ПОДРОБНАЯ ИНФОРМАЦИЯ
Заявку на получение дополнительной информации по этому проекту можно заполнить здесь.
|
Наименование инновационного проекта «Разработка высокочувствительных сенсоров метана (СН4) на основе органических полупроводников» |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Рекомендуемая область пременения ТЭК, теплоэнергетика, нефтегазовая промышленность, ЖКХ |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Назначение, цели и задачи проекта Проблема мониторинга окружающей среды и воздуха рабочей зоны в производственных помещениях нефтегазового комплекса в настоящее время приобрела исключительную важность в связи с ухудшением общей экологической ситуации и увеличением случаев катастроф в нефтяной, угольной и газовой отрасли, которые уносят жизни сотен людей. Нефтегазовый комплекс России является бюджетообразующей отраслью экономики и во многом определяет социально-экономическое состояние страны. Ежегодно происходит около 20 тыс. аварий, связанных с опасным загрязнением воздуха (по данным Госкомэкологии, Минтопэнерго и МЧС России). Одной из наиболее распространенных причин тяжелых последствий пожаров, взрывов и отравлений опасными газами является недостаточно точный и оперативный контроль за их концентрацией в воздухе. Обеспечение пожарной и промышленной безопасности в данной отрасли является важной и актуальной задачей. Нарастающее загрязнение атмосферы не только вблизи предприятий нефтеперерабатывающей и химической промышленности, но и в жилых районах, приводит к необходимости создания дешевых газовых сенсоров, обладающих высокой чувствительностью к присутствию следовых количеств различных токсичных газов. Определение концентрации метана в воздухе с помощью недорогого и простого в эксплуатации прибора - задача, которую необходимо решить. В системах безопасности большое распространение получили газовые сенсоры резистивного типа на основе полупроводниковых поликристаллических пленок диоксида олова, которые представляют интерес для определения большого числа токсичных газов благодаря высокой чувствительности, простоте конструкции и относительно низкой стоимости. Принцип действия таких сенсоров основан на эффекте зависимости величины электропроводности материала от содержания следовых количеств газов — окислителей или восстановителей в окружающей атмосфере. Сенсорные характеристики материала: чувствительность, время отклика, селективность и стабильность определяются рядом факторов, среди которых наиболее значимыми являются микроструктура пленок, их толщина, отклонение состава от стехиометрии, тип и концентрация легирующих добавок. Обычно выбор легирующей примеси основан на ее каталитических свойствах. Наиболее детально изучены сенсорные характеристики пленок SnO2, легированного благородными металлами — палладием и платиной. Несмотря на значительное улучшение чувствительности, и времени отклика, промышленное использование сенсорных элементов на основе SnO2(Pd,Pt) ограничивается их низкой селективностью и чувствительностью к влажности атмосферы. В настоящее время проблема создания высокочувствительного и селективного полупроводникового газового сенсора остается открытой. К моменту начала настоящей работы в литературе обнаружено ограниченное число публикаций, посвященных газовым сенсорам на основе органических полупроводников. Данная работа посвящена разработке и исследованию датчиков с гребенчатым электродом и прибора для измерения концентрации газа СН4. В ходе проделанной работы был создан газовый сенсор, где в качестве чувствительного вещества использован легированный фталоцианин магния (MgPc). Полученный сенсор исследован на предмет взаимодействия с газом СН4. В ходе исследований установлено, что использование такого вещества и этой структуры датчика дает ряд преимуществ, таких как: низкая рабочая температура, высокая чувствительность, малое время отклика, низкая деградация, простота и дешевизна изготовления датчика. Таким образом, цель работы состоит в повышении качества контроля метана (СH4) на предприятиях нефтегазового комплекса, а также в окружающем воздухе вообще и, как следствие, повышении уровня пожарной и взрывобезопасности путем разработки и применения новых, более совершенных технических средств измерения его концентрации. Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи: -разработка нового сенсора для технических средств контроля метана; -теоретический анализ влияния условий работы сенсора СН4 на его электрофизические характеристики; -исследование процессов функционирования и старения датчика метана; -разработка технических средств контроля СH4, т.е. принципиальных электрических схем и конструкций измерителей концентрации метана; -разработка устройства непрерывного контроля СH4 для систем автоматизированного микроклимата. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы В качестве газовых датчиков применяются полупроводниковые химические сенсоры, обеспечивающие стабильность, надежность, жесткие условия эксплуатации, высокие точность и чувствительность, малые габаритные размеры, массу и энергопотребление, информационную, конструктивную и технологическую совместимость с микроэлектронными средствами обработки информации. Кроме того, концентрация газа преобразуется непосредственно в электрический сигнал, а электронная оснастка прибора представляет собой простейшую электрическую схему. Но используемые методы и устройства для измерения концентрации метана имеют и ряд существенных недостатков: ограниченность в применении, высокая стоимость и трудоемкость измерения, быстрое старение и высокие (до 700о С) рабочие температуры датчиков и т. д. Наибольшее распространение получили газовые сенсоры резистивного типа на основе полупроводниковых поликристаллических пленок диоксида олова. Сенсорные характеристики материала определяются рядом факторов, среди которых наиболее значимыми являются микроструктура пленок, их толщина, отклонение состава от стехиометрии, тип и концентрация легирующих добавок. Обычно выбор легирующей примеси основан на ее каталитических свойствах. Наиболее детально изучены сенсорные характеристики пленок SnO2, легированного благородными металлами — палладием и платиной. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Краткое описание предлагаемого технологического процесса Способ изготовления датчика следующий. На ситалловую подложку с растровыми электродами (рис. 1) в вакууме наносится термической возгонкой газочувствительный слой толщиной 15 нм из органического полупроводника РсMg очищенного химическими методами. Температура подложки в процессе конденсации РсMg из газовой фазы поддерживается в интервале 190-200 °С. После напыления слой РсMg подвергается легированию кислородом воздуха (методика запатентована). Полученный, при указанном способе, слой MgPc обладал сравнительно высокой проводимостью s=10-7 ом-1.м-1 и не деградировал при работе на воздухе.
Рис.1. Датчик газа метана. 1- электроды; 2 – слой фталоцианина магния; 3 – ситалловая подложка. Для нанесения на подложку слоя органического полупроводника использовался метод вакуумной сублимации (термическое испарение) на промышленной установке ВУП-4 (рис. 2). Остаточное давление во время процесса в зоне сублимации составляло не более 10-3-10-4 Па. Подложка 1 при помощи клея закреплялась на нижней стороне нагреваемого держателя образцов (столика), что позволяло регулировать температуру осаждения. Контроль температуры подложки производился при помощи хромель-копелевой термопары, соединенной с основанием столика и милливольтметра М82, проградуированного в градусах Цельсия. Под столиком находился испаритель ("змейка"), в который помещался кварцевый тигель с сублимируемым веществом - фталоцианином магния. Между тиглем и столиком находилась объемная выдвижная заслонка, что позволяло регулировать время напыления и отсекать низкотемпературные фракции испаряемого из тигля вещества. Контроль толщины осуществлялся с помощью «свидетеля» - прозрачной кварцевой пластинки, на которую напыляли пленка одновременно с подложкой датчика. Толщина пленки определялась по закону Бугера с помощью микроамперметра М903/1 и лазера ЛГ-72.
Рис. 2. Установка ВУП-4 для получения образцов датчиков метана Поскольку в полученных датчиках использован новый органический полупроводник MgPc, обладающий более высокой удельной проводимостью, при изготовлении датчиков были использованы ситалловые подложки размерами 1х1 см и 0,5х1 см. Маленькая площадь исследованных датчиков позволила в значительной степени сократить мощность источника питания, необходимого для нагрева образца в процессе работы. С целью уменьшения мощности, необходимой для нагрева датчика, и учитывая повышение чувствительности (Rг/R0) с понижением температуры, в качестве рабочей была принята температура t=50 оС, при которой максимальная чувствительность составляла 0,05%, что ниже ПДК. На Рис.3 представлена зависимость чувствительности датчика от концентрации метана при температуре t=50 оС.
Рис.3. Зависимость чувствительности (Rг/R0) датчика от концентрации С метана. Из приведенного рисунка видно, что имеет место линейная зависимость чувствительности датчика газа от концентрации газа в пределах от 0,05% до 0,5% к объему воздуха. Линейный характер зависимости Rг/Rо от концентрации метана позволил разработать конструкцию измерителя концентрации метана, структурная схема которого приведена на Рис.4. Необходимая для работы полупроводникового датчика газа (ПД) 7 температура устанавливается с помощью замкнутой системы регулирования температуры. Сигнал рассогласования между сигналом задания температуры и сигналом датчика температуры 5 с выхода блока сравнения 2 поступает на усилитель 3 и далее на нагреватель 4. Сигнал с ПД 7 включенного через резистор 8 на постоянную ЭДС 6, поступает через преобразователь в микроконтроллер 11. Из микроконтроллера сигнал, после обработки, поступает на индикатор 12.
Рис.4. Структурная схема измерителя концентрации газа: 1 – задатчик температуры; 2 – блок сравнения; 3 – усилитель; 4 – нагреватель; 5 – датчик температуры; 6 – источник постоянной ЭДС; 7 – полупроводниковый датчик газа (ПД); 8 – резистор; 9 – усилитель; 10 – аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 11 – микроконтроллер; 12 – индикатор С целью практического применения датчика концентрации метана в производственных помещениях нефтегазового комплекса было проведено исследование его старения при длительном воздействии метана. В процессе исследований использовали различные концентрации СH4 (от 0 до 0.5% об.). Рабочая температура датчика составляла 50 оС. Верхние значения концентрации метана устанавливали с целью изучения возможных необратимых изменений параметров датчика при его работе в данном режиме. Кроме того, исследование старения проводили при различных температурах окружающей среды (от 20 до 40 оС) и влажностях воздуха (от 70 до 98 %). При проведении исследований использовалась камера искусственного климата КТВ-0.4-155. В камере имеется возможность поддержания влажности воздуха от существующей в окружающей среде до 100 % при температуре от номинальной до +60 оС. Регулирование и поддержание температуры и влажности воздуха происходит автоматически при помощи электронных мостов. Точность поддержания заданной относительной влажности в любой точке полезного объема камеры в пределах ±3 %, а температуры ±2 %. На датчик концентрации метана из фталоцианина магния воздействовали газом СH4 ежедневно по 2-3 часа. В результате эксперимента ,проводиомго в течении года, сопротивление датчика возросло на 2-4 %, а чувствительность уменьшилась на 1-3 %. Такой дрейф параметров датчика вносит незначительную погрешность в измерение и удовлетворяет производственным требованиям. Увеличение сопротивления пленки объясняется изменением размеров кристаллов в полупроводнике PcMg при длительном отжиге в метане и на воздухе. Параметры среды существенного влияния на старение датчика не оказывают. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии Для оценки технико-экономического эффекта от применения устройства для измерения концентрации метана сравниваем проектируемый и базовый варианты. В нашем случае в качестве базового варианта рассматриваем стационарный газосигнализатор Метан-9М. Годовой экономический эффект от применения нового устройства определяется по разности приведенных затрат. Результаты сравнения приведены в табл. 1. Таблица 1 Исходные данные для технико-экономического расчета
Следует указать, что расчет производился для непрерывных измерений концентрации метана в течение года. Необходимо отметить, что в экономических расчетах не учитывался эффект от повышения безопасности на производстве и, как следствие, снижение травматизма и гибели людей. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса Энергосбережение прибора достигается путем использования низкой рабочей температуры датчика; Использование автоматизированной системы контроля загазованности производственных помещений позволит сократить персонал, занятый в промышленно-санитарных лабораториях; Своевременное обнаружение утечек позволит сократить утечки углеводородов и снизить травматизм на производстве предупреждением аварий. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Новые потребительские свойства продукции Рабочая температура сенсора ниже существующих аналогов; |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам Для изготовления сенсоров применяются органические полупроводники высокой степени очистки. Качественное производство этой продукции возможно при использовании современного вакуумного и другого производственного оборудования, поскольку речь идет о нанотехнологиях (рабочий слой полупроводника порядка 15 нм). |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Стадия и уровень разработки Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы при разработке и создании газоанализатора метана и реализованы в Урдомском и Грязовецком линейных производственных управлениях магистральных газопроводов ООО «СЕВЕРГАЗПРОМ» (Республика Коми г. Ухта). |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Предлагаемые инвестиции 4 млн. руб. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Рынки сбыта Приборы на основе разработанных сенсоров и автоматизированные системы контроля за концентрацией метана в воздухе могут применяться в нефтегазовой промышленности, как при добыче, так и при транспортировке и переработке углеводородов. Кроме этого, приборы могут использоваться при экологическом мониторинге окружающей среды. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Возможность и эффективность импортозамещения С помощью предлагаемой технологии можно заменить аналогичную зарубежную продукцию (чувствительные газовые сенсоры). Полученные по данной технологии сенсоры будут стоить дешевле, а по чувствительности смогут превосходить зарубежные аналоги. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Возможность выхода на мировой рынок |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Срок окупаемости (в месяцах) 24 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Дата поступления материала 19.03.2007 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Инновации и люди
У павильонов Уральской выставки «ИННОВАЦИИ 2010» (г. Екатеринбург, 2010 г.)
Мероприятия на выставке "Инновации и инвестиции - 2008" (Югра, 2008 г.)
Открытие выставки "Малый бизнес. Инновации. Инвестиции" (г. Магнитогорск, 2007 г.)
Демонстрация разработок на выставке "Малый бизнес. Инновации. Инвестиции" (г. Магнитогорск, 2007 г.)
2007–2024 © Инновации - Бизнесу. Инновации и инвестиции в прорывные технологии