Мультисенсорные системы обнаружения пожара

Разработки систем для раннего обнаружения пожаров ведутся. В частности, под руководством д.т.н. Калача А.В. (г. Воронеж). Была разработана мультисенсорная система контроля и оценки уровня токсичности воздуха, которая была испытана в производстве и эксплуатации строительных полимерных композитов - рис 7.3 [96]. В мультисенсорной системе в качестве единичных сенсоров газа использовались пьезокварцевые сенсоров (ОАО «Пьезо», Москва), модифицированные пленками Ленгмюра- Блоджет на основе калике [4] резорцинарен (КРА). Указанная модификация позволила с помощью пьезокварцевых сенсоров определять в воздухе содержание паров легколетучих органических растворителей (бензола, толуола, этилбензола, этилацетата, ацетона и др.). Были созданы матрицы из 8 сенсоров, с помощью которых были получены визуальные «отпечатки» исследуемых газов - рис.7.4 [97].

На основе проведенных исследований был разработки прототип (макет) интегрированного комплекса безопасности «КОДОС» совместно с мультисенсорной системой. Предложена методология экспресс-анализа летучих токсичных веществ с применением модифицированных пьезокварцевых сенсоров газов, которая позволяет оценить уровень пожарной и экологической опасности. Методология экс пресс-анализа апробирована при контроле в воздухе помещения содержания на уровне ПДК формальдегида, фенола и другие токсикантов. Применение разработанного экспресс-анализа увеличивает вероятность обнаружения токсичных и взрывоопасных веществ в воздухе. Однако недостатком такой системы является сложная и маловоспроизводимая технология изготовления сенсоров газов.

Мультисенсорные системы могут быть в виде набора извещателей разных типов. На рис. 7.5 в мультисенсорном извещателе размещены тепловой и световой сенсоры и сенсор газа. То есть такой извещатель может отслеживать изменение температуры, задымленности и содержание выделяющихся газов одновременно.

Недостатком таких систем может быть более дорогая конструкция мультисенсорного извещателя, а также его сложность изготовления.

Схема мультисенсорной системы типа «электронный нос»

Рис. 7.3. Схема мультисенсорной системы типа «электронный нос»

Более технологичными являются разработки мультисенсорных систем на основе нанокомпозитных полупроводниковых материалов неорганического и органического происхождения, которые ведутся под руководством д.т.н. Сысоев В. В. (Саратовский государственный технический университет), д.т.н. Аверин И. А. (Пензенский государственный универи- стет), д.ф.-м..н. Мошников В. А. (СПбГЭТУ (ЛЭТИ)), д.т.н. Петров В. В. (ЮФУ, г. Таганрог) и др.

Отклик матрицы сенсоров на воздействие формальдегида (а) и фенола (б) при их концентрации на уровне ПДК)

Рис. 7.4. Отклик матрицы сенсоров на воздействие формальдегида (а) и фенола (б) при их концентрации на уровне ПДК)

Мультисенсорный извещатель

Рис. 7.5. Мультисенсорный извещатель

В 1980 г. исследователи университета Варвика (Англия) впервые предложили набор металлоксидных сенсоров для детектирования газов. В дальнейших исследованиях были использованы линейки сенсоров на основе проводящих полимеров, но в обоих случаях восприятие анализируемого газа осуществлялось через изменение проводимости чувствительного слоя сенсоров.

Предполагается что “электронный нос” может превосходить по своим параметрам возможности современной аналитической аппаратуры. Поэтому сенсоры, используемые в таких системах, во-первых, должны быть технологичны в изготовлении, надежны и стабильны в работе. Отмеченные свойства в настоящее время достижимы исключительно на базе современных микро- и наноэлектронных технологий.

Сложностью систем типа «электронный нос» является то, что каждый сенсор в матрице может характеризоваться различными чувствительностями по отношению к пространству анализируемых газов. Каждый сенсор в сенсорной матрице имеет свой характерный профиль откликов в ответ на предъявление спектра тестируемых газов. Результирующая картина откликов всех сенсоров является достаточно сложной и требует дополнительной математической обработки для итоговой идентификации данного газа.

На рис. 7.6 представлена многосенсорная структура, разработанная в Институте микроструктурных технологий, г. Карлсруэ, Германия [98, 99]. Чип структуры состоит из массива 40 сенсоров, расположенных на одной подложке. Каждый из них обладает различной чувствительностью, потому что существует градиент толщины пленки по чипу и внутри массива сенсоров, за счет четырех нагревателей создается градиент температур. Платиновые нагреватели расположены на нерабочей стороне микрочипа (рис. 7.6, в). За счет градиентов температуры и толщины слоя ГЧМ достигается хорошую селективность, надежность и шумоподавление при работе устройства. Такие сенсоры обеспечивают пределы обнаружения газов не менее чем 1 ppm. На рис. 7.6,е представлены отклики всех сенсоров в полярной системе координат на воздействие газов органической природы и запахов.

Конструкция сенсора

Рис. 7.6. Конструкция сенсора (а - корпусированный сенсор; б - матрица из 40 сенсоров; в - нерабочая сторона сенсора с 4 нагревателями), внешний вид (г) системы «электронный нос» KAMINA (IMT, Karlsruhe Research Centre, Germany) и результаты анализа смеси различных газов (д, е)

Таким образом, суммарный результат воздействия отдельных газов и газовых смесей (запахов) является уникальным. Прибор типа «Электронный нос» состоит из следующих компонент:

  • - набора полупроводниковых сенсоров газов;
  • - системы прокачки газа:
  • - аналогово-цифровой преобразователь;
  • - цифровой контроллер для предварительной обработки сигнала сенсоров и организации стандартного интерфейса для связи с компьютером;
  • - компьютер с ПО для распознавания газов.

Принцип работы «Электронного носа» заключается в измерении отклика (изменение электропроводности, емкости, частоты, ЭДС и т.д.) каждого из сенсоров при их взаимодействии с молекулами газов. Каждый сенсор может не быть селективным по отношению к какому- либо газу. Однако величина отклика каждого сенсора из набора на разные газы может быть индивидуальна. Математическая обработка данных всех сенсоров позволяет сформировать уникальный химический образ анализируемого газа или смеси газов. Количество сенсоров варьируется от 8 до 40 элементов.

Вначале происходит «обучение» прибора при пропускании через него тестового газа, содержащего пары газа-аналита. При этом осуществляется сохранение записи отклика массива сенсоров. При последовательном пропускании через прибор паров или смесей разных гназов-аналитов формируется информационная база откликов. Распознавание осуществляется путем сравнения отклика от неизвестного анализируемого газа или смеси газов с сохраненными в базе откликами. В случае совпадения откликов или комбинации откликов прибор выдает сигнал о наличии в анализируемом газе паров данного вещества или набора веществ.

Применение систем типа «Электронный нос» в сфере безопасности может занять до 15 % мирового рынка в ближайшие 3-10 лет.

В Южном федеральном университете в НОЦ «Микросистемной техники и мультисенсорных мониторинговых систем» ЮФУ ведется разработка мультисенсорной системы, способной определять концентрации газов и паров в атмосферном воздухе на основе сенсоров газов резистивного типа [100]. В таких системах используются слабоселективные сенсоры. По аналогии с обонятельной системой млекопитающих и насекомых, сенсоры генерируют сигнал в присутствии газовой смеси, а алгоритмы распознавания образов анализируют распределение этих сигналов в муль- тисенсорной системе. Сравнивая отклик системы к неизвестному газу (газовой смеси) с калибровочными данными, прибор определяет состав этого газа (газовой смеси) [101].

Нами были исследованы функциональные характеристики сенсоров газов, из которых сформированы массивы сенсоров на основе пленок газочувствительных материалов состава SiCbCuOx, SiCbSnOxCuOy, SiCbZrOx, а также пленок на основе серебросодержащего полиакрилонитрила (ПАН). Исследование газочувствительных свойств массивов сенсоров газов в мультисенсорной системе показало, что с помощью них можно распознавать газы в указанных диапазонах концентраций (табл. 7.1).

Таблица 7.1

№ п/п

Наименование газа (пара)

Формула

Концентрация,

ppm

1

Диоксид азота

1-100

2

Аммиак

5-200

3

Метан

10-1000

4

Сернистый газ

10-1000

5

Оксид углерода (II)

10-1000

6

Ацетон

10-100

7

Хлор

0,1-100

Типичный отклик массива шести сенсоров газов на основе пленок состава SiCbZrOx при воздействии диоксида азота приведен на рис.7.7. С помощью таких исследований проводилась калибровка мультисенсорной системы.

После калибровки мультисенсорной системы на газы, приведенные в табл. 7.1 проводились исследования с целью распознавания неизвестных газов в смеси с воздухом. Для этого также применялись математические методы обработки сигналов [101]. На рис. 7.8 приведен результат распознавания трех различных газов (аммиак, диоксид азота, ацетон), находящихся в воздухе. Оценка погрешности измерений при этом не превышала

11 %. Из рисунка видно, что разработанная система способна определить наличие невысоких концентраций того или иного газа в воздухе, который может выделиться при тлении материалов.

Отклик массива шести сенсоров на основе пленок состава SiOoZrO* при воздействии NOi

Рис. 7.7. Отклик массива шести сенсоров на основе пленок состава SiOoZrO* при воздействии NOi

В результате проведенных исследований показана возможность распознавания невысоких концентраций газа в воздухе, возникающих в результате тления различных материалов в начальный момент возникновения пожаров, с помощью разработанной мультисенсорной системы.

Отклики массива сенсоров на основе оксидов циркония, представленные в полярных координатах на

Рис. 7.8. Отклики массива сенсоров на основе оксидов циркония, представленные в полярных координатах на: а) угарный газ, б) воздух, в) диоксид азота и массива сенсоров на основе пленок Si02Sn0xCu0y (г) с распознаванием газов

N02, NH3, С12, ацетон

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >