Введение

1. Анализ технического задания, рассмотрение аналогов

2. Разработка функциональной схемы и технические решения

2.1 Функциональная схема взаимодействия

2.2 Разработка основных функциональных узлов

2.3 Обоснование выбора типа микропроцессорной системы

3. Реализация основных узлов

3.1 Узел управления и обработки

3.1.1 Расчёт частоты синхроимпульсов МК

3.1.2 Расчёт световой индикации

3.1.3 Цепь питания

3.2 Узел интерфейса RS-232

3.3 Узел преобразователя уровней напряжения TTL/LVTTL

3.4 Разработка конструкции

4. Безопасность труда

4.1 Анализ вредных производственных факторов и обеспечение безопасных условий труда

4.1.1 Производственная пыль и ее влияние на человека

4.1.2 Электробезопасность

4.1.3. Шум и вибрация

4.1.4 Эргономика рабочего места

4.1.5 Производственное освещение

4.2 Инженерный расчет производственного освещения

4.2.1 Расчет естественного освещения

4.2.2 Расчет искусственного освещения

4.3 Возможные чрезвычайные ситуации

4.3.1 Расчет времени эвакуации сотрудников лаборатории при пожаре

4.3.2 Моделирование ЧС в зоне 3 километров от лаборатории

4.3.3 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.

1. 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 B, в то время как D_HP, находящемуся в активном состоянии, требуется больше энергии P_H из источника энергии B. Датчик в первом детекторе D_LP пригоден для обнаружения изменений в газовом составе в окружающей атмосфере (которая не ограничивается природной атмосферой, но может представлять собой любую газовую смесь, присутствующую в окружающей среде, за которой наблюдает детектор), но не требуется, чтобы он был способен различать различные конкретные газы. Также не требуется высокая надежность в том смысле, что он может давать ложные показания.

Другой газовый детектор D_HP скомпонован так, чтобы измерять концентрацию конкретного газа или нескольких конкретных газов, которые считаются важными для контроля в текущих условиях, и, таким образом, активироваться с помощью первого детектора D_HP, только тогда, когда последний обнаруживает изменения в составе атмосферы. «Конкретный» детектор или датчик D_HP принадлежит к такому типу, который использует более значительные количества энергии P_H, чем первый детектор D_LP, но находится в неактивном состоянии большую часть времени. Если этот второй детектор D_HP подтверждает показания первого детектора D_LP (т.е. обнаруживает достаточно высокую концентрацию конкретного опасного газа), он посылает сообщение по сигнальной линии L приемнику R. В конкретном варианте осуществления передача результата анализа приемнику R выполняется с использованием радиоканала в соответствии со стандартом Zigbee.

Важный вариант осуществления данного устройства представляет собой управляющее устройство УУ, соединенное с другим детектором D_HP, как показано на рисунке 1. Управляющее устройство скомпоновано так, чтобы оценивать исходящий сигнал от детектора D_HP, который представляет измеренный уровень концентрации для текущего конкретного газа (или несколько исходящих сигналов для конкретных газов). Управляющее устройство УУ преимущественно выполнено на основе микропроцессора. Оно может представлять собой отдельный блок с сигнальной линией, идущей по проводам, и может быть совмещено с газоизмерительным блоком D_HP или оно может использовать радиоканал. В таком случае «конкретный» детектор/измерительный блок D_HP должен быть оснащен радиопередатчиком. Это дополнительно увеличивает энергопотребление детектора, но может быть приемлемым, так как, как указано выше, мы говорим о коротких временных периодах активности детектора D_HP.

Таким образом, в таком случае, как указано выше, управляющее устройство УУ может быть совмещено с приемником R, т.е. на приемник R, таким образом, можно смотреть как на часть управляющего устройства УУ (т.е. иначе, чем показано на рисунке 1).

Одной функцией управляющего устройства УУ может быть деактивация второго детектора D_HP сразу после измерения, показывающего неопасный уровень концентрации одного или нескольких конкретных газов посредством отсылки сигнала активации обратно к D_HP. (В альтернативном варианте осуществления без управляющего устройства D_HP может содержать встроенный таймер, который автоматически деактивирует по истечении времени).

Другая функция управляющего устройства УУ состоит в испускании сигнала во вне, когда измеренный уровень концентрации находится внутри опасного диапазона, т.е. сигнала к удаленному принимающему блоку R, как показано на рисунке 1. Сигнал передается через устройство связи L, которое может представлять собой радиоканал, предпочтительно, с малым радиусом действия с низким излучаемым эффектом, или оптический канал через атмосферу или через волокно. Затем должно быть расположено необходимое передающее и принимающее оборудование, как правило, известного типа, управляющее устройство УУ и принимающий блок R. В альтернативном варианте осуществления без управляющего устройства сам D_HP может обладать миниатюрным встроенным передатчиком, который передает сигнал, представляющий собой измеренную величину, на приемник R.

Во всяком случае, такое управляющее устройство УУ хранит конкретные пороговые значения концентрации в атмосфере для текущих конкретных газов, и управляющее устройство будет сравнивать измеренные значения с пороговым значением для принятия решения о том, деактивировать D_HP или передать сигнал на приемник R. Для того чтобы не потреблять больше энергии, чем необходимо, в случае передачи сигнала от управляющего устройства УУ к принимающему блоку R1 снова возможна деактивация второго детектора D_HP, например, если измерение величины не указывает на будущее быстрое увеличение. Возможно применение алгоритма для «разумной деактивации» даже после измерения избыточной концентрации. Затем новая активация может произойти после заданного промежутка времени.

В качестве следующей стадии разработки управляющего устройства УУ оно может содержать блок регистрации и хранения измеренных значений концентраций газа. Такой блок регистрации альтернативно может быть расположен внутри приемника R.

Естественной и важной функцией применительно к газовой детекторной системе в зоне, в которой расположено личное и/или дорогостоящее оборудование, является незамедлительный сигнал тревоги, за которым может следовать вызов надзирающего персонала. Такое предупредительное и сигнальное оборудование может быть расположено в принимающем блоке R типично на центральном посту наблюдения. Или оно может быть встроено в управляющее устройство УУ или в сам второй детектор D_HP. Такие сигнальные устройства могут содержать световую сигнализацию, например, проблескового типа, источники звука в форме гудка или аварийных горнов, а также вибрирующее оборудование для принимающих блоков, которые надеваются на людей.

Кроме того, принимающий блок R также может быть соединен с оборудованием, которое обеспечивает немедленное прекращение работы производственного или технологического оборудования в зоне, где расположена детекторная система, дающая сигнал тревоги, как правило, независимо от того, где использовано оборудование для подачи сигнала тревоги, который воспринимается человеком.

Выше было отмечено, что управляющее устройство УУ может быть соединено по беспроводному каналу со вторым детектором D_HP для приема сигнала от детектора. Также радиоканал может функционировать в обратном направлении, например, в отношении функции деактивации, и, таким образом, D_HP должен содержать встроенный радиоприемник.

В важном варианте осуществления данного устройства отдельное управляющее устройство УУ обслуживает множество вторых детекторов D_HP. Важной функцией управляющего устройства УУ является перепрограммируемость по отношению к отдельным пороговым значениям как для конкретных газов, которые будут определяться в отношении концентрации, так и для отдельных блоков вторых детекторов D_HP. Если управляющее устройство УУ расположено на центральном посте вместе с принимающим блоком R или интегрировано в него, или представлено качестве замены для принимающего блока R, то такие пороговые значения могут быть установлены оператором.

Как указано выше, детекторную систему можно использовать для обнаружения утечек газа на нефтяных платформах и на производственных предприятиях для обнаружения углеводородов, т.е. нефти и газа, которые транспортируются и обрабатываются в больших количествах. В этом случае важно следить за естественной атмосферой in situ (на месте залегания) таким образом, чтобы утечки газа в окружающую среду можно было обнаружить достаточно быстро. В этом случае мы говорим об обнаружении углеводородных газов, например метана, который также может давать риск взрыва.

Основная проблема настоящего устройства состоит, как указано выше, в достижении непрерывного, но энергосберегающего обнаружения, и это достигается посредством идеи об использовании неспецифического газового детектора, потребляющего мало энергии, который работает непрерывно и пробуждает специфический детектор всякий раз, когда обнаруживается изменение, и затем специфический детектор измеряет концентрацию конкретного газа перед тем, как он снова будет деактивирован. Таким образом, специфический детектор, который потребляет больше энергии, находится в активном состоянии только в течение коротких периодов. Это обозначает, что система может долго работать на аккумуляторном питании.

Детектор D_LP может содержать датчик, который обнаруживает изменения средней и, таким образом, неспецифической молекулярной массы для текущей газовой смеси in situ. Этот неспецифический детектор должен быть «сверхчувствительным», т.е. чтобы он давал сигнал тревоги чаще, чем это действительно необходимо, но никогда не пропускал сигналы тревоги об изменениях, т.е. даже минимальные изменения должны приводить к пробуждению D_HP.

Первый детектор D_LP преимущественно может содержать датчик, который использует принцип микроакустического датчика с электростатической или пьезоэлектрической активацией.

Также в качестве альтернативы возможно использование первого детектора D_LP, который является специфическим в отношении определенного газа до тех пор, пока детектор пригоден для непрерывной работы от батареи, т.е. он потребляет достаточно мало энергии. Такой детектор будет обладать низкой точностью относительно измерения и часто будет давать ложные сигналы тревоги, но это не значит, что их будет слишком много. Примерами датчика в таком детекторе являются датчики для обнаружения метана, металл-оксид-полупроводящие датчики и электрохимические ячейки.

Относительно другого специфический детектор D_HP в подходящем варианте осуществления содержит датчик, который работает на основе способности конкретного газа поглощать инфракрасное излучение. Кандидатами являются так называемые недиспергирующие инфракрасные датчики и фотоакустические датчики, в частности миниатюризированные детекторы, выполненные по полупроводниковой технологии.

В конкретном варианте осуществления второй детектор D_HP обладает встроенными вычислительными средствами, представленными микропроцессором с функцией, позволяющей выбирать, какой конкретный газ будет определяться (из представленного набора газов), в зависимости от уровня сигнала или типа сигнала от первого детектора D_LP. Если первый детектор незамедлительно испускает сигнал, который указывает на существенное изменение в составе, это может быть интерпретировано как большая утечка важного газового компонента и это может обозначать, что конкретный газ следует проверять первым. В случае менее интенсивного начального сигнала интерес могут представлять различные последовательности.

В данном случае необходимым условием является то, что отдельный второй детектор D_HP обладает способностью измерять множество конкретных газов. Это можно достичь и это реализовано, например, с помощью многих датчиков ИК-типа, где текущие газы содержатся так, что на каждый газ приходится по одной камере с окном.

Говоря о нескольких первых и вторых детекторах, встроенные вычислительные средства на основе триггерного сигнала, генерируемого в D_HP, могут решать, какие детекторы D_HP должны быть активированы, и выполнять измерение концентрации. Процессоры во вторых детекторах D_HP могут принимать такое решение посредством распознавания сигнала от отдельного первого детектора D_LP.

На рисунке 2 показан конкретный вариант осуществления детекторной системы с отдельным контроллером в качестве связи между группами первых и вторых детекторов.

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, но данное устройство не будет ограничиваться аккумуляторным источником энергии. В местах с «собираемыми» формами энергии, такими как солнечный свет, ветер или непрерывные вибрации, возможна установка энергособирающей системы, которая питает детекторы. Это не исключает возможности использования известных типов бесперебойных источников энергии.

Выше было сделано предположение о том, что первый неспецифический детектор D_LP и второй специфический детектор D_HP расположены близко друг к другу. В конкретном варианте осуществления это может обозначать, что они смонтированы вместе и могут выпускаться в виде блока, даже в виде миниатюризированного блока. Но в различных вариантах осуществления детекторной системы по данному устройству использовались несколько детекторов, которые, вероятно, могут быть расположены в различных местах. В этом случае нефтяную платформу можно определить в качестве одного места, даже если детекторы двух различных типов расположены на расстоянии в несколько десятков метров друг от друга. Такое расположение может предоставить для УУ или УУ2 возможность наблюдать за распространением конкретного газа или нескольких конкретных газов.

2. Разработка функциональной схемы и технические решения