Průběžná zpráva projektu SP 2017/127

Transkript

1 Průběžná zpráva projektu SP 2017/127 Odpovědný řešitel: Školitel: Ing. Václav Válek prof. Ing. Zdeněk Zelinger, CSc. Datum:

2 Obsah 1. Základní informace o projektu Specifikace výstupu projektu Způsob plnění harmonogramu projektu Dosavadní výstupy projektu Čerpání finančních prostředku projektu Předpokládané přínosy projektu Použitá literatura... 11

3 1. Základní informace o projektu Průběžná zpráva projektu popisuje základní postupy řešení dílčích úkolu a dosavadního čerpání finančních prostředků k datu 15. června Zároveň seznamuje s budoucími postupy ke splnění cíle projektu. Kompletní výpis činnosti a postupů k řešení projektu bude uveden v závěrečné zprávě projektu SP2017/127. Název projektu: Monitorování koncentrace oxidů uhlíku v Laboratoři spektroskopie Identifikační kód: SP2017/127 Požadavek na dotaci: Odpovědný řešitel projektu: Školitel odp. řešitele projektu: Členové řešitelského týmu: Ing. Václav Válek prof. Ing. Zdeněk Zelinger, CSc. doc. Ing. Václav Nevrlý, Ph.D. Ing. Petr Bitala, Ph.D. Ing. Michal Dostál Ing. Martina Šeděnková Bc. Daniela Goldmannová Ing. Jan Suchánek, Ph.D. Období řešení projektu: Místo řešení projektu: VŠB TU Ostrava, Fakulta bezpečnostního inženýrství, Lumírová 13/630, Ostrava Výškovice Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, v. v. i., Dolejškova 2155/3, Praha 8 1

4 2. Specifikace výstupu projektu Cílem studentského projektu je návrh opatření a vývoj prostředků pro zvýšení bezpečnosti práce v Laboratoři spektroskopie a ověření možnosti výskytu zvýšených koncentrací oxidu uhelnatého při experimentech zabývajících se procesy hoření a hašení (např. diagnostikou prostředí plamene). Hlavního cíle bude dosaženo naplněním následujících dílčích cílů projektu: DC1: DC2: DC3: Vypracování bezpečnostních pokynů k zajištění BOZP v laboratoři spektroskopie pro práci s lasery a nebezpečnými plyny. Zkonstruování zařízení pro generování multi komponentní směsi plynů s výskytem oxidu uhelnatého s možností proměnlivého nastavení koncentrací. Měření koncentrací oxidu uhelnatého v prostoru laboratoře a následné zpracování a vyhodnocení naměřených dat včetně srovnání parametrů odezvy jednotlivých senzorových systémů. 2

5 3. Způsob plnění harmonogramu projektu Současný stav plnění projektu zobrazuje Tabulka 1 Časový harmonogram projektu SP2017/127 V rámci plnění projektu došlo ke změně naplánovaných postupu řešení z důvodu časově náročné realizace nákupů projektu. A to k prodloužení činnosti na DC1 do září roku 2017 a zároveň již zahájení plánované činnosti na DC3. DC1: 2.1. Identifikace a vyhodnocení rizik laboratoře spektroskopie 2.2 Tvorba systému bezpečné práce v spektroskopické laboratoři. DC3: 2.5. Detekce CO s použitím platformy ARDUINO 2.6. Detekce CO pomocí spektroskopické detekce 2.7 Vyhodnocení a analyzování naměřených hodnot V úvodu projektu byla provedena rešerše dostupné literatury k oblasti detekce oxidu uhelnatého se zaměřením na vývoj senzorových sítí a spektroskopicky založené detekční systémy i s ohledem na oblast BOZP. Byla uskutečněna sada průzkumů trhu, výběru vhodných dodavatelů, nákupů materiálů a zařízení potřebných k dosažení dílčích cílů projektu. Byl vytvořen konstrukční návrh zařízení pro oxidativní pyrolýzu. Výroba konstrukčních součástí a sestavení základní mechanické konstrukce této jednotky (viz Obrázek 1). V následujícím kroku bude jednotka vybavena odporovým zahřívacím zařízením s možností regulace teploty. Generování multikomponentní směsi plynů s výskytem CO (s možností proměnlivého nastavení koncentrací) bude realizována sestavou průtokoměrů připojenou k této jednotce. Obrázek 1 Jednotka pro oxidativní pyrolýzu 3

6 Proběhlo testování měřících sestav a elektronických komponentů pro generování a směšování analogových signálů pro účely spektroskopické detekce. Byla sestavena souprava senzorového uzlu s využitím platformy Arduino. Senzorový uzel se skládá s mikroprocesorové jednotky Arduino YUN a k ní do sestavy připojený senzor pro detekci CO (MQ 9). Studiem technické dokumentace k tomuto senzoru bylo zjištěno, že pro správnou selektivitu senzoru MQ 9 je nutné monitorování vlhkostních a teplotních podmínek prostředí (viz Obrázek 2 a 3) a jejich vztažení k naměřeným hodnotám CO. Další činností bylo navržení algoritmu pro fungování senzorového uzlu a jeho testování. Následujícím krokem bude propojení jednotky Arduina YUN s mikropočítačem Raspberry Pi pomocí, kterého bude realizován sběr a následné zpracování naměřených dat. Tímto krokem je myšleno hardwarové propojení pomocí datové sběrnice a vytvoření softwarového rozhrání pro zpracování naměřených dat. Obrázek 2 Citlivostní charakteristika senzoru MQ 9 pro jednotlivé plyny při teplotě 20 C, vlhkosti 65%, O2 koncentrace 21%. Ro odpor senzoru při 1000 ppm LPG v čistém vzduchu, Rs odpor senzoru při různých koncetracích plynů [1] Obrázek 3 Technická data senzoru MQ 9, Ro odpor senzoru při 1000 ppm LPG ve vzduchu při 20 C a 33% relativní vlhkosti. Rs odpor senzoru při 1000 ppm LPG při rozdílných teplotách a vlhkostech [1] 4

7 Dále bylo řešeno sestavení elektronických komponentů pro generování a skládání analogových signálů pro účely spektroskopické detekce. Pro tento účel bylo navrženo a vyrobeno zařízení, které umožňuje vytvářet složený analogový signál s nízkou úrovní šumové složky (viz Obrázek 4). Návrh a výroba tohoto elektronického prvku byla zrealizována Alexanderem Mikóczym. Obrázek 4 Zařízení pro skládání analogových signálů Tato sestava byla testována pomocí laser diodové spektroskopie na absorpčních liniích kyslíku v okolí vlnové délky 763 nm (13106 cm 1 ). Pro měření byla využita VCSEL (Vertical cavity surface emitting laser) dioda s řídící jednotkou (Thorlabs Instrumentation, VITC002). Naměřené spektrální linie byly porovnány s databází HITRAN (viz. Obrázek 5). Tato testovací měření byla realizována v laboratořích Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, v. v. i. Obrázek 5 Kalibrace naměřených absorpčních linií kyslíku s databází HITRAN 5

8 Takto zaznamenané linie vykazují typický průběh druhé harmonické složky signálu zpracovaného fázově citlivou detekcí (pomocí lock in zesilovače). Daný průběh lze analyticky popsat tzv. Arndtovou funkcí [2], kterou jsme úspěšně implementovali v prostředí software Mathematica. V další fázi řešení projektu budou tyto poznatky využity vývoji algoritmu zpracování dat při stanovení koncentrace oxidu uhelnatého na úrovni senzorového uzlu. Následujícím krokem je použití laser diodové spektroskopie pro detekci CO v oblasti vlnových délek 1573nm (6357 cm 1 ) za použití laserové diody Eblana Photonics EP1572 DM B. Ke generování řídících signálů pro tuto laserovou diodu bude použito výše zmíněné testované zařízení. Dosavadní provedena činnost splňuje požadavky k dosažení hlavního cíle projektu. 6

9 Tabulka 1 Časový harmonogram projektu SP2017/127 Harmonogram prováděných činností a metod používaných v rámci zpracování projektu, včetně stanovení primární odpovědnosti a zapojení členů řešitelského týmu Oblast řešení Teoretické vymezení řešené problematiky Měsíce řešení projektu v roce 2017 Primární odpovědnost Číslo Popis činnosti Použité vědecké metody za řešení prováděné činnosti činnosti 1.1 Studium legislativy v oblasti BOZP X X rešerše Šeděnková 1.2 Rešerše literatury z oblasti konvenčních detektorů CO X X rešerše Goldmanová 1.3 Rešerše literatury z oblasti OPEN SOURCE platformy ARDUINO X X rešerše Goldmanová 1.4 Rešerše literatury z oblasti spektroskopické detekce X X rešerše Dostál 2.1 Identifikace a vyhodnocení rizik laboratoře spektroskopie X X X X X analýza Šeděnková 2.2 Tvorba systému bezpečné práce v spektroskopické laboratoři X X X X X analýza Šeděnková 2.3 Konstrukce zařízení pro generování multi- komponentní směsi X X X experimentální Válek Experimentální část 2.4 Detekce CO systémem komerční senzorové sítě X X X experimentální Goldmanová 2.5 Detekce CO s použítím platformy ARDUINO X X X X X X experimentální Válek 2.6 Detekce CO pomocí spektroskopicé detekce X X X X X X experimentální Dostál 2.7 Vyhodnocení a analyzovaní naměřených hodnot X X X X X X X X experimentální Válek Zapojení členů řešitelského týmu 1. Ing. Václav Válek X X X X X X X X X 2. Prof. Ing. Zdeněk Zelinger, CSc. X X X X X X X X X 3. Ing. Michal Dostál X X X X X X X X X 4. Ing. Jan Suchánek X X X 5. Ing. Martina Šeděnková X X X 6. Bc. Daniela Goldmannová X X X X X X X X X student doktorského studijního programu / odpovědný řešitel projektu školitel odpovědného řešitele projektu student doktorského studijního programu student magisterského studijního programu do 06/2017; od 09/2018 předpoklad pro studium v doktorském studijním programu X Splněno X Nesplněno (činnost bude realizována v následujících měsících) 7

10 4. Dosavadní výstupy projektu Dílčí výstupy projektu byly uplatněny v rámci příspěvku s názvem Towards revised schemes of C 3 O 2 formation in diethyl ether cool flames, který byl prezentován ve formě posteru na mezinárodní vědecké konferenci International Bunsen Discussion meeting: Chemistry and diagnostic for clean combustion v Bielefeldu (Německo) června

11 5. Čerpání finančních prostředku projektu Přehled vyčleněných a vyčerpaných prostředků v rámci projektu SP2017/127 uvádí Tabulka 2. Uvedené údaje jsou vztaženy k datu Tabulka 2 Stav čerpání finančních prostředků Rozpočet projektu Návrh [Kč] Vyčerpané [Kč] Zůstavající Stav čerpání [%] Stipendia dle zákona č. 111/1998 Sb., , odst. 2 písm. b), c), e) Materiálové náklady Drobný hmotný a nehmotný majetek Služby Cestovní náhrady Doplňkové (režijní) náklady max. do Celkové finanční prostředky Informace k jednotlivým položkám: Stipendia: K datu byla podána žádost o uznání a vyplacení stipendii ve výši pro zúčastněné studenty na projektu (Ing. Válek, Ing. Dostál, Bc. Goldmannová). Materiálové náklady: V položce materiálové náklady jsou již zavedené nákupy realizované do ale ještě nebyly proplaceny faktury. Rozpočet je čerpán z 82 %. Zbylé finance budou použity na nákup vyhřívací jednotky pro ohřev vzduchu. Drobný hmotný a nehmotný majetek: V položce drobný hmotný a nehmotný majetek jsou již zavedené nákupy realizované do ale ještě nebyly proplaceny faktury. Rozpočet je čerpán z 68 %. Zbylé finance budou použity na nákup prvků vakuové techniky (šroubovací a spojovací prvky) a elektroniky pro řízení spektroskopicky založených sensorů. Cestovní náhrady: Finance jsou využívány k proplacení cestovného v návaznosti na úzké propojení aktivit v Laboratoři spektroskopie s partnerskými pracovišti AV ČR (Ústav Fyzikální chemie J. Heyrovského a Ústav termomechaniky). Režijní náklady: Režijní náklady byly převedeny fakultě bezpečnostního inženýrství Celkové finanční prostředky: Celkové finanční prostředky jsou čerpány v souladu se stanoveným plánem v rozsahu 47 %. Prostředky budou zcela vyčerpány k datu ukončení projektu. 9

12 6. Předpokládané přínosy projektu Jedním z očekávaných přínosů této práce je identifikace rizik a vytvoření adekvátních bezpečnostních pokynů pro zajištění BOZP v Laboratoři spektroskopie, a to zejména pro práci se zdroji laserového (neionizujícího) záření a s nebezpečnými látkami. Tento krok je nutnou podmínkou dalšího rozvoje a rozšíření stávajících experimentálních aktivit zaměřených na základní výzkum v oblasti fyziky a chemie hoření a dále na vývoj senzorových technologií pro bezpečnostní aplikace. Výstupy projektu budou prakticky využity pro rozvoj podpory vědeckého výzkumu studentů Fakulty bezpečnostního inženýrství a podpoře publikační činnosti studentů v rámci předmětné problematiky. Přínos projektu je spatřován taktéž ve využití získaných poznatků ke tvorbě disertačních a diplomových prací studentů řešitelského týmu. 10

13 7. Použitá literatura [1] Arduino MQ 9 gas sensor (Methaan, LPG, Koolstofmonoxide). DomoticX [online] [cit ]. Dostupné z: mq 9 gas sensor methaan lpgkoolstofmonoxide/ [2] Arndt, R. (1965). Analytical line shapes for Lorentzian signals broadened by modulation. Journal of Applied Physics, 36(8), V Ostravě dne Ing. Václav Válek 11