Учебники 80100

2

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

Научный руководитель: д октор химических наук, доцент

Калач Андрей Владимирович

Официальные оппоненты: Мозговой Николай Васильевич,

д октор технических наук, профессор Воронежский государственный технический университет,

к афедра промышленной экологии и безопасности, заведующий

Архипов Геннадий Федорович,

к андидат технических наук, доцент Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС Р оссии, начальник научно-техническ ого центра

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное о бразовательное учреждение высше го профессионального образования Академия государственной противопожарной с лужбы МЧС России, г. Москва

Защита состоится 7 февраля 2013 года в 1000 часов на засе дании диссертационного совета Д 212.033. 02 при Воронежском государственном архитектур- но-строительном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Ок-

тября, 84, ауд. 3220, тел. (фа кс): 8(473)271-53-21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Вороне жского государственного архитектурно-строительного университета. Автореф ерат диссертации размещен на официальном сайте Минобрануки РФ и на официальном сайте Воронежского ГАСУ.

Автореферат разослан 20 декабря 2012 г.

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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

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

Научно обоснованное определение комплекса основных характеристик пожарной опасности строительных материалов на полимерной основе, нормирование их пожаробезопасного применения, прогнозирование поведения в реальных пожарных ситуациях - важные научные и прикладные аспекты общей актуальной проблемы обеспечения пожарной безопасности объектов в промышленном 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 извещателей, действие которых основано на фиксировании опасных факторов пожара, 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 возгорания в помещении до срабатывания системы противопожарной сигнализации существует инерционный промежуток времени при низкой скорости конвективных и диффузионных процессов.

Поэтому важной задачей становится экспрессная оценка и предупреждение пожароопасной ситуации и обеспечение экологической безопасности путем контролирования химического состава воздуха рабочей зоны и своевременное предупреждение 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 молекулярная масса газообразных вредных веществ, геометрические размеры помещения, способы организации воздухообмена, возможности взаимодействия выделяющихся летучих веществ в результате переработки или эксплуатации строительных материалов на полимерной основе.

Таким образом, актуальной задачей обеспечения пожарной безопасности является разработка экспрессных методов анализа, позволяющих в режиме реального времени оценить качество воздуха помещений с целью своевременного

4

обнаружения токсических веществ, продуктов деструкции, горения и принятия решения о его пригодности для безопасной эксплуатации строительных материалов и конструкций. В связи с этим в диссертационной работе предложена методология повышения качества контроля продуктов разложения и миграции токсичных веществ в закрытом помещении при производстве и эксплуатации строительных материалов посредством мониторинга газовоздушной среды в режиме реального времени с помощью интеллектуальной системы сенсоров.

Объект исследования – мультисенсорный газоанализатор летучих компонентов, выделяющихся при производстве и эксплуатации строительных материалов.

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 производстве и эксплуатации строительных полимерных композитов различной структуры, способных привести к изменению пожароопасной обстановки на объекте.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

¾разработать математическую модель обработки информации искусственными нейронными сетями с целью повышения пожарной безопасности зданий и помещений;

¾разработать систему интеллектуального контроля летучих токсичных веществ с использованием мультисенсорного газоанализатора;

¾разработать алгоритм оптимизации параметров нейронной модели для анализа воздушной среды при производстве и эксплуатации строительных отделочных материалов;

¾разработать методологию экспресс-анализа летучих веществ, выделяющихся в процессе производства и эксплуатации строительных полимерных композитов, с применением химических сенсоров из полимерных материалов.

Научная новизна работы:

¾предложена модульная система для комплексной оценки текущего состояния газовоздушной среды зданий и помещений, по показателям (быстродействию, количеству определяемых компонентов, малогабаритности) отличающаяся от существующих аналогов;

¾предложен методический подход к контролю и диагностике материалов, основанный на комплексном анализе летучих токсичных компонентов, выделяющихся при производстве и эксплуатации строительных материалов;

¾разработаны алгоритмы и пакет программ для комплексного анализа летучих смесей токсичных компонентов с помощью мультисенсорного газоанализатора, позволяющие принимать решения в условиях неполноты и

5

противоречивости данных и в реальном времени, что повышает пожаровзрывобезопасность контролируемых помещений;

¾ создан оригинальный комплекс программ для обеспечения функционирования газоанализатора, обработки информации, отличающийся от известных систем использованием аппарата нечеткой логики и возможностью принятия решений в режиме онлайн.

Практическая значимость работы. Разработана схема функционирования интеллектуального газоанализатора, позволяющая обеспечить пожаровзрывобезопасность промышленных предприятий по производству строительных материалов на полимерной основе. Создан действующий макет (прототип) мультисенсорного газоанализатора для контроля и оценки безопасности производства и эксплуатации строительных материалов.

Достоверность полученных результатов и выводов обеспечена методически обоснованным комплексом исследований с использованием современных средств измерений, применением математических методов планирования экспериментов 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 Воронежского института Государственной противопожарной службы МЧС России на кафедре химии и процессов горения, а также в учебный процесс Воронежского ГАСУ на кафедре физики и химии.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях: VII Всероссийской конференции по анализу объектов окружающей среды «Экоаналитика» (Йошкар-Ола, 21-27 июня 2009 г.); Всероссийской конференции «Проведение научных исследований в области индустрии наносистем и материалов» (Белгород, 16-20 ноября 2009 г.); II Международной научно-практической конференции «Сервис безопасности 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 ИТНОП2010» (Орёл, 22-23 апреля 2010 г.); Международной научно-практической конференции «Пожарная безопасность: проблемы и перспективы» (Воронеж, 22 сентября 2010 г.); VI Международной научно-практической конференции «Обеспечение безопасности в чрезвычайных ситуациях» (Воронеж, 10 декабря 2010 г.); Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы инновационных систем информатизации и безопасности» (Воронеж, 25 марта 2011); Х Международной 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 Российской Федерации 10 сентября 2012 г.

6

На защиту выносятся:

1.Система автоматического контроля и управления на основе мультисенсорного газоанализатора, регистрирующего пары летучих токсичных веществ в зданиях, помещениях, сооружениях, которая обеспечивает снижение пожарной

ипромышленной опасности, предупреждение пожаров и аварий.

2.Математическая модель обработки информации искусственными нейронными сетями, поступающей с мультисенсорной системы контроля безопасности, позволяющая создать устройства автоматического контроля и управления системами обеспечения пожарной и промышленной безопасности и жизнеобеспечения.

3.Лабораторный макет технического средства защиты людей от производственного травматизма при производстве и эксплуатации строительных отделочных материалов.

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

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 13 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 основные научные результаты диссертации: «Пожаровзрывобезопасность», «Технологии техносферной безопасности», «Вестник Воронежского государственного 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] рассмотрена 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 жидкостей (толуол, гексан, ацетон); в работе [4] представлена информационноэкспертная система для анализа пожароопасности жидкостей; в работе [5] описана система сенсоров, предназначенная для мониторинга содержания легковоспламеняющихся 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, заключения, списка литературы, содержащего 151 наименование, и приложения. Диссертация содержит 42 рисунка, 3 таблицы.

7

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

Впервой главе проведен обзор современных методов и средств анализа газовоздушной среды в строительстве, а также при производстве и эксплуатации строительных материалов на полимерной основе. Отмечены преимущества

инедостатки существующих методов. Обоснована целесообразность использования газоанализаторов на основе нейронных сетей для неразрушающего контроля веществ, строительных отделочных материалов и изделий для обеспечения 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 протекает 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 экспериментов, в результате которых происходил процесс самонастройки на поступающие от рецепторных нейронов сигналы. В результате накапливалась информация об анализируемых веществах.

Вкачестве обонятельных рецепторов газоанализатора выбраны пьезосенсоры. Пьезосенсоры осуществляют сбор первичной информации о природе и составе газовой фазы, то есть соответствуют обонятельным рецепторным нейронам первой подсистемы предлагаемой модели.

частотных сигналов: взвешенная сумма входных сигналов; ωi – весовой коэффициент синаптической связи; xi – значение i-го входа нейрона; n - количество

сенсоров. Начальные условия fi (0) = fi 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, представляемая вектором , каждый из элементов вектора соответствует концентрации 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 концентрации анализируемого вещества, группируются системой сбора и передачи информации во второй подсистеме модели. Для многоканальной регистрации сигналов пьезосенсоров в газоанализаторе и последующей передачи получен-

8

ных данных в персональный компьютер использовали программируемую логическую интегральную схему ПЛИС фирмы Altera.

Рис. 1. Схема модели интеллектуального газоанализатора

Такое решение позволило создать малогабаритную высокоинтегрированную систему сбора данных с гибкой структурой, поддерживающую функцию внутрисхемного программирования. Выходной сигнал газоанализатора обрабатывается в третьей подсистеме модели, расположенной в ПК. Третья подсистема модели в газоанализаторе представлена многослойной нейронной сетью (МНС), способной обучаться по методу обратного распространения ошибки (back propagation). Элементами такой сети являются нейроны, которые в зависимости от суммарного воздействия входных сигналов могут возбуждаться или тормозиться. В результате этого процесса формируется конкретный выходной сигнал. Каждый сигнал, поступающий по дендритам нервной клетки, характеризуется возбуждающей или тормозящей способностью, то есть обладает некоторым отрицательным или положительным весом. При достижении нейроном определенного порогового значения уровня возбуждения происходит его активизация, и по аксону передается сигнал другим элементам сети, которые образуют взаимосвязанный последовательный ряд слоев.

Суммарный сигнал газоанализатора включает набор следующих 3 параметров: максимальный частотный сигнал пьезосенсора за время анализа ∆fmax (сигнал пьезосенсора к анализируемой пробе), время достижения τ max величины

сигнала сенсора ∆fmax, площадь S y фигуры, ограниченной функцией ∆f=ξ(τ) и

осями ОΔf и Оτ.

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

В третьей главе представлены результаты исследований физикохимических процессов, протекающих при производстве строительных материалов на полимерной основе. Проведен анализ вариантов своевременного устранения взрывопожароопасной ситуации при производстве строительных материалов. При производстве строительных материалов на полимерной основе возможно выделение HCI, стирола, олигомеров, исходных мономеров, а в ре-

9

зультате термомеханической деструкции полимерной цепи ¾ антиоксидантов, антипиренов, легколетучих органических соединений, применяемых в качестве растворителя.

Была проведена оценка возможности использования пьезокварцевых сенсоров, 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 обусловлен широким использованием в промышленности, медицине и их высокой токсичностью.

Директива ЕС (TheEUSolvents 1999/13/EC) определяет легколетучие органические соединения как органические соединения, имеющие давление паров не меньше 10 Па при 20 ºC. 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:

C10H21

N

CH3 4,cyclic

Формирование и изучение поведения моно- и мультислоев каликс[4]резорцинарена осуществляли на модернизированной установке УНМ-2 (МНПО «НИОПИК», Россия), оснащенной микровесами Вильгельми.

Для получения монослоя на поверхность жидкой субфазы микропипеткой вносили раствор КРА с концентрацией 5×10-4 моль/л в легколетучем, не смешивающемся с водой органическом растворителе ¾ хлороформе (х.ч.) и выдерживали 20 мин. В результате вследствие полного испарения растворителя дифильное соединение равномерно распределялось по поверхности воды. В качестве водной субфазы использовали бидистиллированную воду, растворы гидроксида натрия, соляной кислоты и хлорида меди. p-А-изотермы получали ступенчатым сжатием монослоев. Все эксперименты проводили при комнатной температуре.

Перенос монослоев осуществляли методом Ленгмюра-Блоджетт со скоростью движения твердой подложки 11 мм/мин в автоматическом режиме поддержания 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 номинальной 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 обработку в водном растворе перекиси водорода.

10

Для исследования отклика пьезокварцевых датчиков на состав газовой фазы использовалась экспериментальная мультисенсорная система пьезосенсоров. Исследование отклика пьезосенсоров, модифицированных пленками ЛБ, на состав газовой фазы проводилось в динамических условиях. В ячейку детектирования помещали от 1 до 10 закрепленных сенсоров. Через систему пропускали газ-носитель (очищенный и осушенный лабораторный воздух) в течение 1-3 мин для стабилизации частоты резонатора, затем газ-носитель, содержащий пары сорбатов – легколетучих органических соединений.

При введении паров органических веществ частота вибрации пьезосенсора уменьшалась вначале резко, затем более плавно. По стабилизации частоты сенсора делали вывод о достижении сорбционного равновесия в системе «газ ¾ пленка» модификатора. Система барботеров позволяла создавать насыщенные пары сорбатов, а четыре отвода компрессора ¾ разбавлять их газомносителем 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 пропускали чистый газ-носитель (без сорбата) до первоначальной частоты колебаний пьезосенсора. Аналитический сигнал фиксировался персональным компьютером в режиме онлайн.

Следующим этапом исследований являлся анализ и контроль токсичных веществ в газовоздушной среде с применением интеллектуальной системы сенсоров. Согласно гигиеническим заключениям равновесная газовая фаза большинства строительных материалов содержит фенол и формальдегид в количествах 0,03 (ДВП, ДСП) и 0,02 (ЛПВХ) мг/м3, что не превышает ПДК для указанных аналитов. 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 использовались полиэтиленгликоль молярной массой от 1000 до 20000 г/моль (сорбенты 1–3); эфиры полиэтиленгликоля (сорбенты 4–6); поливиниловый спирт (сорбент 7); поливинилпирролидон (сорбент 8); сквалан (сорбент 9); динонилфталат (сорбент 10).

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

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