Установка для сравнительных испытаний газоаналитических датчиков с имитацией натурных условий
Полезная модель относится к измерительной технике, а именно, к измерительным установкам для испытаний газоаналитических датчиков различных типов, которые используются для контроля концентрации водорода в помещениях стендов для отработки жидкостных ракетных двигателей, работающих на жидком водороде и жидком кислороде.
Техническая задача, решаемая полезной моделью, заключается в создании экспериментальной установки упрощенной схемы, обеспечивающей проведение испытаний одновременно нескольких газоаналитических датчиков различных схем и принципов действия, испытываемых при идентичных условиях и внешних воздействиях.
Установка для сравнительных испытаний на газообразном водороде газоаналитических датчиков разных типов включает замкнутый циркуляционный контур с вертикальным участком, внутри которого в одной поперечной плоскости размещены испытуемые газоаналитические датчики, закрепленные на платформе. Платформа обеспечивает передачу ударно-вибрационных нагрузок на датчики от устройств создания вибрационных и ударных воздействий. В зоне установки датчиков на стенке участка закреплены звуковой и электромагнитный излучатели с датчиками контроля интенсивности воздействия. Контур оборудован устройствами регулирования влажности, температуры газовой среды, отбора проб газовой среды на анализ и вентилятором с регулируемой производительностью. Кроме того, контур может быть сообщен с атмосферой и с вентилятором, вход которого сообщен с атмосферой. В вертикальном участке размещены патрубки подачи газообразных Н2, N2 и Не 2, соединенные с системой подачи указанных компонентов и установленные с возможностью перемещения относительно газоаналитических датчиков. Установка оборудована информационно-измерительной и управляющей системами.
Таким образом, применение экспериментальной установки с кольцевым циркуляционным контуром газовой среды обеспечивает идентичные для всех сравниваемых газоаналитических датчиков климатические и гидродинамические параметры потока циркулирующей газовой среды, а также одновременное получение на чувствительных элементах всех сравниваемых газоаналитических датчиков газовоздушной среды одинакового состава по примесям контролируемых газообразных компонентов топлив и технологических газов.
Полезная модель относится к измерительной технике, а именно, к измерительным установкам для испытаний газоаналитических датчиков различных типов, которые используются для контроля концентрации испаренных компонентов ракетных топлив в помещениях стендов для отработки жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), работающих преимущественно на жидком водороде и жидком кислороде.
Одной из проблем обеспечения безопасности стендовых испытаний ракетных блоков (РБ) и двигательных установок (ДУ) на жидком водороде и жидком кислороде является оперативный контроль появления в воздушной среде испытательного помещения опасных накоплений компонентов ракетных топлив (газообразных водорода и/или кислорода), образующихся в результате несанкционированных утечек, с последующим немедленным принятием эффективных мер по предотвращению вероятных пожаров и взрывов водородно-воздушных смесей в помещениях стенда. Основным звеном в системе контроля опасных накоплений (СКОН) являются газоаналитические датчики. Высокая пожаро-взрывоопасность смесей водорода с воздухом требует быстродействия и надежности газоаналитических датчиков, определяющих эффективность систем СКОН и связанных с ними систем пожаро-взрывопредупреждения (СПВП). В связи с этим к газоаналитическим датчикам, устанавливаемым на стендах для испытаний кислородно-водородных ДУ с ЖРД, предъявляются высокие требования по быстродействию и надежности. Задержки обнаружения концентраций опасных накоплений контролируемых газов увеличивают массу накапливаемых опасных смесей, вероятность аварийных исходов испытаний и тяжесть их последствий.
Важнейшее значение при разработке на современном техническом уровне систем контроля, предупреждения и защиты для испытательных стендов, имеет выбор газоаналитических датчиков, надежно работающих в широком диапазоне температур, влажности, воздействий акустического, теплового и электромагнитного излучений, вибрационных и ударных нагрузок, в присутствии других газов, влияющих на их работу.
В настоящее время разработчики и изготовители газоаналитических датчиков контроля компонентов, например, водорода, к каждому датчику прикладывают его паспортную характеристику, полученную при сдаточных заводских испытаниях. Методика заводских испытаний, а также конкретные технические условия их проведения в паспорте на датчик не приводятся. Не всегда указывается ресурсная работоспособность датчиков в реальных климатических условиях. Потребители газоаналитических датчиков вынуждены самостоятельно решать проблему подтверждения паспортных характеристик и ресурса работоспособности газоаналитических датчиков в натурных условиях их функционирования на испытательных стендах.
В натурных условиях (помещениях стенда) газоаналитические датчики устанавливаются в местах наиболее вероятного появления опасных накоплений контролируемых газов [см. Приборы шахтные газоаналитические. Общие технические требования. Методы испытаний. ГОСТ 24032-80]. Натурные условия функционирования датчиков могут включать в себя различные сочетания разнородных внешних факторов, влияющих на характеристики датчиков, и в целом, на их работоспособность. Например, на работу газоаналитических датчиков, установленных в открытых испытательных помещениях, влияют сочетания переменных атмосферно-климатических условий окружающей воздушной среды, акустические, тепловые излучения от объектов, испытываемых на ракетных стендах, вибрационные и ударные нагрузки различного происхождения.
Реальное быстродействие газоаналитического датчика зависит от степени его селективности по отношению к контролируемому компоненту, содержащемуся в различных газовоздушных смесях, неконтролируемые компоненты которых также оказывают влияние на характеристики и работоспособность датчика. Например, экспериментально установлено, что некоторые типы газоаналитических датчиков для контроля водорода чувствительны также и к содержанию гелия в газовоздушной смеси. Некоторые газоаналитические датчики, предназначенные для контроля содержания исключительно кислорода в газовых смесях, могут временно оказаться неработоспособными, если в этих смесях появляется примесь газообразного водорода. Временные отказы датчиков проявляются и в случае превышения в атмосфере помещений допустимой концентрации контролируемого датчиком компонента. Длительность временных отказов и появление нечувствительности газоаналитических датчиков должны были бы выявляться и указываться в их паспортах. Однако разработчики указанных датчиков, как правило, не проводят такие исследования. В результате отказы газоаналитических датчиков выявляются во время стендовых испытаний ЖРД, приводя к высоким рискам их проведения и значительным материальным затратам в случае аварийного исхода.
Пользователи газоаналитических датчиков вынуждены разрабатывать методики и экспериментальные установки (ЭУ) для их испытаний при различных прогнозируемых сочетаниях одновременно воздействующих факторов, в которых находятся датчики на испытательных стендах. Затраты на восстановление после вероятных разрушений испытательных сооружений и уникальных изделий многократно превосходят затраты на дополнительные испытания газоаналитических датчиков в натурных условиях. Такой подход может обеспечить надежность систем СКОН и СПВП, повысить общую безопасность испытаний на действующих стендах.
В связи с этим к ЭУ для сравнительных испытаний газоаналитических датчиков различных типов предъявляются высокие требования по созданию и поддержанию программных натурных условий, воздействующих на датчики.
Известна установка для испытаний газоаналитических датчиков разных типов с имитацией натурных условий, содержащая замкнутую полость, в которой установлены испытуемый и контрольный газоаналитические датчики, датчики контроля климатических параметров и состава газовой среды, патрубки ввода газовых компонентов, соединенные с системами подготовки газообразных компонентов, и устройства поддержания заданной температуры и влажности газовой среды в замкнутой полости (см. Технические характеристики и области применения установки для испытаний водородных датчиков. / Международный журнал «Альтернативная энергетика и экология» 
5 (37), 2006, с.?).
Назначение установки - проведение научных исследований, проверки характеристик водородных сенсоров в климатических условиях, приближенных к условиям эксплуатации. Она состоит из двух испытательных камер, снабженных различными вспомогательными системами, включая устройства подготовки газо-жидкостных смесей, испарители и влагомеры.
Известная установка позволяет проводить длительные исследования медленно меняющихся воздействий модельной газовой среды на единственный газоаналитический датчик и динамические испытания, заключающиеся в получении отклика того же датчика на быстрые программные изменения концентрации модельной газовой среды, создаваемой системами экспериментальной установки. В первом случае исследуется воздействие на исследуемый газоаналитический датчик постепенного изменения таких параметров газовой среды, как температура, давление, влажность и концентрация водорода и различных примесей к водороду (СО, СО2, H2S, SO2; NOX, CX H, NH3 и спирты). Во втором случае обеспечивается быстрое изменение состава газовой смеси при постоянстве ее расхода через исследуемый датчик. Во время испытания значения исследуемых параметров выносятся на график зависимости от времени испытания на экране монитора. Регулировка всех указанных параметров осуществляется непрерывно на основании показаний датчика, установленного в подготовительной камере емкостью 2,39 л и соединенного с измерительной схемой. Требуемые минимальные концентрации водорода или иных примесей создаются путем разбавления предварительно подготовленных водородно-воздушных смесей в чистом воздухе. К изменяемым параметрам окружающей среды относятся температура, относительная влажность и давление. Экспериментальная установка пригодна для проведения научных исследований и лабораторных испытаний индивидуальных газоаналитических датчиков и пленочных сенсоров.
Недостатками известной установки являются невозможность одновременного проведения сравнительных испытаний нескольких газоаналитических датчиков разных типов в условиях близким к натурным, высокая сложность, а также невозможность применения гелия в виде фоновой примеси по причине известных трудностей его удаления из газоаналитической системы. Испытания нескольких сравниваемых газоаналитических датчиков на описанной установке могут проводиться только последовательно. В связи с этим их результаты не дают оснований для сравнения получаемых индивидуальных характеристик по причине всегда имеющих место отклонений влияющих и неинформативных параметров во время испытаний. Корректное сравнение характеристик датчиков требует их предварительного статистического обоснования путем проведения достаточного количества исследований, что связано со значительными временными и экономическими затратами.
Целью сравнительных испытаний группы газоаналитических датчиков разных типов является выявление и взаимное сравнение рабочих характеристик каждого датчика, прежде всего, быстродействия и селективности по отношению к контролируемому компоненту путем программного изменения состава анализируемых газовых смесей, механических, электромагнитных, акустических и климатических воздействий на датчики, причем все воздействия осуществляются синхронно для всех датчиков группы. Идентичность испытательных условий и синхронность внешних воздействий на датчики создают метрологическую основу для сравнения рабочих характеристик датчиков. Результаты сравнительных испытаний газоаналитических датчиков разных типов позволяют потребителю выбрать на современном приборном рынке их наилучшие образцы для приобретения.
Техническая задача, решаемая полезной моделью, заключается в создании экспериментальной установки упрощенной схемы, обеспечивающей проведение испытаний одновременно нескольких газоаналитических датчиков различных схем и принципов действия, испытываемых при идентичных условиях и внешних воздействиях для сравнения их рабочих и эксплуатационных характеристик.
Это достигается тем, что в известной установке для сравнительных испытаний газоаналитических датчиков разных типов с имитацией натурных условий, содержащей замкнутую полость, в которой установлены испытуемый и технологический газоаналитические датчики, датчики контроля климатических параметров газовой среды, патрубки ввода газовых компонентов, соединенные с системами подготовки газообразных компонентов, и устройства поддержания заданной температуры и влажности газовой среды, согласно полезной модели, замкнутая полость выполнена в виде кольцевого циркуляционного контура с вертикальным участком, внутри которого в поперечной плоскости размещены испытуемые газоаналитические датчики, закрепленные на горизонтальной газопроницаемой платформе и устройство для циркуляции движения газовой среды.
Кроме того, кольцевой циркуляционный контур снабжен предохранительными мембраной и клапаном, и соединен через запорные устройства с атмосферой и с системой, обеспечивающей замену газовой среды в контуре, выполненной, например, в виде вентилятора, вход которого сообщен с атмосферой.
При этом патрубки ввода газовых компонентов установлены с возможностью перемещения относительно газоаналитических датчиков.
Установка снабжена устройствами создания акустических, электромагнитных, вибрационных и ударных воздействий на газоаналитические датчики, а в кольцевом циркуляционном контуре установлено устройство для измерения скорости газового потока.
Причем устройство для циркуляции газовой среды имеет регулируемую производительность и установлено в кольцевом циркуляционном контуре с возможностью создания в его вертикальном участке восходящего потока газовой среды.
На чертеже приведена схема установки для сравнительных испытаний газоаналитических датчиков разных типов с имитацией натурных условий.
Экспериментальная установка для испытаний датчиков концентраций целевых компонентов предназначена для проведения сравнительных испытаний на быстродействие и селективность газоаналитических датчиков с моделированием натурных климатических условий окружающей газовой среды, вибрационных, ударных, акустических и электромагнитных воздействий.
Принцип действия установки - моделирование натурных климатических и гидродинамических параметров движущейся газовой среды в проточном кольцевом циркуляционным контуре с испытуемыми и контрольными газоаналитическими датчиками, синхронное нагружение датчиков программными воздействиями концентраций примесей в движущейся газовой среде, механическими, акустическими и электромагнитными воздействиями с непрерывной регистрацией выходных сигналов датчиков.
Установка для сравнительных испытаний на газообразном водороде в воздушной среде с примесями газообразного гелия газоаналитических датчиков разных типов включает в себя теплоизолированный снаружи замкнутый циркуляционный контур 1 с вертикальным участком 2, внутри которого в одной поперечной плоскости размещены испытуемые газоаналитические датчики 3, закрепленные на горизонтальной газопроницаемой платформе 4. Такая форма выполнения замкнутой полости ЭУ с вертикальным участком исключает поперечное расслоение потока газовой смеси и обеспечивает однородные по сечению поле скоростей, состав примесей и климатические параметры потока. Вследствие этого, а также благодаря размещению газоаналитических датчиков в одной поперечной плоскости, для всех газоаналитических датчиков, входящих в группу, обеспечиваются идентичные климатические и гидродинамические параметры движущейся газовой среды и ее состав. Платформа 4 закреплена на стенке вертикального участка 2 таким образом, что обеспечивает передачу ударно-вибрационных нагрузок на датчики 3 от устройств создания вибрационных и ударных воздействий 5 и 6. В стенке выполнено окно, герметично закрываемое затвором 7, через которое устанавливается и закрепляется платформа 4 с датчиками 3 внутри вертикального участка 2. В зоне установки датчиков 4 на стенке участка 2 закреплены звуковой и электромагнитный излучатели с датчиками контроля интенсивности воздействия 8. Контур 1 оборудован устройствами регулирования влажности 9, температуры газовой среды 10 (теплообменник-холодильник), отбора проб газовой среды на анализ с помощью хроматографа 11 и устройством 12, движущим газовую среду в контуре, и выполненным в виде вентилятора с регулируемой производительностью. Кроме того, контур 1 через задвижки 13 и 14 сообщен с атмосферой и с системой, обеспечивающей замену газовой среды в контуре 1, выполненной в виде вентилятора 15, вход которого сообщен с атмосферой. В контуре 1 установлены датчики давления 16 и 17, температуры 18, влажности 19 и устройство измерения скорости газового потока 20. Все коммуникации и соединения газоаналитических датчиков 3 выведены из рабочей зоны контура 1 через герметичный разъем 21 и подключены к блокам вторичной аппаратуры 22. В вертикальном участке 2 размещены патрубки 23 и 24 подачи газообразных водорода (H2), азота (N2) и гелия (Не2 ) соответственно, соединенные с системой подачи указанных компонентов и контроля их количества, и установленные с возможностью перемещения относительно входов газоаналитических датчиков 3. Вентилятор 12 обеспечивает создание в вертикальном участке 1 восходящего потока газовой среды. Установка оборудована информационно-измерительной и управляющей системами 25. Контур 1 оборудован предохранительными клапаном 26 и мембраной 27 для предотвращения превышения в нем заданного давления. Все электроприборы, устройства и системы экспериментальной установки выполнены во взрывобезопасном исполнении.
Перед началом сравнительных испытаний газоаналитических датчиков определяют перечень внешних факторов, которые могут оказывать воздействие на их работоспособность и влиять на их характеристики в реальных условиях - акустическое и электромагнитное излучение, ударное и вибрационное воздействие, для предварительной настройки соответствующих устройств, а также определяют параметры газовоздушной смеси, циркулирующей в контуре 1: температуру, влажность, скорость циркуляции, концентрации вводимых примесей водорода, азота и гелия, для настройки систем, обеспечивающих их подачу. Предварительными расчетами определяются исследуемые диапазоны концентраций контролируемых компонентов, которые должны быть созданы при испытаниях. Кроме того, расчетом определяют временную задержку попадания примеси контролируемого компонента на чувствительные элементы газоаналитических датчиков 3. Для этого в соответствии с расчетом устанавливают положение патрубков 23 и 24 относительно плоскости платформы 4.
Перед началом работы производится замена газовой среды в контуре 1 установки на атмосферный воздух, для чего открывают газовые заслонки 13 и 14, включают вентиляторы 12 и 15. При получении заданных результатов контроля состава среды в контуре 1 по показаниям приборов 11 и 19 выключают вентиляторы 12, 15 и закрывают заслонки 13 и 14. Включением теплообменника с энергетическим блоком 10, вентилятора 12 и устройства регулирования влажности 9 обеспечивают заданные климатические параметры газовой среды внутри контура 1 в течение времени, необходимого для выравнивания температурных и концентрационных полей. Контроль климатических параметров газовой среды в кольцевом тракте осуществляют по датчикам температуры 18 и влажности 19 с помощью информационно-измерительной системы 25.
Не прекращая циркуляции газовой среды в кольцевом контуре 1, включают подачу примеси контролируемого компонента (Н2) через патрубок 23 на время, определенное предварительным расчетом (несколько секунд). Моменты подачи газовой примеси и ее прекращения вместе с показаниями испытуемых датчиков регистрируются во времени информационно-измерительной системой 25. Выполняется вторичная обработка результатов измерений. Идентичность климатических и концентрационных воздействий одновременно на все газоаналитические датчики обеспечивает метрологическую основу для сравнения откликов испытуемых газоаналитических датчиков между собою.
Повторяя испытания датчиков при разных скоростях циркуляции газовоздушной среды в кольцевом контуре 1 и, устанавливая новые значения концентрации примеси водорода, получают зависимости показаний датчиков от концентрации примеси. По результатам сравнения временных задержек выходных сигналов (откликов) газоаналитических датчиков можно выбрать датчик с минимальной инерционностью из группы сравниваемых газоаналитических датчиков.
После испытания газоаналитических датчиков на быстродействие по водороду проводят их испытания на селективность в присутствии гелия.
Для этого проводят подготовку установки и выбор факторов, имитирующих воздействие на газоаналитические датчики в реальных условиях по тому же алгоритму, как это было описано выше. Затем при включенном вентиляторе 12 в газовый тракт через патрубок 24 вводится примесь технологического газа, например, гелия, воздействие которого на свойства испытуемых газоаналитических датчиков должно быть проверено. Действительная концентрация технологического газа (гелия) в кольцевом контуре 1 контролируется хроматографом 11. После этого в контур 1 через патрубок 23 вводят расчетный объем газообразной примеси контролируемого компонента топлива, например, водорода (H2). Производится регистрация откликов (выходных сигналов) испытуемых газоаналитических датчиков 3 с помощью информационно-измерительной системы 25. По результатам испытаний определяют влияние концентрации гелия на показания измерений концентрации водорода в газовоздушной смеси. После проведения вторичной обработки результатов испытаний осуществляется сравнение временных задержек откликов каждого из испытуемых газоаналитических датчиков между собою. Результаты сравнения обеспечат возможность выбора наилучших газоаналитических датчиков из испытуемой группы.
Таким образом, применение экспериментальной установки с кольцевым циркуляционным контуром газовой среды, с размещенными внутри испытуемыми газоаналитическими датчиками, оснащенной информационно-измерительной системой, устройствами имитации утечек контролируемых компонентов и технологических газов, устройствами обеспечения климатических параметров газовой среды, устройствами для создания вибрационно-ударных, акустических и электромагнитных воздействий на испытуемые датчики, обеспечивает:
- идентичные для всех сравниваемых газоаналитических датчиков климатические и гидродинамические параметры потока циркулирующей газовой среды;
- одновременное получение на чувствительных элементах всех сравниваемых газоаналитических датчиков газовоздушной среды одинакового состава по примесям контролируемых газообразных компонентов топлив и технологических газов;
- метрологическую основу для корректного сравнения рабочих характеристик и надежности испытуемых газоаналитических датчиков и выбора датчика с необходимыми характеристиками и работоспособностью для использования в натурных условиях.
1. Установка для сравнительных испытаний газоаналитических датчиков разных типов с имитацией натурных условий, содержащая замкнутую полость, в которой установлены испытуемые газоаналитические датчики, датчики контроля климатических параметров, патрубок отбора газовой среды на анализ состава, патрубки ввода газовых компонентов, соединенные с системами подачи газов, устройства поддержания заданной температуры и влажности газовой среды в замкнутом объеме, отличающаяся тем, что замкнутая полость выполнена в виде кольцевого циркуляционного контура с вертикальным участком, внутри которого размещено устройство для циркуляции газовой среды в контуре и дополнительные испытуемые газоаналитические датчики, при этом все испытуемые газоаналитические датчики размещены в поперечной плоскости и закреплены на горизонтальной газопроницаемой платформе.
2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что кольцевой циркуляционный контур соединен через запорные устройства с атмосферой и с системой, обеспечивающей замену газовой среды в контуре, выполненной, например, в виде вентилятора, вход которого сообщен с атмосферой.
3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что патрубки ввода газовых компонентов установлены с возможностью перемещения относительно плоскости платформы с испытуемыми газоаналитическими датчиками.
4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что устройство для циркуляции газовой среды выполнено в виде вентилятора, имеющего регулируемую производительность, и установлено в кольцевом циркуляционном контуре с возможностью создания в его вертикальном участке восходящего потока газовой среды.
5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что в кольцевом циркуляционном контуре установлено устройство для измерения скорости газового потока.
6. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена устройствами создания вибрационных и ударных воздействий, соединенными с платформой с испытуемыми газоаналитическими датчиками.
7. Установка по п.1, отличающаяся тем, что кольцевой циркуляционный контур снабжен предохранительными клапаном и мембраной.
