|
Широкое внедрение новой техники и совершенствование
технологии, комплексная механизация автоматизация большинства
отраслей промышленности тесно связаны с коренным улучшением
кондиционирования производственной атмосферы, призванным создать
безопасные и комфортные условия для высокопроизводительного
труда, способствовать полному освоению проектных мощностей
промышленных предприятий. Кондиционирование заключается в
воздействии на химический состав воздуха, изменении в заданном
направлении его термодинамических и метеорологических параметров,
борьбе с пылью и др.
В настоящее время главными объектами, где требуется
улучшение микроклиматических условии, являются шахты, рудники,
химические, нефтехимические, машиностроительные, металлургические,
керамические, кожевенные, деревообрабатывающие, сахарные и
табачные производства. Помимо санитарно-гигиенического состояния
чисто технические особенности многих производств (сверхточной
механики, медпрепаратов, предприятий радиоэлектронной, приборостроительной,
атомной, химической, легкой, пищевой промышленности и т. д.)
зависят от постоянства параметров воздушной среды.
Способность ряда горючих газов и паров к воспламенению
в определенных условиях вызывает необходимость иметь в общем
комплексе средств автоматической защиты, кроме аппаратуры
санитарно-химического контроля ПДК токсичных ингредиентов,
автономную подсистему непрерывного эффективного контроля взрывоопасных
компонентов воздушной среды АСК ВК. Только сочетание указанных
подсистем контроля способно своевременно установить факт,
источник и причины загазованности воздуха, принять необходимые
меры в аварийных ситуациях, обеспечить возможность дифференцированного
или общего автоматического кондиционирования атмосферы по
нормативам токсичности, взрывоопасности, а в конечном итоге
и дискомфорта, гарантируя тем самым оптимальные микроклиматические
условия для труда [1].
При контроле взрывоопасности в качестве критерия
применяется понятие взрывоопасной концентрации того или иного
компонента, способного к образованию взрывчатой смеси. В случае
наличия нескольких таких ингредиентов степень ее взрывоопасности
оценивается по минимально допустимой концентрации любого из
взрывоопасных веществ. Поскольку по техническим причинам непосредственный
повсеместный автоматический контроль концентрации СН4 и других
горючих газов и паров на предприятиях угольной, горнохимической,
химической и других отраслей промышленности, как правило,
невозможен, в нашей стране и за рубежом принят косвенный метод
контроля газовой ситуации по величине концентрации горючего
компонента в исходящей из производственного участка вентиляционной
струе. Проведенные в последние годы исследования, однако,
показывают, что наряду с непрерывным измерением концентрации
взрывоопасного компонента (CH4) необходимо одновременно контролировать
и количество воздуха: сама по себе величина его концентрации
дает неполную оценку степени опасности, вероятность взрыва
находится в прямой зависимости от концентрации СН4 и интенсивности
перемещения его с вентиляционным воздухом. Анализ имеющихся
данных подтверждает, что контроль и регулирование атмосферы
по газовому фактору следует осуществлять с учетом комплексного
показателя взрывоопасности, связывающего концентрацию горючего
ингредиента, скорость движения воздуха и геометрические размеры
помещения (шахтного забоя).
Работы по исследованию динамики концентрации
метана в выработках были проведены при выбросах, вызванных
сотрясательным взрыванием по углю [2]. Пробы воздуха отбирали
пробоотборниками на расстоянии 0,5—9,5м от забоя в различных
точках сечения выработки. Замедления срабатывания пробоотборников
составляли 0,06—25 с.
Так как скорость разрушения угля взрывом превосходит скорость
разрушения угля выбросом, то совершенно очевидно, что концентрация
метана в выработке при сотрясательном взрывании, вызвавшем
выброс, в начальный период будет несколько выше, чем при внезапном
выбросе. Следовательно, данные о концентрации метана, полученные
при сотрясательных взрывах, сопровождавшихся выбросами угля
и газа, будут приемлемыми для обоснования параметров малоинерционной
аппаратуры противогазовой защиты от выбросов.
При выбросах породы, вызванных сотрясательным
взрыванием, в интервалы времени 0,07 с и больше после подачи
импульса тока во взрывную сеть концентрация метана в забое
намного выше, чем при выбросах угля и газа. Так, через 0,5
с средние значения концентрации метана в забое превышают 3
%, а возможные индивидуальные значения концентрации метана
в этот период времени могут достигать более 15,5%. Т.е. породные
выбросы более «динамичны», чем угольные, и в отношении образования
взрывоопасных концентраций метана в горных выработках.
Анализ данных показывает, что при внезапных
выбросах угля и газа, возникших при технологических процессах
выемки угля, отличной от взрывной, указанная концентрация
метана в забоях (2,5 %) будет появляться через 4,3 с после
начала внезапного выброса. При этом скорость нарастания концентрации
метана составляет 0,5 % в секунду.
Т.о. можно прийти к заключению, что инерционность аппаратуры
противогазовой защиты при использовании ее для отключения
электроэнергии во время породных выбросов практически должна
быть нулевой.
Соблюдение допустимых норм содержания метана
на шахтах обеспечивается комплексом мер и средств по проветриванию
горных выработок и дегазации угольных пластов и вмещающих
пород. Контроль концентрации метана в рудничной атмосфере
осуществляют как приборами эпизодического действия, так и
средствами непрерывного контроля содержания метана. Наиболее
эффективным является непрерывный контроль, который производят
с помощью стационарной, переносной и встроенной аппаратуры
автоматического контроля содержания метана (АКМ). Существующие
средства АКМ оснащены датчиками, которые определяют концентрацию
метана только в месте установки их (практически в точке),
поэтому существенную роль в обеспечении эффективности АКМ
играет место расположения датчиков.
В настоящее время наибольшее распространение
получили непрерывнодействующие приборы и аппаратура, основанные
на термокаталитическом принципе, и приборы эпизодического
контроля – на рефрактометрическом принципе.
Термокаталитические датчики метана и построенные
на их базе газоанализаторы, сигнализаторы и другие приборы
определения процентного содержания метана в рудничной атмосфере
(метанометры) используются для контроля довзрывоопасных концентрации
метана в диапазоне от 0 до 4%.
Принцип действия таких датчиков основан на беспламенном
сжигании (окислении) метана на поверхности каталитически активного
элемента и измерении количества выделившегося при этом тепла,
которое при поддержании постоянства условий тепломассообмена
пропорционально концентрации метана в анализируемом воздухе
[3].
В качестве каталитически активного элемента
широкое применение получила накаленная электрическим током
до температуры 700—800 °С спираль из платиновой проволоки,
которая применяется в ряде термокаталитических газоанализаторов,
однако в последние годы она вытесняется низкотемпературными
каталитически активными элементами, основанными на использовании
каталитических покрытий, наносимых на термостойкие носители
с широко-разветвленной поверхностью.
Сигнал, пропорциональный концентрации метана,
формируется на каталитически активном элементе за счет повышения
температуры на поверхности элемента вследствие окисления метана
и изменения сопротивления спирали из платиновой проволоки,
обладающей довольно высоким значением температурного коэффициента
сопротивления (ТКС). Таким образом, приращение сопротивления
платиновой проволоки R пропорционально концентрации метана.
Измерение величины R осуществляется путем подключения платиновой
спирали в одно из плеч мостовой измерительной схемы. Для компенсации
изменения окружающей температуры, давления и других, не измеряемых
параметров атмосферы, в смежное плечо мостовой измерительной
схемы подключается компенсационный элемент, который по своим
характеристикам и конструктивному исполнению аналогичен каталитически
активному элементу и отличается только отсутствием активного
покрытия и метан на нём не окисляется. Каталитически активный
и компенсационный элементы помещаются в реакционную камеру
и образуют датчик метана. Основным недостатком АГМ данного
вида является низкое быстродействие и большая инерционность.
Т.е. возникает необходимость разработки малоинерционной аппаратуры
противогазовой защиты и контроля.
Из известных в практике газового анализа оптических
методов в шахтных приборах контроля состава рудничной атмосферы
широкое применение нашли два метода: рефрактометрический и
абсорбционный.
Рефрактометрический метод основан на зависимости
показателя преломления света, проходящего через анализируемую
газовую смесь, от концентрации и определяемого газового компонента.
Принцип рефракции реализован в шахтных газоанализаторах с
использованием явления интерференции света, поэтому интерференционные
рефрактометры, применяемые в шахтах, чаще называют просто
интерферометрами.
Оптический абсорбционный метод газового анализа
основан на избирательном поглощении лучистой энергии, определяемом
компонентами анализируемых газовых смесей [3]. Шахтные приборы,
основанные на этом методе, работают в инфракрасной области
спектра с использованием оптико-акустического явления (возникновения
акустических колебаний в газе при поглощении данным газом
прерывистого потока лучистой энергии). Поэтому шахтные газоанализаторы,
основанные на оптическом абсорбционном принципе, называют
либо оптико-акустическими, либо инфракрасными газоанализаторами.
В настоящее время в подавляющем большинстве
бездисперсионных газоанализаторов используется инфракрасное
излучение в диапазоне 2—10 мкм. Молекулы всех газов (за исключением
некоторых двухатомных – Na2, О2, Н2 и т. п., молекулы которых
не имеют дипольного момента) обладают способностью поглощать
инфракрасное излучение. При этом каждый газ имеет свои (характерные
только для него) области поглощения. Ниже приведены данные
о длине волны (мкм) при максимальном и среднем поглощении
инфракрасного излучения различными газами, входящими в состав
рудничной атмосферы:
СН4…………………3.31; 7.7 (2.15; 5.8);
СО2…………………2.7; 4.3; 15 (2.0; 3.2; 4.9; 9.3);
СО …………………2.37; 4.65 (1.573);
Н2 …………………2.5 (От 2.3 до 7.8);
SO2…………………7.4; 8.7 (3.18; 3.97; 5.68; 10.4)
NO2…………………5.7 (3.43; 6.1; 7.3);
Классическая теория при объяснении поглощения
инфракрасного излучения исходит из того, что атомы и молекулы
газов обладают собственными частотами колебаний, характерными
для каждого газа, и поглощение имеется всякий раз, когда колеблющаяся
система и падающая радиация находятся в резонансе.
Квантовая теория объясняет поглощение электромагнитных
волн переходами атомов и молекул газа из состояния с меньшей
энергией в состояние с большей энергией, при этом установлено,
что атомы и молекулы могут воспринимать не любую сколь угодно
малую величину энергии, а только строго определенные, характерные
для данного вещества дискретные порции энергии. Большая часть
энергии, поглощаемая газами, переходит в тепло.
Закон Бугера устанавливает связь между интенсивностью
J падающего потока излучения и количеством энергии dJdv, поглощаемой
бесконечно тонким слоем dx анализируемого газа в спектральном
интервале dv:
где v — волновое число; К — коэффициент поглощения
(постоянная величина, характеризующая поглощение слоя и рассчитанная
на единицу толщины при постоянном волновом числе).
Коэффициентом поглощения K излучения частоты
называется коэффициент пропорциональности выражения закона
поглощения Бугера дифференциальной форме:
где dI(l)— ослабление направленного излучения
интенсивности I прошедшего слой среды толщиной dl.
В случае однородной среды интегральная форма
закона Бугера имеет вид:
где I0 и I — интенсивности излучения до и после
прохождения слоя толщиной l. Условия применимости закона Бугера
обсуждаются ниже.
Показатель экспоненты в предыдущей формуле принято
называть оптической толщей среды:
Интегрирование этого уравнения по х дает зависимость
величины проходящего потока j от коэффициента поглощения К,
толщины слоя х и величины падающего потока J0 в спектральном
интервале dv (закон Ламберта):
Экспериментальные исследования [3] поглощения
лучистой энергии средой, плотность которой не везде одинакова,
показали, что лучистая энергия претерпевает равные изменения,
лишь встречая равное число частиц, способных задерживать лучи
или рассеивать их, и, следовательно, для поглощения имеют
значения не толщины, а массы вещества, т. е. для поглощающего
лучистую энергию газа, растворенного в практически непоглощающих
газах, коэффициент поглощения пропорционален числу поглощающих
молекул на единицу длины пути волны (или на единицу объема),
т. е. пропорционален концентрации С.
Для смеси j поглощающих газов, согласно закона
Беера, коэффициент К определяется из соотношения:
где Кj — коэффициент поглощения
j-го компонента; Сj — концентрация j-го компонента в смеси.
В свою очередь формула с учетом
изложенного может быть представлена в следующей форме:
где А — новый коэффициент, не зависящий от
концентрации и характерный для молекулы поглощающего газа.
В приборах бездисперсионной спектроскопии обычно
имеют дело с немонохроматическими потоками лучистой энергии,
поэтому через исследуемую смесь проходит интегральная величина
потока, а спектральная область излучения шире, чем область,
в которой имеет место поглощение и результат интегрирования
проходящего потока Jv по v будет иметь вид:
Первый интеграл берется по области, в которой
поглощения нет (А = 0), второй интеграл — по той области,
в которой наблюдается поглощение.
Для энергии, поглощенной в слое исследуемого
газа, при постоянной длине волны получим выражение:
Соответственно при интегральном поглощении будем
иметь:
В реальных конструкциях газоанализаторов чаще
всего используют принцип интегрального поглощения, основанный
на том, что два потока излучения (от одного источника, или
двух идентичных) пропускают через две кюветы, в одной из которых
находится газ, полностью пропускающий лучистую энергию, а
во второй — этот же газ в смеси с анализируемым, обладающим
свойством поглощать лучистую энергию. Вышедшие из кювет потоки
энергии регистрируются двумя независимыми лучеприемниками,
разность показаний которых и является мерилом концентрации
анализируемого газа.
Экспериментальные исследования поглощения лучистой
энергии средой, плотность которой не везде одинакова, показали,
что лучистая энергия претерпевает равные изменения, лишь встречая
равное число частиц, способных задерживать лучи или рассеивать
их. Следовательно для поглощения имеют значения не толщины,
а массы вещества. Т. е. для поглощающего лучистую энергию
газа, растворенного в практически непоглощающих газах, коэффициент
поглощения пропорционален числу поглощающих молекул на единицу
длины пути волны (или на единицу объема), т. е. пропорционален
концентрации С. В реальных конструкциях газоанализаторов чаще
всего используют принцип интегрального поглощения, основанный
на том, что два потока излучения (от одного источника, или
двух идентичных) пропускают через две кюветы. В одной из них
находится газ, полностью пропускающий лучистую энергию, а
во второй — этот же газ в смеси с анализируемым, обладающим
свойством поглощать лучистую анергию. Вышедшие из кювет потоки
энергии регистрируются двумя независимыми фотоприемниками,
разность показаний которых является пропорциональной концентрации
анализируемого газа.
Рисунок 1. Структурная схема системы построения
каналов.
II - источники излучения; OS1, OS2 - оптические системы; F,
SR - система разделения лучей;
OK1, OK2 - оптические каналы;
FP1, FP2 - фотоприёмники;
Целью данной магистерской работы является повышение
быстродействия систем измерения объемной концентрации метана
с учетом динамики её изменений. В ходе работы предполагается
разработать модель измерителя концентрации метана автоматизированной
системы контроля, на основе оптикоабсорционного метода с использованием
открытого оптического канала, выявить факторы, влияющие на
погрешности базового метода, и разработать принципы их компенсации;
разработать методы компенсации динамических возмущений среды,
влияющих на результаты измерений.
|
