ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

«Разработка измерительных средств для контроля газа аммиака».

Рекомендуемая область пременения

Измерение концентрации газа аммиака в сельском хозяйстве, в промышленности, в научных и экологических исследованиях.

Назначение, цели и задачи проекта

Основное назначение проекта – разработка современных средств измерения, применение которых обеспечит качественный и эффективный контроль газа аммиака. Использование современных методов контроля за состоянием микроклимата производственных помеще­ний при помощи специальных приборов и аппаратов дает возможность техническим спе­циалистам наметить пути создания и обеспечить надлежащие усло­вия функционирования предприятий в соответствии с санитарными требованиями, способствовать улучшению состояния природной среды.

Общей целью является повышение качества контроля аммиака (NH₃) на предприятиях путем разработки и применения новых более совершенных технических средств измерения его концентрации. Главная научная цель работы состоит в разработке научно-методических основ функционирования датчика устройств для измерения концентрации NH₃.

Основными задачами являются: разработка датчика (первичного измерительного преобразователя) для технических средств контроля аммиака, разработка технических средств контроля NH₃ для промышленных предприятий, т.е. принципиальных электрических схем и конструкций измерителей концентрации аммиака, а также рекомендаций по их практическому использованию, разработка устройства непрерывного контроля NH₃ для систем автоматизированного микроклимата.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Для получения экспресс-информации по аммиаку в настоящее время используется линейно-колористический метод, который осуществляется при помощи портативного универсального газоанализатора УГ-2. К недостаткам УГ-2 относятся: низкая точность (погрешность до 30-50 %), трудоемкость измерения, высокая стоимость расходного материала (трубок с индикаторным порошком), ограничение применения по влажности воздуха и невозможность автоматизации процесса измерения.

Кроме того, для количественного анализа аммиака применяются титрометрический, колориметрический, фотоколориметрический, спектрофотометрический, резонансное возбуждение объемных и поверхностных мод в чувствительных структурах, газокорреляционный, пламенно-ионизационный, оптико-акустический, метод поверхностных акустических волн, хемилюминесцентный, электрохимический, хроматографический. Эти методы обеспечивают качественно более высокий уровень селективности, стабильности и воспроизводимости своих характеристик (особенно характерно для оптических методов). Некоторые из них (оптико-акустический, электрохимический, сорбционно-частотный, фотоколориметрический и др.) позволяют получать экспресс-информацию и автоматизировать процесс измерения. Однако практически все они реализуемы, как правило, в сложных и дорогих измерительных комплексах с ограниченной применимостью.

В то же время интенсивное развитие датчиков на основе микроэлектроники (иногда их называют интегральными или сенсорами), происходящее в мире в последние 25-30 лет, не только не замедляется, но, напротив, имеет тенденцию к ускорению. Исследования, разработка и производство микроэлектронных датчиков, а также устройств на их основе являются одной из самых динамичных областей приборостроения, причем современный этап характеризуется объединением усилий исследователей и производителей, углублением и расширением поисковых и прикладных исследований в данной области. Использование микроэлектроники во многих случаях обеспечивает оптимальную совокупность противоречивых требований, предъявляемых к современным датчикам: долговременную стабильность; высокую надежность; большой срок службы; жесткие условия эксплуатации; высокую точность; высокую чувствительность к измеряемому параметру и нечувствительность к другим влияющим факторам; малые габаритные размеры, массу и энергопотребление; информационную, конструктивную и технологическую совместимость с микроэлектронными средствами обработки информации; низкую трудоемкость и малую стоимость в мелко- и крупносерийном производстве.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Конструкция датчика NH3 приведена на рис. 1. Подложка датчика состоит из ситалловой пластины 3 размером 25х25х1 мм с изготовленными на ее поверхности методом фотолитографии встречно-штыревыми электродами 1. Зазор меж­ду электродами а=100 мкм, длина зазора L=1476 мм, толщина (высота) слоя электрода h=1 мкм. В качестве чувствительного слоя используется синтезированный и очищенный химическими методами органический полупроводник фталоцианин меди (PcCu). Для нанесения на подложку слоя органического полупроводника 2 использовался метод вакуумной сублимации.

Синтезированный PcCu содержит акцепторную примесь кислорода, который обуславливает p-тип его проводимости. Адсорбция донорного газа NH3 на поверхности чувствительного материала датчика приводит к рекомбинации электрона молекулы аммиака и дырки, образованной примесью кислорода. В результате количество свободных носителей заряда уменьшается и сопротивление полупроводникового датчика возрастает. Взаимодействие является обратимым.

В результате с ростом концентрации аммиака в атмосфере помещений при постоянной рабочей температуре сопротивление датчика NH3 увеличивается. Разработанный датчик (первичный измерительный преобразователь) аммиака позволяет улучшить качество контроля NH3 за счет высокой чувствительности и простоты измерения (концентрация NH3 определяется посредством измерения активного сопротивления чувствительного слоя датчика).

По итогам исследований влияния режимов работы на электрофизические характеристики датчика NH3 определены оптимальные параметры его функционирования в среде сельскохозяйственных помещений: рабочая температура - 90 оС, время измерения - 240 с. При испытании датчика в течение года концентрациями аммиака в диапазоне С=10...200 мг/м3 дрейфа его параметров - сопротивления и чувствительности - практически не наблюдается, что свидетельствует о незначительной деградации.

На основании этих данных разработаны измерители концентрации аммиака (ИКГ) для предприятий агропромышленного комплекса.

Обобщенная структурная схема средств контроля концентрации аммиака содержит (рис.2): датчик аммиака 1, преобразователь 2, отображающее (для измерителей ИКГ) или исполнительное (для систем микроклимата) устройство, стабилизатор температуры датчика  4, источник питания 5.

Рис. 1. Конструкция датчика аммиака:

1 - растровые электроды; 2 -  газочувствительный слой полупроводника; 3 - ситалловая пластина

Рис. 2. Структурная схема средств контроля концентрации аммиака:

 1 - датчик аммиака, 2 - преобразователь, 3 - отображающее (для измерителей ИКГ) или исполнительное  (для систем микроклимата), 4 - стабилизатор температуры датчика, 5 - источник питания

Рабочие условия эксплуатации средств контроля аммиака: температура от -10 до +40 ^оС; относительная влажность до 95 % (при отсутствии конденсации); атмосферное давление от 86 до 106 кПа; напряжение сети 220 В от -15 до +10 % частотой 50±1 Гц; положение датчика горизонтальное ±10^о.

Технические характеристики устройства контроля NH₃ (на примере ИКГ-3): порог чувствительности 5 мг/м³; диапазон измерения 5-200 мг/м³; основная погрешность не более: в диапазоне 5-20 мг/м³ - приведенной =±15 %, в диапазоне 20-200 мг/м³ - относительной =±15 %; время установления показаний 240 с; потребляемая мощность 5 Вт; средний срок службы датчика 2 года; масса измерителя 2 кг; габаритные размеры 180х180х120 мм. Дополнительные погрешности при изменении: температуры на каждые 10 ^оС относительно 20 ^оС не более 0.2·; влажности на каждые 10 % относительно 60 % не более 0.2·; напряжения  от  -15 до 10 %  и  частоты  на  ±1 Гц  не более 0.1·.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Экономический эффект достигается за счет повышения качества контроля аммиака путем использования более точных и оперативных средств контроля NH3 и своевременного принятия мер по предотвращению аварийных ситуаций. Для животноводства превышение ПДК по аммиаку приводит к снижению удоев, приростов живой массы телят и свиней до 10 %. Для птицеводства к снижению суточных привесов цыплят-бройлеров, продуктивности птицы до 20 %. Стоимость газоанализатора ИКГ-3 составляет 3 тыс. руб., что значительно ниже аналогов. Срок службы датчика составляет 2 года.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Снижение энергопотребления систем вентиляции за счет более точного контроля NH₃

Экологическая безопасность. Точный и оперативный контроль NH₃

Новые потребительские свойства продукции

- уменьшены габариты;
- высокая точность и оперативность;
- удобство в эксплуатации.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Измерители предназначены для измерения концентрации аммиака (NH3) в воздухе рабочей зоны производственных помещений.
Рабочие условия эксплуатации:
- температура окружающего воздуха от минус 10 до +40 оС;
- относительная влажность воздуха до 95 % при температуре +25 оС (при отсутствии конденсации);
- атмосферное давление от 86 до 106 кПа (от 650 до 800 мм. рт. ст.);
- напряжение питающей сети 220 В от +10 до минус 15 % частотой 50?1 Гц;
- нормальное положение датчика измерителя горизонтальное ?10о.

Стадия и уровень разработки

Способ проверен в лабораторных условиях и апробирован в условиях опытной эксплуатации. Испытания, проведенные на участке откорма свинокомплекса ЗАО "Надеево", показали, что разработанные измерители определяют концентрацию аммиака в 2-3 раза точнее и в 3-4 раза быстрее по сравнению с используемым газоанализатором УГ-2.

Предлагаемые инвестиции

2 млн. руб.
Создание новых приборов связано с решением ряда задач научно-технического, опытно-конструкторского и организационного характера. Для выполнения этих работ необходимо привлечение финансовых, кадровых, производственных и других материальных ресурсов.

Рынки сбыта

Оборудование рекомендуется использовать в животноводческих и свинокомплексах, на птицефабриках, где необходимы высокие точность и быстродействие, а также на промышленных предприятиях, использующих аммиак.

Возможность и эффективность импортозамещения

Предлагаемая в проекте технология и оборудование для ее реализации имеет аналоги на мировом рынке аналогичной продукции и услуг.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

36

Дата поступления материала

13.03.2007