авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Мультисенсорная система контроля пожарной безопасности летучих компонентов строительных материалов

На правах рукописи

ЧУЙКОВ АЛЕКСАНДР МИТРОФАНОВИЧ МУЛЬТИСЕНСОРНАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ЛЕТУЧИХ КОМПОНЕНТОВ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ Специальность 05.26.03 – Пожарная и промышленная безопасность (в строительстве)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж – 2012 2

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежский государственный архитектурно-строительного университет» строительного

Научный консультант: доктор химических наук, доцент Калач Андрей Владимирович

Официальные оппоненты: Мозгово Николай Васильевич, Мозговой доктор технических наук, профессор Воронежский государственный технический университет, кафедра промышленной экологии и безопасности, безопасности заведующий Архипов Геннадий Федорович, кандидат технических наук, доцент Санкт Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России начальник научно-технического центра России, технического

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Академия государственной противопожарной службы МЧС России, г. Москва

Защита состоится 7 февраля 2013 года в 1000 часов на заседании диссерта ционного совета Д 212.033.02 при Воронежском государственном архитектур но-строительном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, ул 20-летия Ок ул.

тября, 84, ауд. 3220, тел. (факс 8(473)271-53-21.

факс):

С диссертацией можно ознакоми ознакомиться в библиотеке Воронежского государ ственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат диссерта строительного ции размещен на официальном сайте Минобрануки РФ и на официальном сайте Воронежского ГАСУ.

Автореферат разослан 20 декабря 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета А.И. Колосов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время производство и использование строительных материалов является одной из ведущих отраслей экономики Рос сии. Производство этих материалов, как правило, связано с переработкой и синтезом полимерных веществ. Обеспечение пожарной безопасности в этой об ласти является важной и актуальной задачей.

Переход к управлению промышленной безопасностью по критериям при емлемого риска и законодательное требование «постоянно осуществлять про гнозирование вероятности возникновения аварий и катастроф» в отношении каждого опасного производственного комплекса приводят эксплуатирующиеся строительные хозяйства к необходимости оценки пожарной опасности и сни жения угрозы возникновения аварийных ситуаций.

Научно обоснованное определение комплекса основных характеристик пожарной опасности строительных материалов на полимерной основе, норми рование их пожаробезопасного применения, прогнозирование поведения в ре альных пожарных ситуациях - важные научные и прикладные аспекты общей актуальной проблемы обеспечения пожарной безопасности объектов в про мышленном строительстве. Исследованию пожарной опасности полимерных материалов и совершенствованию методов идентификации с целью контроля пожароопасных свойств посвящены работы д.т.н., профессора Б.Б. Серкова, д.т.н., профессора А.Н. Членова, д.т.н., Н.В. Смирнова, к.т.н.

Ю.К. Нагановского, к.т.н. С.В. Стебунова.

В настоящее время для обнаружения возгорания применяется целый ряд из вещателей, действие которых основано на фиксировании опасных факторов по жара, таких как наличие дыма, повышение температуры, открытое пламя и т.д.

Для этих датчиков характерен существенный недостаток: необходимо, чтобы опасные факторы пожара достигли самого извещателя. С момента начала возго рания в помещении до срабатывания системы противопожарной сигнализации существует инерционный промежуток времени при низкой скорости конвек тивных и диффузионных процессов.

Поэтому важной задачей становится экспрессная оценка и предупреждение пожароопасной ситуации и обеспечение экологической безопасности путем кон тролирования химического состава воздуха рабочей зоны и своевременное преду преждение персонала об опасности. Кроме того, существующие алгоритмы расчета установки газоанализаторов на местах в не полной мере учитывают совокупное воздействие воздушных потоков и таких факторов, как молеку лярная масса газообразных вредных веществ, геометрические размеры по мещения, способы организации воздухообмена, возможности взаимодейст вия выделяющихся летучих веществ в результате переработки или эксплуа тации строительных материалов на полимерной основе.

Таким образом, актуальной задачей обеспечения пожарной безопасности является разработка экспрессных методов анализа, позволяющих в режиме ре ального времени оценить качество воздуха помещений с целью своевременного обнаружения токсических веществ, продуктов деструкции, горения и принятия решения о его пригодности для безопасной эксплуатации строительных мате риалов и конструкций. В связи с этим в диссертационной работе предложена ме тодология повышения качества контроля продуктов разложения и миграции ток сичных веществ в закрытом помещении при производстве и эксплуатации строи тельных материалов посредством мониторинга газовоздушной среды в режиме реального времени с помощью интеллектуальной системы сенсоров.





Объект исследования – мультисенсорный газоанализатор летучих компо нентов, выделяющихся при производстве и эксплуатации строительных мате риалов.

Предмет исследования – физико-химические процессы, происходящие в строительных материалах на полимерной основе в процессе их производства и эксплуатации в помещениях при их деструкции под воздействием высокой температуры.

Целью диссертационной работы является разработка мультисенсорной системы контроля и оценки уровня токсичности воздушной среды при произ водстве и эксплуатации строительных полимерных композитов различной структуры, способных привести к изменению пожароопасной обстановки на объекте.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

разработать математическую модель обработки информации искусст венными нейронными сетями с целью повышения пожарной безопасности зда ний и помещений;

разработать систему интеллектуального контроля летучих токсичных веществ с использованием мультисенсорного газоанализатора;

разработать алгоритм оптимизации параметров нейронной модели для анализа воздушной среды при производстве и эксплуатации строительных от делочных материалов;

разработать методологию экспресс-анализа летучих веществ, выде ляющихся в процессе производства и эксплуатации строительных полимерных композитов, с применением химических сенсоров из полимерных материалов.

Научная новизна работы:

предложена модульная система для комплексной оценки текущего со стояния газовоздушной среды зданий и помещений, по показателям (быстро действию, количеству определяемых компонентов, малогабаритности) отли чающаяся от существующих аналогов;

предложен методический подход к контролю и диагностике материа лов, основанный на комплексном анализе летучих токсичных компонентов, вы деляющихся при производстве и эксплуатации строительных материалов;

разработаны алгоритмы и пакет программ для комплексного анализа летучих смесей токсичных компонентов с помощью мультисенсорного газо анализатора, позволяющие принимать решения в условиях неполноты и противоречивости данных и в реальном времени, что повышает пожаровзрыво безопасность контролируемых помещений;

создан оригинальный комплекс программ для обеспечения функцио нирования газоанализатора, обработки информации, отличающийся от извест ных систем использованием аппарата нечеткой логики и возможностью приня тия решений в режиме онлайн.

Практическая значимость работы. Разработана схема функционирова ния интеллектуального газоанализатора, позволяющая обеспечить пожаровзры вобезопасность промышленных предприятий по производству строительных материалов на полимерной основе. Создан действующий макет (прототип) мультисенсорного газоанализатора для контроля и оценки безопасности произ водства и эксплуатации строительных материалов.

Достоверность полученных результатов и выводов обеспечена методиче ски обоснованным комплексом исследований с использованием современных средств измерений, применением математических методов планирования экс периментов и статистической обработкой их результатов, а также опытными испытаниями и их положительным практическим эффектом.

Внедрение результатов работы. Разработанные программные средства и структурно-параметрическая модель внедрены в учебный процесс Воронежско го института Государственной противопожарной службы МЧС России на ка федре химии и процессов горения, а также в учебный процесс Воронежского ГАСУ на кафедре физики и химии.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докла дывались и обсуждались на научных конференциях: VII Всероссийской конфе ренции по анализу объектов окружающей среды «Экоаналитика» (Йошкар-Ола, 21-27 июня 2009 г.);

Всероссийской конференции «Проведение научных исследо ваний в области индустрии наносистем и материалов» (Белгород, 16-20 ноября 2009 г.);

II Международной научно-практической конференции «Сервис безопас ности в России: опыт, проблемы, перспективы» (Санкт-Петербург, 29-31 октября 2009 г.);

VI Международном семинаре «Физико-математическое моделирование систем» (Воронеж, 2010 г.);

IV Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве ИТНОП 2010» (Орёл, 22-23 апреля 2010 г.);

Международной научно-практической конфе ренции «Пожарная безопасность: проблемы и перспективы» (Воронеж, 22 сентяб ря 2010 г.);

VI Международной научно-практической конференции «Обеспечение безопасности в чрезвычайных ситуациях» (Воронеж, 10 декабря 2010 г.);

Между народной научно-практической конференции «Актуальные проблемы инноваци онных систем информатизации и безопасности» (Воронеж, 25 марта 2011);

Х Ме ждународной научно-технической конференции «Пожарная безопасность-2011» (Харьков, 2011 г.). По результатам работы получен патент на полезную модель «Мультисенсорная система для определения летучих компонентов в воздухе при производстве строительных материалов из полимерных композитов» № 120227.

Патент зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей Россий ской Федерации 10 сентября 2012 г.

На защиту выносятся:

1. Система автоматического контроля и управления на основе мультисен сорного газоанализатора, регистрирующего пары летучих токсичных веществ в зданиях, помещениях, сооружениях, которая обеспечивает снижение пожарной и промышленной опасности, предупреждение пожаров и аварий.

2. Математическая модель обработки информации искусственными ней ронными сетями, поступающей с мультисенсорной системы контроля безопас ности, позволяющая создать устройства автоматического контроля и управле ния системами обеспечения пожарной и промышленной безопасности и жизне обеспечения.

3. Лабораторный макет технического средства защиты людей от производ ственного травматизма при производстве и эксплуатации строительных отде лочных материалов.

4. Принципы и способ экспресс-анализа для обеспечения промышленной и пожарной безопасности в строительстве за счет использования схемы органи зации и проведения контроля и оценки воздушной среды при производстве и эксплуатации строительных материалов с применением системы сенсоров.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано научных работ общим объемом 51 страница. Личный вклад автора составляет 29 страниц. Шесть статей опубликовано в изданиях, включенных в перечень ведущих рецензируемых журналов, в которых должны быть опубликованы ос новные научные результаты диссертации: «Пожаровзрывобезопасность», «Тех нологии техносферной безопасности», «Вестник Воронежского государствен ного технического университета», «Датчики и системы», «Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета.

Строительство и архитектура».

В статьях, опубликованных в рекомендованных ВАК изданиях, изложены основные результаты диссертации: в работе [1] обобщены и проанализированы предпосылки создания мультисенсорных газоанализаторов;

в работе [2] рас смотрена возможность использования мультисенсорной системы для оценки уровня токсичности газов и паров;

в работе [3] получены экспериментальные данные мониторинга газовоздушной среды на предмет наличия и превышения концентрационных пределов распространения легковоспламеняемых жидко стей (толуол, гексан, ацетон);

в работе [4] представлена информационно экспертная система для анализа пожароопасности жидкостей;

в работе [5] опи сана система сенсоров, предназначенная для мониторинга содержания легко воспламеняющихся жидкостей в воздухе;

в работе [6] описана предложенная авторами система для распознавания экотоксикантов в закрытых помещениях.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, изложенных на 120 страницах машинописного текста, за ключения, списка литературы, содержащего 151 наименование, и приложения.

Диссертация содержит 42 рисунка, 3 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования, сформулированы цель и задачи работы.

В первой главе проведен обзор современных методов и средств анализа газовоздушной среды в строительстве, а также при производстве и эксплуата ции строительных материалов на полимерной основе. Отмечены преимущества и недостатки существующих методов. Обоснована целесообразность использо вания газоанализаторов на основе нейронных сетей для неразрушающего кон троля веществ, строительных отделочных материалов и изделий для обеспече ния пожарной безопасности.

Во второй главе представлены модель и алгоритмы, положенные в основу интеллектуального газоанализатора. Приведены результаты моделирования этой системы. В разработанной модели процесс обработки информации проте кает во времени в определенной последовательности. Под временем (циклом) понимается ряд этапов преобразования данных при прохождении их от входа к выходу модели. Анализ работы модели заключался в выполнении серии экспе риментов, в результате которых происходил процесс самонастройки на посту пающие от рецепторных нейронов сигналы. В результате накапливалась ин формация об анализируемых веществах.

В качестве обонятельных рецепторов газоанализатора выбраны пьезосен соры. Пьезосенсоры осуществляют сбор первичной информации о природе и составе газовой фазы, то есть соответствуют обонятельным рецепторным ней ронам первой подсистемы предлагаемой модели.

r n X, xii, i = 0, n 1, Y (X ) = (1) 1 + exp x i =1 где f i = - функция активации, X - матрица характеристик значений 1 + expx частотных сигналов: взвешенная сумма входных сигналов;

i – весовой коэф фициент синаптической связи;

xi – значение i-го входа нейрона;

n - количество сенсоров. Начальные условия f i (0) = f i 0 - начальное значение функции актива ции нейронов.

Мультисенсорная система (рис. 1) представляет собой набор из N газовых сенсоров S1…N, на которые воздействует анализируемая газовая среда, пред ставляемая вектором, каждый из элементов вектора соответствует концен трации каждого газа, входящего в состав смеси. Данные, получаемые набором сенсоров, представлены вектором, вектор обозначает результат измерений, полученный с помощью модели M.

Сигналы пьезосенсоров, зависящие от их чувствительности и концентра ции анализируемого вещества, группируются системой сбора и передачи ин формации во второй подсистеме модели. Для многоканальной регистрации сигналов пьезосенсоров в газоанализаторе и последующей передачи получен ных данных в персональный компьютер использовали программируемую логи ческую интегральную схему ПЛИС фирмы Altera.

Рис. 1. Схема модели интеллектуального газоанализатора Такое решение позволило создать малогабаритную высокоинтегрирован ную систему сбора данных с гибкой структурой, поддерживающую функцию внутрисхемного программирования. Выходной сигнал газоанализатора обраба тывается в третьей подсистеме модели, расположенной в ПК. Третья подсисте ма модели в газоанализаторе представлена многослойной нейронной сетью (МНС), способной обучаться по методу обратного распространения ошибки (back propagation). Элементами такой сети являются нейроны, которые в зави симости от суммарного воздействия входных сигналов могут возбуждаться или тормозиться. В результате этого процесса формируется конкретный выходной сигнал. Каждый сигнал, поступающий по дендритам нервной клетки, характе ризуется возбуждающей или тормозящей способностью, то есть обладает неко торым отрицательным или положительным весом. При достижении нейроном определенного порогового значения уровня возбуждения происходит его акти визация, и по аксону передается сигнал другим элементам сети, которые обра зуют взаимосвязанный последовательный ряд слоев.

Суммарный сигнал газоанализатора включает набор следующих 3 пара метров: максимальный частотный сигнал пьезосенсора за время анализа fmax (сигнал пьезосенсора к анализируемой пробе), время достижения max величины сигнала сенсора fmax, площадь S y фигуры, ограниченной функцией f=() и осями Оf и О.

Созданная измерительная система по своей организации и функциональ ным возможностям близка к природному аналогу, поскольку анализатор уже не пассивно отражает информацию о воздействии анализируемой среды, а прово дит процесс самонастройки на данный токсикант, компенсирует неточность по ступающей информации (в условиях неполноты и противоречивости данных) и выдает результат. Кроме того, следует отметить быстроту проводимого анали за, а также малогабаритность измерительной системы.

В третьей главе представлены результаты исследований физико химических процессов, протекающих при производстве строительных материа лов на полимерной основе. Проведен анализ вариантов своевременного устра нения взрывопожароопасной ситуации при производстве строительных мате риалов. При производстве строительных материалов на полимерной основе возможно выделение HCI, стирола, олигомеров, исходных мономеров, а в ре зультате термомеханической деструкции полимерной цепи антиоксидантов, антипиренов, легколетучих органических соединений, применяемых в качестве растворителя.

Была проведена оценка возможности использования пьезокварцевых сен соров, модифицированных пленками ЛБ на основе КРА, для определения паров легколетучих органических растворителей (бензола, толуола, этилбензола, этилацетата, ацетона и др.). Выбор их в качестве объекта исследования обу словлен широким использованием в промышленности, медицине и их высокой токсичностью.

Директива ЕС (TheEUSolvents 1999/13/EC) определяет легколетучие орга нические соединения как органические соединения, имеющие давление паров не меньше 10 Па при 20 C. Для получения стабильного монослоя на границе раздела фаз «воздух/вода» нами использован специально синтезированный по известной в литературе методике каликс[4]резорцинарен (КРА), обладающий дифильными свойствами:

C10H N HO O CH3 4,cyclic Формирование и изучение поведения моно- и мультислоев ка ликс[4]резорцинарена осуществляли на модернизированной установке УНМ- (МНПО «НИОПИК», Россия), оснащенной микровесами Вильгельми.

Для получения монослоя на поверхность жидкой субфазы микропипеткой вносили раствор КРА с концентрацией 510-4 моль/л в легколетучем, не смеши вающемся с водой органическом растворителе хлороформе (х.ч.) и выдер живали 20 мин. В результате вследствие полного испарения растворителя ди фильное соединение равномерно распределялось по поверхности воды. В качестве водной субфазы использовали бидистиллированную воду, растворы гидроксида натрия, соляной кислоты и хлорида меди. -А-изотермы получали ступенчатым сжатием монослоев. Все эксперименты проводили при комнатной температуре.

Перенос монослоев осуществляли методом Ленгмюра-Блоджетт со скоро стью движения твердой подложки 11 мм/мин в автоматическом режиме поддер жания необходимого поверхностного давления. Таким методом на поверхности резонаторов получали мультислойные молекулярные пленки ЛБ, содержащие от 10 до 30 монослоев. В работе использовали пьезорезонаторы АТ-среза с номи нальной частотой колебаний 8 МГц, способные работать в широком диапазоне температур (ОАО «Пьезо», Москва). Предварительная подготовка кварцевых пьезосенсоров перед нанесением ПЛБ включала обезжиривание кипячением в течение 15 мин в смеси четыреххлористого углерода и пропанола-2 (1:1) и обра ботку в водном растворе перекиси водорода.

Для исследования отклика пьезокварцевых датчиков на состав газовой фа зы использовалась экспериментальная мультисенсорная система пьезосенсоров.

Исследование отклика пьезосенсоров, модифицированных пленками ЛБ, на со став газовой фазы проводилось в динамических условиях. В ячейку детектиро вания помещали от 1 до 10 закрепленных сенсоров. Через систему пропускали газ-носитель (очищенный и осушенный лабораторный воздух) в течение мин для стабилизации частоты резонатора, затем газ-носитель, содержащий па ры сорбатов – легколетучих органических соединений.

При введении паров органических веществ частота вибрации пьезосенсо ра уменьшалась вначале резко, затем более плавно. По стабилизации частоты сенсора делали вывод о достижении сорбционного равновесия в системе «газ пленка» модификатора. Система барботеров позволяла создавать насыщен ные пары сорбатов, а четыре отвода компрессора разбавлять их газом носителем в 2-9 раз, а также создавать тройные системы веществ «ЛОС 1:ЛОС-2:воздух» с соотношением концентраций паров органических соедине ний 1:1.

Для регенерации поверхности пленки модификатора через систему про пускали чистый газ-носитель (без сорбата) до первоначальной частоты коле баний пьезосенсора. Аналитический сигнал фиксировался персональным ком пьютером в режиме онлайн.

Следующим этапом исследований являлся анализ и контроль токсичных ве ществ в газовоздушной среде с применением интеллектуальной системы сенсо ров. Согласно гигиеническим заключениям равновесная газовая фаза большинст ва строительных материалов содержит фенол и формальдегид в количествах 0, (ДВП, ДСП) и 0,02 (ЛПВХ) мг/м3, что не превышает ПДК для указанных анали тов. Для детектирования фенола и формальдегида в газовой фазе нами применены сенсоры, модифицированные чувствительными сорбентами.

Подготовка пьезосенсора. Для повышения чувствительности сенсоров их поверхность модифицировали сорбентами. В качестве сорбентов использова лись полиэтиленгликоль молярной массой от 1000 до 20000 г/моль (сорбенты 1–3);

эфиры полиэтиленгликоля (сорбенты 4–6);

поливиниловый спирт (сор бент 7);

поливинилпирролидон (сорбент 8);

сквалан (сорбент 9);

динонилфталат (сорбент 10).

Выбор сорбентов проводили в соответствии с их полярностью и гидро фобностью. Раствор сорбента равномерно распределяли микрошприцем по по верхности металлических электродов, не затрагивая периферийные участки пьезокварца. Свободный растворитель удаляли помещением сенсора в сушиль ный шкаф при температуре 50-70 оС.

Пробы газовой фазы под строительные материалы отбирали при 20 ± 2 °С методом дискретной газовой экстракции. Предварительно установили, что оп тимальный объем газовой фазы не должен превышать 3 см3. Установлено, что при увеличении объема пробы чувствительность микровзвешивания меняется незначительно.

Такая зависимость аналитического сигнала сенсора от объема инжекти руемой пробы позволяет априори сделать вывод: в газовой фазе строительных отделочных материалов присутствуют избыточные количества загрязнителей, что вызывает полное насыщение модификаторов при объемах проб 3 см3, либо миграция летучих соединений, входящих в состав строительных материалов, происходит в незначительных количествах, и концентрация загрязнителей по стоянна.

Получение и обработка аналитического сигнала. Снижение рабочей часто ты колебаний (аналитический сигнал) пьезосенсоров рассчитывали по уравне нию Зауэрбрая. После введения каждой пробы фиксировали резонансную час тоту каждого сенсора и вычисляли относительный сдвиг частоты fa. При оп тимальном количестве монослоев получены зависимости аналитического сиг нала резонаторов от активности паров ЛОС, которые для большинства раство рителей в интервале 0,11-1,00 носят линейный характер, а для паров кумола и этилацетата зависимости представляют изотерму сорбции, на которой присут ствует область насыщения (рис. 2).

На примере определения бензола проведено сравнение свойств чувстви тельного слоя на основе упорядоченной пленки ЛБ со свойствами слоя, полу ченного при перенесении монослоев после давления коллапса.

Показано, что сигнал сенсора на основе упорядоченной пленки в 1,5-2 раза превышает таковой для пленки, нанесенной после давления коллапса, кроме то го, время отклика сенсора составляет 15 с по сравнению с 2 мин для неупоря доченной пленки той же толщины.

0,005, мкмоль 0, 0, 0, 0, 0,00 0,25 0,50 0,75 1, активность паров, р/р Рис. 2. Зависимости количества адсорбированных на поверхности пьезосенсора растворителей от активности их паров в воздухе:

1 – этилацетат, 2 – кумол;

1 – этанол, 2 – гексан, 3 – бензол, 4 – этилбензол Предварительно с учетом предлагаемого алгоритма опроса матрицы в идентичных условиях изучена сорбция модельных газовых смесей аналитов при максимальном содержании загрязнителей (2 ПДК).

Аналитические сигналы газоанализатора регистрировали в полярных ко ординатах в виде профилограмм: на осях откладывали аналитические сигналы индивидуальных сенсоров, номера сенсоров в общей матрице соответствуют номеру оси.

В качестве примера на рис. 3 приведена геометрия «визуального отпечат ка» газовой фазы модельной смеси формальдегида. При экспонировании мат рицы сенсоров в парах модельной газовой смеси фенола и формальдегида уста новлен аддитивный характер сорбции этих загрязнителей. При увеличении концентрации модельной смеси до 2 ПДК геометрия «визуального отпечатка» остается постоянной, закономерно увеличивается площадь. Заметные измене ния в геометрии «визуальных отпечатков» происходят при сорбции смеси фенола и формальдегида при концентрациях в пределах ПДК и 2 ПДК соот ветственно. При содержании формальдегида на уровне ПДК геометрия иден тична геометрии «отпечатка», соответствующего концентрации 2 ПДК (рис.

3 а, б). Отличия проявляются лишь в интенсивности этих сигналов.

Таким образом, «визуальные отпечатки» отличаются площадью, что по зволяет количественно оценить содержание формальдегида в пробе. Аналогич ные закономерности характерны и для «визуальных отпечатков» паров фенола (рис. 4 а, б). Установлено что по геометрии «визуальных отпечатков» возможна идентификация формальдегида и фенола.

«Визуальный отпечаток» качественно отличается от аналогичного, полу ченного при сорбции модельной смеси загрязнителей на уровне ПДК.

1 50 10 2 10 40 30 20 9 3 9 10 0 8 4 8 7 5 7 6 а б Рис. 3. Профилограммы («визуальные отпечатки») газовой фазы при содержании формальдегида на уровне ПДК (а) и 2 ПДК (б);

номерами на осях обозначены сорбенты – модификаторы сенсоров Определение выходных данных сети. 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. Код каждого вещества является уникальным числовым идентификатором токсиканта, по которому происходит поиск в базе данных соответствующих характеристик вещества для формиро вания итогового отчета, содержащего результаты анализа газовой смеси. Код токсиканта задается в соответствии с алгоритмом индексирования в момент до бавления данного вещества в базу данных «Токсикант».

Этот параметр является постоянной величиной и при изменении остальных характеристик токсиканта (обучающей выборки и основных сведений) остается прежним. Для комплексного сравнения работы сенсоров в различных условиях применяли профильный анализ (лепестковая диаграмма, построенная в поляр ных координатах). Данный метод основан на том, что отдельные сигналы сен соров при их объединении дают качественно новую характеристику исследуе мого объекта. Выделение наиболее характерных особенностей для данного ве щества позволяет установить профиль материала в целом, а также изучить влияние различных факторов (параметров) на суммарный образ – паттерн.

1 50 10 2 10 40 30 20 9 3 9 10 0 8 4 8 7 5 7 6 а б Рис. 4. Профилограммы («визуальные отпечатки») газовой фазы при содержании фенола на уровне ПДК (а) и 2 ПДК (б);

номерами на осях обозначены сорбенты –модификаторы сенсоров Искусственная нейронная сеть построена по известному алгоритму на примере сорбции токсикантов. Данная задача решается с большей точностью, если обучающая выборка включает в себя физико-химические характеристики летучих компонентов и сорбентов.

Полученные результаты позволили осуществить структурно параметрическую оптимизацию системы и предложить оригинальный алгоритм аналитического контроля органических токсикантов в воздушной среде с исполь зованием газоанализатора (рис. 5).

На практике при ведении различных технологических процессов часто при меняют нагретые горючие жидкости. Например, широкое применение в различ ных отраслях промышленности находят высокотемпературные органические теп лоносители (ВОТ), примерами которых являются дифенильная смесь, мобиль терм, армотерм и др., которые классифицируются как горючие жидкости. При оп ределенных условиях они способны образовывать взрывоопасные паровоздушные смеси или взрывоопасные аэрозоли. Опасность взрыва и пожара при использова нии ВОТ в технологических системах связана с возможностью возникновения взрывоопасной паровоздушной смеси как внутри технологического оборудования, так и при аварийном выбросе теплоносителей в объеме помещения.

Указанную проблему изучали в рамках проведения исследований процесса испарения нагретых ВОТ. Результаты проведенных исследований были исполь зованы для определения массы паров, образующихся при испарении проливов горючих жидкостей, нагретых выше расчетной температуры.

Рис. 5. Функциональная схема организации и проведения контроля и оценки воздушной среды при производстве и эксплуатации строительных отделочных материалов с применением интеллектуальной системы сенсоров В четвертой главе представлен оригинальный комплекс программ для функционирования газоанализатора и результаты его верификации.

верификации Последовательность операций данного комплекса включает в себя опреде ление обучающегося множества задание полей, задание параметров нейросети, множества, определение критериев обучения, запуск обучения системы, расчет результатов обучения (рис. 6).

Рис. 6. Задание полей данных и их свойств, параметров нейросети при тестировании, параметров обучения нейронной сети Результатом данной процедуры является специальный файл с настройками сети. В состав данной информационной системы входит база данных, вклю чающая в себя следующие информационные массивы: «Токсикант»;

«Эталон»;

«Графика».

Связь между этими базами представлена схемой (рис. 7). Основой данной разработки является создание технологии, обеспечивающей унифицированный подход к построению и разработке интегрированных систем безопасности и возможность постоянного дополнения функциональности систем и изменения списка подсистем, отвечающих за новые аспекты обеспечения безопасности.

Полученные экспериментальные результаты позволили рекомендовать разра ботанную мультисенсорную систему для включения в состав интегрированного комплекса безопасности (ИКБ) типа «КОДОС» (ООО «СоюзСпецАвтоматика»), обеспечивающего пожарную, экологическую безопасность и управление жиз необеспечением в зданиях и сооружениях.

Токсикант: Эталон:

Код токсиканта Название по ИЮПАК Код вещества Тривиальное название Давление насыщенных паров вещества Обучающая выборка Универсальная газовая постоянная Основные характеристики Температура смеси Масса вещества Объем вещества Скорость прохождения пробы Концентрация токсиканта в газе-носителе Графика:

Список компонентов газовой смеси Характеристики сенсоров Графики временной зависимости Лепестковая диаграмма Рис. 7. Структура базы данных информационной системы исследуемых массивов В пятой главе представлены результаты разработки прототипа (макета) интегрированного комплекса безопасности, включающего интеллектуальную систему газового анализатора. Базовыми компонентами комплекса являются сенсорные модули. Каждый модуль имеет унифицированный набор команд, по зволяющий управлять датчиком температуры сенсора и обменом информацией.

С помощью последовательного асинхронного интерфейса различные модули могут объединяться в единую информационную систему на основе персональ ного компьютера. Скорость обмена информацией составляет 115 кБит/с, что позволяет объединять до 10 модулей, при необходимости это число может быть увеличено. Структурная схема системы ИКБ «КОДОС», включающая мульти сенсорную систему, представлена на рис. 8.

Информационная система построена с применением послойного принципа.

Каждая из подсистем ИКБ и даже отдельные их элементы способны работать в автономном режиме, что повышает надежность ИКБ в целом Включение в режиме целом.

структуру модуля мультисенсорной системы, программно-аппаратная интегра аппаратная ция, единая информационная среда с внешними приложениями позволяют ИКБ обеспечивать пожарную и экологическую безопасность объекта объекта.

Программные и схемотехнические решения, реализованные в данной систе ме, позволяют без существенных изменений реализовать сенсорные системы всех ранее рассмотренных типов Также отметим, что данная система может быть дос типов.

таточно просто расширена. Например, предполагается использовать управляемый расширена блок подготовки газов, что превратит исследовательскую систему в автоматизи рованную систему классификации и калибровки сенсоров необходимую для мас сенсоров, сового производства газовых сенсоров.

Рис. 8. Структурная схема интегрированной системы безопасности с модулем на основе разработанной мультисенсорной системы типа «Электронный нос» Выводы В ходе проведенного диссертационного исследования получены следую щие результаты:

1. Создана система контроля летучих веществ, содержащихся в строитель ных материалах, с использованием мультисенсорного газоанализатора позво газоанализатора, ляющая оценивать качество воздуха и состояние пожарной безопасности в зда ниях, помещениях, сооружениях. Система отличается от существующих анало сооружениях гов малогабаритностью и быстродействием.

огабаритностью 2. Разработана модель обработки информации искусственными нейронны ми сетями, способная функционировать в условиях неполноты и противоречи вости данных. Создан алгоритм оптимизации параметров нейронной модели, позволяющий осуществлять настройку газоанализатора на заданный токсикант, что уменьшает время работы мультисенсорной системы в зданиях, помещени ях, сооружениях, обеспечивая пожарную безопасность всего производственно го комплекса.

3. Разработано техническое устройство, позволяющее защитить людей от производственного травматизма при производстве и эксплуатации строитель ных отделочных материалов на полимерной основе в зданиях и сооружениях.

Использование данного лабораторного макета по разработанному алгоритму повышает пожарную безопасность всего технологического цикла производства строительных материалов.

4. Предложена методология экспресс-анализа летучих веществ, выделяю щихся из строительных полимерных композитов, с применением химических сен соров из полимерных материалов, которая позволяет оценить уровень пожарной и экологической опасности. Методология апробирована на прототипе мультисен сорного газоанализатора, позволяющего контролировать в воздухе помещения или рабочей зоны формальдегид, фенол и другие токсиканты на уровне ПДК, а при также при двойном его превышении. Применение данной методологии суще ственно повышает вероятность обнаружения токсичных и взрывоопасных ве ществ при производстве и эксплуатации строительных отделочных материалов на полимерной основе. Использование искусственной нейронной сети позволило осуществить структурно-параметрическую оптимизацию системы и предложить алгоритм аналитического контроля органических токсикантов в воздушной среде с использованием мультисенсорной системы.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК 1. Чуйков, А.М. Разработка мультисенсорного газоанализатора для анализа горючих газов / А.М. Чуйков, А.Н. Перегудов, А.В. Калач // Пожаровзрывобезопасность. - 2011.- № 1.

– С. 54-56.

2. Чуйков, А.М. О возможности использования системы типа «Электронный нос» для оценки уровня токсичности газов и паров при эксплуатации строительных материалов / А.М.

Чуйков, А.Н.Перегудов, А.В. Калач, А.А. Исаев // Технологии техносферной безопасности. – 2011. – № 2 (36). - С. 1-8.

3. Чуйков, А.М. Мониторинг содержания легковоспламеняющихся жидкостей в воз духе с использованием сенсоров / А.М.Чуйков, А.В. Калач, Д.В. Русских, А.Б. Плаксицкий // Вестник Воронежского гос. техн. ун-та. – 2011. – Т. 7, № 7. - С. 99-102.

4. Чуйков, А.М. Информационно-экспертная система в анализе пожарной опасности жидкостей / А.М.Чуйков, А.В. Калач, Н.В. Бердникова [и др.] // Вестник Воронежского гос.

техн. ун-та. – 2011. – Т. 7, № 8. – С. 206-208.

5. Чуйков, А.М. Сенсоры для мониторинга содержания легковоспламеняющихся жидкостей в воздухе. Часть 1 / А.М. Чуйков, А.В. Калач, Д.В. Русских, А.Б. Плаксицкий // Датчики и системы. – 2011. – № 10. – С. 59-60.

6. Чуйков A.M. Система распознавания экотоксикантов в закрытых помещениях / А.В. Калач, A.M. Чуйков, O.Б. Рудаков // Научный вестник Воронежского гос. арх.-строит.

ун-та. Строительство и архитектура. – 2012. – Вып. № 3 (27). – С. 119-126.

Статьи в других изданиях 7. Чуйков, А.М. Получение чувствительных слоев Ленгмюра-Блоджетт для анализа газов и паров / А.М. Чуйков, А.В. Калач, Л.М. [и др.] // Проведение научных исследований в области индустрии наносистем и материалов: материалы Всерос. конф. – Белгород, 2009. – С. 103 – 104.

8. Чуйков, А.М. Определение алкилацетатов С2-С5 с применением мультисенсорной системы типа «электронный нос» / А.М. Чуйков, А.В.Калач, Ю.В.Спичкин // Сервис безо пасности в России: опыт, проблемы, перспективы: материалы II междунар. науч.-практ.

конф. – Санкт-Петербург, 2009. – Т. II. – С. 199-202.

9. Чуйков, А.М. Моделирование системы обоняния / А.М. Чуйков, А.Н. Перегудов, А.В. Калач, Ю.В.Спичкин // Физико-математическое моделирование систем: материалы VI Междунарю семинара. – Воронеж, 2010. – Ч. 2. – С.160-163.

10. Чуйков, А.М. Моделирование и создание интеллектуального мультисенсорного га зоанализатора, способного функционировать в условиях неполноты и противоречивости ин формации / А.М. Чуйков, А.Н. Перегудов, А.В. Калач, Е.Н.Грошев // Информационные тех нологии в науке, образовании и производстве (ИТНОП-2010): материалы IV междунар. на уч.-техн. конф. – Орёл, 2010. – Т. 2. – С. 59-65.

11. Чуйков, А.М. Моделирование и создание интеллектуального газоанализатора, способ ного функционировать в условиях неполноты и противоречивости информации / А.М. Чуйков, А.Н. Перегудов, А.В. Калач, Ю.В.Спичкин, А.Г. Горшков // Пожарная безопасность: проблемы и перспективы: материалы междунар. науч.-практ. конф. – Воронеж, 2010. – С. 335-338.

12. Чуйков, А.М. Использование системы «Электронный нос» для анализа токсичности строительных материалов / А.М. Чуйков, А.В. Калач, А.Б. Плаксицкий // Актуальные про блемы инновационных систем информатизации и безопасности: материалы междунар. науч. практ. конф. – Воронеж, 2011. – С. 35-37.

13. Чуйков, А.М. Использование системы «Электронный нос» для анализа токсичности строительных материалов / А.М.Чуйков, А.В. Калач, А.Б. Плаксицкий // Пожарная безопас ность-2011: материалы Х междунар. науч.-техн. конф. – Харьков, 2011. – С. 124-125.

14. Мультисенсорная система для определения летучих компонентов в воздухе при производстве строительных материалов из полимерных композитов: пат. на полезную мо дель 120227: МПК G01N 5/00 / Чуйков А.М., Мещеряков А. В., Калач А. В.;

заявитель и па тентообладатель Чуйков А.М. - № 2012104710;

заявл. 09.02.2012;

опубл. 10.09.2012.

ЧУЙКОВ АЛЕКСАНДР МИТРОФАНОВИЧ МУЛЬТИСЕНСОРНАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ЛЕТУЧИХ КОМПОНЕНТОВ СТРОИТЕЛЬНЫХ ОТДЕЛОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Подписано в печать 18.12.2012. Формат 6084 1/16.

Усл. печ. л. 1,0. Тираж 120 экз. Заказ № _.



 



Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.