мм рт. ст. с использованием газовой смеси с содержанием метана, % об.: 0,50 и 2,50. Последовательность установления температуры в камере +20 ⁰С (нормальная температура, установленная при определении основной по­грешности) 0; +30; +50⁰С. Число параллельных опытов при каждой температуре не менее пяти раз. Результаты изучения влияния температуры окружающей среды на срабаты­вание сигнализатора метана приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Результаты изучения влияния температуры на эффективность работы сигна­лизатора (n=5, Р=0,95)

Влияние температуры газовой среды на дополнительную погрешность сенсора (%) для каждой точки определяли по формуле:

g_доп = g_t + g_нор                                                                                                         (1),

где g_t - погрешность, полученная при i-м значении температуры; g_нор - погрешность газоанализатора при нормальных условиях температуры (20±2 ⁰С).

Результаты оп­ределения дополнительной погрешности сигнализатора, обусловленной из­менением температуры окружающей среды (0 – 60 ⁰С) представлены в таб­лице 2, из которых следует, что она в интервале температур 0 - 60 ⁰С не превышает 4 % и меньше чем основная погрешность самого прибора. Влияние атмосферного давления на дополнительную погрешность сиг­нализатора проводились в интервале 600- 800 мм рт. ст на примере анализа газовой смеси с содержанием метана % об.: 1,00 и 2,50. Эксперименты осуществлялись в следующей последовательности: после внешнего осмотра газоанализатора включали в схему и приводили к нормальным условиям испытания (t_окр.ср= 20 ± 2,0 ⁰С; давления 740± 30 мм рт. ст.). После начальной стабилизации определяли основную погрешность при нормальных условиях испытаний. Дальнейшая последова­тельность установления давления в камере, мм рт. ст: 600; 700 и 800. Резуль­таты эксперимента по определению влияния давления в диапазоне 600- 800 мм.рт.ст. на дополнительную погрешность прибора приведены в таблице 3.

Таблица 3.

Дополнительная погрешность сигнализатора от изменения давления окружающей среды (температура 20 ⁰С, n=5, Р=0,95)

Как следует из приведенных данных, в изученном интервале изменения давления (600 и 800 мм рт.), работа сигнализатора сохраняет свою стабильность. Значения дополнительной погрешности анализатора за счет изменения дав­ления окружающей среды, определенной по формуле (1), не более 0,03 %.

В экспериментах погрешность сигнализатора, за счет изменения влаго­содержания газовой среды определяли как разницу сигналов увлажнённой и неувлажнённой смеси анализируемого газа при температуре 20±2 ⁰С, со­держание метана в смеси 0,5 и 2,5 % об. Испытания по изучению влияния влажности проводили в камере влажности при условиях, приведенных к нормальным. После начальной стабилизации определяли из­менение значений выходного сигнала датчика для газовой смеси с со­держанием метана 0,5 и 2,5 % об СН₄. Через час определяли погрешность, по­давая на вход сигнализатора смесь с содержанием метана 0,5 и 2,5 % об СН₄ , увлажненную до 95 %. Результаты установления дополнительной погрешно­сти сигнализатора СH₄ за счет влажности газовой среды представлены в таблице 4. Из данных таблицы 4 видно, что значение дополнительной погрешности за счет влажности газовой среды не превышает 10 % и намного меньше, установленного ГОСТом.

Таблица 4.

Результаты по установлению дополнительной погрешности сигнализатора метана от изменения влагосодержания анализируемой газовой смеси (темпе­ратура 20±2 ⁰С; n=5, Р=0,95)

Согласно ГОСТу 13320-81 предельно допустимые значения суммарной дополнитель­ной погрешности не должны превышать удвоенного значения предела допус­тимой основной погрешности. Суммарная дополнительная погрешность термокаталитического сигнализатора составляла ±2,1 %. Проведенные ис­следования показали, что разработанный нами термокаталитический сигна­лизатор метана (Рис.1) вполне удовлетворяет требованиям ГОСТа для данного класса приборов.

Рисунок1. Внешний вид сигнализатора метана

Работой анализаторов управляют при помощи двух кнопок - рабочей КР и поверочной КП. Кнопка КР служит для включения анализатора. Кнопка КП используется при на­стройке и градуировке анализаторов. В рабочем режиме производится измерение концентрации метана, звуковой или цветовой индикации в необходимых точках. В режиме гра­дуировки производится корректировка нулевых показа­ний, градуировка записи пороговых значений срабатывания сигнализации и вывод на индикатор предела индикации. Питание анализатора осуществляется от искробезопасного блока питания, содержащего малогабаритные аккумуляторы. Опытные образцы разработан­ного анализатора успешно прошли лабораторные испытания.

Выводы

Разработанный сигнализатор предназначен для обнаружения мест утечек и непрерывного автоматического контроля скоплений горючих газов (природного газа, пропан- бутановой смеси) в замкнутых экологических системах (кухнях, жилых домах, коттеджах, гаражах, салонах автомобилей, подвальных помещениях, коммуникационных колодцах) и помещениях котельных различной мощности, работающих на сжиженном или природном газе. Сигнализатор можно использовать также в различных отраслях промышленности, производственных, административных помещениях, подземных сооружениях, газифицированных автомо­билях и складских помещениях топлива, для контроля загазованности и обеспечения пожаро-взрывобезопасности при использовании природного газа.

Список литературы:
1. ГОСТ 12.1.005-88 Система стандартов безопасности труда (ССБТ). Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны. Утвержден и введен в действие Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 29.09.88 N 3388.
2. Голинько В.И., Котляров А.К., Белоножко В.В. Контроль взрывоопасности горных выработок шахт. Донецк: Наука и образование, 2004. – 207 с.
3. Метан. XuMuK.ru - Метан - Большая Советская Энциклопедия//https: //xumuk. ru/bse/1639.html.
4. Liu D., Fu S.N., Tang M., Shum P., Liu D.M. Comb filter-based fiber-optic methane sensor system with mitigation of cross gas sensitivity//J. Lightwave Technol, 30, 2012. p. 3103–3109.
5. Сигнализатор загазованности в котельной //https://www.seitron.ru/ novosti/ Дата обращения: 16.05. 2020.
6. Поляков Ю.А., Иванов А.Е., Кабанов Д.Г. Разработка сенсоров и автоматического сигнализатора контроля довзрывоопасной концентрации метана // Интернет-журнал "Технологии техносферной безопасности" (http://ipb.mos.ru/ttb) Выпуск № 4 (32) 2010. С.44-49. Дата обращения: 16.05.2020.
7. Эшкобилова М. Э. Разработка химических сенсоров для мониторинга метана//Автореф. …. дисс. доктора философии (PhD) по химическим наукам. – Самарканд, 2019. - 23 с.