Портал магистров ДонНТУ
Литвинова Мария Алексеевна
Факультет информационных технологий и автоматики
группа НАП-06м
тема: "Обоснование структуры измерительного канала концентрации пыли в атмосфере угольных шахт"
научный руководитель: ассистент Вовна Александр Владимирович
e-mail:jamushka@gmail.com
Aктуальность темы.
Для обеспечения безопасности условий труда рабочих на угольных шахтах необходимо эффективно производить измерения концентрации угольной пыли, так как пыль, находясь во взвешенном состоянии, в смеси с метаном, образует взрывчатую систему. Взрыв взвешенной в воздухе угольной пыли может произойти от электрической искры, от раскаленных частиц взрывчатых веществ, вылетающих из шпура, и от других источников воспламенения [1].
Существенное влияние на взрыв угольной пыли оказывает присутствие метана СН4. Так, при отсутствии метана угольная пыль взрывается при содержании ее в воздухе не менее 30-40 г/м3, а при наличии СН4 2 % опасная концентрация пыли понижается до 10 г/м3 и при наличии метана 3 % эта концентрация еще понижается до 5 г/м3. Для предупреждения взрыва достаточно снизить концентрацию пыли до 5 г/м3, а с учетом запаса - до 1 г/м3 [10].
Постановка задачи.
Возникает задача постоянного и непрерывного контроля концентрации угольной пыли в атмосфере шахт в стационарном режиме для предотвращения взрывов пыле-газовой среды.
Цель работы
Cоздание быстродействующего прибора для определения объемной концентрации пыли с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками, отвечающих требованиям международных стандартов.
Идея работы
Идея работы основана на способности пылевоздушной среды ослаблять силу проходящего через нее света вследствие частичного поглощения и рассеивания лучистой энергии твердыми частичками пыли. Это ослабление зависит от толщины пылевоздушного слоя, через который проникает световой поток, а также от концентрации пыли в этом слое.
Научная новизна работы
Научная новизна работы состоит в использовании турбидиметрического метода, который не предусматривает средств пробоподготовки, а позволяет использовать открытый оптический канал, что позволит повысить быстродействия пылемера и снизить погрешность прибора до точности рабочих средств измерения (2-3 %). Этот метод применяется для анализа суспензий, эмульсий, различных взвесей и других мутных сред. Интенсивность пучка света, проходящего через такую среду, уменьшается за счет рассеивания и поглощения света взвешенными частицами.
Состав атмосферы угольной шахты.
Рудничный воздух - это смесь газов и паров, движущаяся по выработкам и постоянно претерпевающая изменения по сравнению с атмосферным воздухом. Постоянно колеблются такие показатели рудничной атмосферы, как влажность, температура, давление и объемная масса воздуха.
В шахту с поверхности поступают атмосферный воздух, имеющий следующий состав: N2- 78,08 %, О2 -20,95, СО2 -0,03, Ar -0,93 %, и прочие газы - гелий, неон, криптон, водяные пары и др. - 0,01 % [4]. Это воздух, которым мы дышим на поверхности земли. Содержание его основных компонентов (О2, N2 и СО2) почти постоянно находится в соотношении 1:3,37:0,001. Причинами изменения атмосферного воздуха в шахте являются газоносность месторождения, поглощение О2 при окислении пород, большая длина выработок и производственные процессы.
В результате рудничный воздух на исходящей струе угольной шахты имеет следующий состав: N2 - 77,76 %. О2 - 20,4, СО2 - 0,4 %, газы взрывчатых веществ и ядовитые газы -0,94 % и метан СН4 -0,5 % [4]. В рудничном воздухе по сравнению с атмосферным помимо уменьшения содержания О2 происходит увеличение содержания СО2, появляются вредные газы, а также пыль.
На рис. 1 представленн процесс пылевыделения в выработке угольной шахты.
Рисунок 1 – Процесс пылевыделения в угольной шахте
Краткая характеристика оптических свойств угольной пыли.
Рудничная пыль - совокупность частиц полезного ископаемого и (или) вмещающих пород, образующихся в результате горных работ и других производственных процессов и находящихся в рудничной атмосфере во взвешенном состоянии или осевших в горных выработках и рабочих помещениях, но способных при определенных условиях переходить во взвешенное состояние.
Свет, проходя через пылегазовую среду, ослабляется в результате рассеяния и поглощения (абсорбции). Интенсивность рассеяния света зависит от размеров частиц пыли, их концентрации, комплексного коэффициента преломления и угла рассеяния между направлениями падающего и рассеянного света [2].
В общем случае интенсивность света, рассеянного сферической частицей Ірас, может быть рассчитана по уравнению Ми:
(1)
где α - длина световой волны; l - расстояние от точки наблюдения до частицы; i1 и i2 - интенсивность рассеянного света, поляризованного перпендикулярно і1 и параллельно i2 плоскости рассеяния.
Явление поглощения света описывается законом Бугера:
(2)
где Iпр - интенсивность света, прошедшего через частицы пыли; I0 - интенсивность падающего на пыль света; k - коэффициент поглощения света; l1 — толщина поглощающего слоя. Поглощение света пылью в значительной мере зависит от ее дисперсного состава [22]. Когда размер частиц намного превышает длину волны, поглощение света пропорционально площади их поверхности. По мере приближения размера частиц к длине световой волны поглощение света единицей площади поверхности увеличивается. Когда размер частиц становится незначительным по сравнению с длиной волны, его поглощение единицей площади поверхности уменьшается почти до нуля.
Анализ существующих методов измерения концентрации пыли.
| Суть метода | Достоинства и недостатки |
|---|---|
| Гравиметрический метод, основанный на наборе проб пыли, определении ее массы и регистрации результатов измерений на месте или на расстоянии, характеризуется относительно большими габаритами аппаратуры и низкой эксплуатационной надежностью. В качестве примера можно отметить весовой пылемер типа ПВ-2М-1 (СССР), автоматические весы Гаста (фирма «Сарториус», ФРГ) для измерения концентрации аэрозоля в бытовых газах [2]. | Применить этот метод при создании датчиков концентрации пыли для шахтных условий не представляется возможным. |
Весовой метод. Весовой метод измерения концентрации пыли за заключается в выделении из пыле - газового потока частиц пыли и определении их массы путем взвешивания. Концентрацию пыли рассчитывают по формуле:
где m - масса пыли на фильтре; νВ - объемная скорость присасывания воздуха через фильтр; t - время отбора пробы. Измерение концентрации пыли весовым методом включает, следующие операции: отбор пробы запыленного воздуха и измерение ее объема, полное улавливание содержащейся в пробе пыли и взвешивание осажденной пыли. |
С учетом погрешностей всех операций, осуществляемых при измерении концентрации весовым методом, средняя погрешность этого метода составляет ± 30 %. При отборе проб пыли, масса которых составляет менее 1 мг, погрешность возрастает до ± 60 %. Существенными преимуществами метода являются возможность определения массовой концентрации пыли и отсутствие влияния ее химического и дисперсного состава на результат измерения. Однако из всех существующих методов он наиболее трудоемкий, причем самой сложной операцией является отбор пробы пыли. Кроме того, метод является циклическим даже при полной автоматизации всех операций. |
| Радиометрический метод основан на определении доли бета-излучения, поглощенного препаратом пыли, выделенной на подложку. Результат измерения этим методом практически не зависит от состава пыли и определяется лишь ее массой. Необходимость предварительного выделения пыли, например, путем протяжки запыленного воздуха через фильтр определяет возможность лишь периодических измерений с осреднением за время набора проб данных и получением результата через несколько минут после начала набора. В известных приборах время единичного замера в зависимости от концентрации пыли составляет от 0,2 мин (при концентрации пыли >100 мг/м3)до 15 мин (при концентрации пыли 2—10 мг/м3) [2]. | Датчики пылеизмерительных приборов, основанные на радиометрическом методе, относительно сложны. Они имеют движущиеся элементы (побудитель расхода воздуха, механизм протяжки ленты), сложные электрические схемы усилителей и преобразователей первичного сигнала. Такие приборы дорогостоящи. Применение рассмотренных датчиков в аппаратуре дистанционного контроля запыленности воздуха может быть оправдано только хорошими метрологическими показателями. |
Оптические методы основаны на определении доли поглощенного или рассеянного света пылевым облаком или препаратом пыли, выделенной на подложку. Результат измерений этими методами, выраженный в гравиметрических единицах концентрации, зависит от дисперсности пыли, поскольку оптические параметры ее определяются, в первую очередь, удельной площадью поверхности. Кроме того, на результат измерений влияет плотность пыли и ее отражательная способность. Однако в определенных условиях влияние этих факторов может быть в значительной степени уменьшено. Если целью измерений является определение концентрации тонкодисперсной фракции, возможно повышение точности метода. Это достигается при использовании длинноволнового излучения (инфракрасный участок спектра), а также при оценке интенсивности рассеивания пылью светового потока под определенным углом. |
При измерении концентрации пыли вблизи источников пылевыделения в подземных выработках угольных шахт колебания дисперсного состава пыли могут давать погрешность измерения всей массы пыли ± 34 %, а тонкодисперсной пыли ± 11 %; в этих же условиях возможное изменение вещественного состава пыли (колебание зольности от 6 до 40 %) вызывает погрешность не более ± 9,5 % [2]. Предварительное разделение пыли на фракции позволяет снизить погрешность измерения, вызываемую в основном влиянием состава пыли, до 15 %. |
| Электрические методы (электроиндукционные, электроконтактные и др.) основаны на измерении заряда потока пылевых частиц или на измерении числа заряженных частиц. Первичный электрический сигнал в общем случае пропорционален суммарной поверхности пылевых частиц и не является мерой их массы. Поэтому изменение дисперсного состава пыли может быть причиной погрешности измерений. В значительной мере на результат измерений влияет вещественный состав и электрические свойства пыли. | При использовании этих методов в условиях шахт наиболее принципиальным недостатком является чувствительность их к влажности воздуха. Это определяется не только изменением электрических свойств пыли, но и нарушением работы датчиков, поскольку чувствительный элемент его, воспринимающий малые электрические сигналы, теряет работоспособность при относительной влажности воздуха более 80 % [2]. |
(3)Проанализировав существующие методы измерения концентрации пыли [1;2;3] можно сделать вывод, что они не обеспечивают необходимое быстродействие и точность для эффективного стационарного контроля угольной пыли в шахтах. Для устранения этих недостатков предлагается использовать турбидиметрический метод.
Турбидиметрический метод применяется для анализа суспензий, эмульсий, различных взвесий и других мутных сред. Интенсивность пучка света, проходящего через такую среду, уменьшается за счет рассеивания и поглощения света взвешенными частицами.
Турбидиметрические методы основаны на измерении интенсивности света lt прошедшего через анализируемую суспензию. При достаточном разбавлении интенсивность прошедшего света подчиняется уравнению:
(4)
где l — толщина слоя, a k иногда называют молярным коэффициентом мутности раствора, С – концентрация, I0 – интенсивность падающего света.
Основным достоинством турбидиметрических методов является их высокая чувствительность. По точности турбидиметрия уступают фотометрическим методам, что связано, главным образом, с трудностями получения суспензий, обладающих одинаковыми размерами частиц, стабильностью во времени и т. д.
Анализ существующих средств измерения концентрации пыли.
Фотометр ТМ, имеющий источник монохроматического света с длиной волны 940 нм и регистрирующий световой поток, рассеянный под углом 70°, позволяет определять концентрацию тонкодисперсной пыли в условиях угольной шахты с погрешностью, не превышающей 10 %.
При этом не требуется выделения из общей массы пыли тонкодисперсной фракции. Определенным конструктивным недостатком датчиков, требующих предварительного разделения пыли на фракции или выделения пыли на фильтр, является необходимость в побудителе расхода воздуха, от стабильности работы которого в значительной мере зависит возможная точность измерения концентрации пыли. Наличие такого побудителя усложняет конструкцию датчика, снижает его надежность, увеличивает потребляемую мощность.
Портативный пылемер ДПВ-1 [2] предназначен для измерения концентрации взвешенной угольной пыли по общей массе и по тонкодисперсной фракции; он обеспечивает получение результата непосредственно на месте измерения. Принцип действия прибора основан на денситометрии. С этой целью проба запыленного воздуха просасывается через фильтр, а затем определяется увеличение оптической плотности фильтра в результате выделения на нем пыли и вырабатывается электрический сигнал, пропорциональный концентрации пыли.
Просасывание воздуха через фильтр производится вручную с помощью мехового аспиратора. Прибор работает от встроенного аккумулятора, который периодически заряжается с помощью специального зарядного устройства, входящего в комплект прибора. Пылемер ДПВ-1 [2] может быть использован для измерений в широком диапазоне концентраций пыли, для чего необходимо соответственно выбирать объем просасываемого воздуха (число качаний аспиратора).
Шахтный автоматический переносной пылемер П101 [2] предназначен для измерения концентрации взвешенной в воздухе пыли угольных шахт с частицами размером менее 7 и менее 20 мкм. Пылемер может применяться в опасных по газу или пыли угольных шахтах, для замеров запыленности воздуха с целью оценки источников пылеобразования и эффективности средств борьбы с пылью специально обученным персоналом различных подразделений, а также научно-исследовательскими организациями.
Принцип действия прибора заключается в выделении взвешенной пыли на фильтр с последующим определением оптической плотности пятна фотометрическим методом и записью пропорциональных ей электрических сигналов самопишущим прибором. Отбор проб пыли и определение ее концентрации производятся раздельно, для чего прибор выполнен в виде двух блоков: пробонаборника и измерительного блока.
Все электрические элементы пробонаборника заключены во взрывобезопасный корпус. Для зарядки аккумуляторов используется зарядное устройство, которое может одновременно заряжать от одного до 10 приборов.
Пылемер типа ФПГ-6 [1]представляет собой прибор переносного типа, предназначенный для обнаружения взрывоопасных концентраций угольной пыли в воздухе шахты и для проверки эффективности борьбы с пылеобразованием.
Прибор устроен по принципу измерения ослабления монохроматического параллельного пучка световых лучей, проходящего через слой запыленного воздуха, с помощью сернисто-серебряного фотоэлемента и гальванометра.
Пылеметр ФПГ-6 взрывобезопасен. Габаритные размеры его 140X324 мм. Прибор переносится в сумке на плечевом ремне. При работе пользуются ручкой, прикрепленной к верхней коробке прибора. Емкость сухих элементов обеспечивает до 500 замеров пыли. Измеряемые концентрации пыли 1-80 г/м3. Точность прибора ± 1 г/м3 при концентрациях пыли до 10 г/м3 и ± 3 г/м3 при концентрациях свыше 10 г/м3.
Прибор для измерения небольших концентраций угольной пыли типа ИПМ-1 Действие пылемера основано на измерении ослабления светового потока, проходящего через слой запыленного воздуха. В качестве «приемника» светового потока в приборе использовано полупроводниковое фотосопротивление ФС-К1.
Прибор имеет искробезопасное исполнение и может применяться в шахтах, опасных по газу и пыли, без ограничений, при температуре окружающей среды от - 5 до +45° и относительной влажности до 96 %.
Все детали и узлы прибора смонтированы в металлическом корпусе размером 230х102х133 мм. Вес прибора 2,5 кг. П-образная форма прибора позволяет производить измерение запыленности почти без нарушения аэродинамических свойств воздушного потока.
Чтобы обеспечить возможность измерения запыленности воздуха в более широких пределах, прибор имеет две шкалы: верхнюю для измерения малых концентраций пыли от 0 до 1,5 г/м3 с точностью ± 50 мг/м3 и нижнюю для измерения больших концентраций пыли от 0 до 15 г/м3 с точностью ± 0,5 г/м3.
Математическая модель информационно-измерительного прибора измерения концентрации пыли в атмосфере угольных шахт.
Прохождение потока излученя через пылегазовую среду можно описать законом Бугера-Ламберта-Беера. Согласно этому закону оптическая плотность слоя пыле-газовой среды заданной толщины прямо пропорциональна коэффициенту поглощения и концентрации пыли в этой среде. Закон Бугера-Ламберта-Беера записывается в следующем виде:
(5)
где I0, I – интенсивность падающего и прошедшего излучения; С – концентрация измеряемого вещества; l – толщина поглощающего слоя (длина трассы); К(λ) – коэффициент поглощения;ln(I0/I)=D - оптическая плотность вещества.
Коэффициент поглощения падающего излучения пыле-газовой средой представляет собой сумму коэффициентов поглощения отдельных спектральных линий:
(6)
где где аi – интегральная интенсивность i-й линии; bi – полуширина вращательной линии; λ0i – центр линии.
На рис. 2 представлены графики коэффициента поглощения K(λ) пыле-газовой среды, расчитанного по формуле (6).
Рисунок 2 – Коэффициент поглощения
Исходя из вышесказанного, оптическую плотность концентрации пыли можно рассчитать следующим образом:
(7)
На рис. 3 представлены графики оптической плотности концентрации пыли, рассчитанные в соответствии с выражением (7)
Рисунок 3 – Оптическая плотность концентрации пыли
Коэффициент пропускания канала будет равен:
(8)
Рисунок 4 – Коэффициент пропускания оптического канала
На рис. 5 показаны графики коэфиициента пропускания канала:
Рисунок 5 – Коэффициент пропускания
Входным сигналом является величина падающего потока излучения. Выходной сигнал представляет собой прошедший через пыле-газовый слой поток излучения. Этот сигнал содержит в себе информацию об объемной концентрации пыли в анализируемой пыле-газовой среде и описывается следующим выражением:
(9)
где SвхОКλ – спектральная плотность мощности светоизлучающего диода.
В качестве источника излучения применяется светоизлучающий диод – ЗЛ360Б c максимумом спектрального распределения излучения на длине волны 0,55-0,56 мкм. Нормированная спектральная характеристика светоизлучающего диода приведена на рис. 6.
Рисунок 6 – Нормированная спектральная плотность потока излучения светоизлучающего диода
На рис. 7 показаны выходной сигнал оптического канала и нормированная спектральная плотность потока излучения СИД.
Рисунок 7 - Выходной сигнал оптического канала и нормированная спектральная плотность потока излучения СИД.
Выходной поток оптического канала рассчитывается по следующей формуле:
(10)
где SвыхОКλ - спектральная плотность выходного потока оптического канала.
Результаты.
данный момент получены следующие результаты:
- изучен состав атмосферы угольной шахты;
изучены свойства и характеристики угольной пыли;
- проанализированы методы измерения концентрации пыли. Выбран турбидиметрический метод для применения в приборе.
- проанализированы средства измерения концентрации пыли;
- построена математическая модель информационно-измерительного прибора измерения концентрации пыли в атмосфере угольных шахт.
На сегодняшний день ведется работа над моделированием оптического канала измерения концентрации пыли в атмосфере угольных шахт с учетом возмущающих факторов.
В дальнейшем планируется разработка структурной схемы разрабатываемого измерительного прибора.
Выводы.
Существующие сегодня методы и средства измерения концентрации пыли не обеспечивают необходимое быстродействие приборов измерения концентрации пыли в атмосфере угольных шахт. Использование турбидимитрического метода, а так же современных средств оптики и микроэлектроники позволит создать быстродействующий прибор для определения концентрации пыли с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.
На данном этапе работа находится в разработке. Окончание работы планируется в декабре 2007 года.
Литература
1. Перепелица В.К., Скляренко И.П. Контроль состава рудничной атмосферы переносными способами. - М.: ГОСГОРТЕХИЗДАТ, 1960.-52с.
2. Борьба с угольной и породной пылью в шахтах / Петунин П.М., Гродель Г.С., Жиляев Н.И. и др. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1981. – 271 с.
3. Васильев В.П. Аналитическая химия. В 2 ч. Ч. 2. Физико-химические методы анализа: Учеб. для химико-технол. спец. вузов. – М.: Высш. шк., 1989. – 384 с.: ил.
4. Машковец И.Л., Балыхин Г.А. Аэрология и охрана труду на шахтах и в карьерах: Учеб. пособие. – М.: Издательство УДН, 1986. - 312с.
5. Пилипенко А.Т., Пятницкий И.В. Аналитическая химическая: В двух книгах: кн. 1 – М.: Химия, 1990. – 480с.
6. Васильев В.П. Теоретические основы физико – химических методов анализа: Учеб. пособие для студентов вузов. – М.: Высш. школа, 1979. – 184с., ил.
7. Правила безпеки у вугільних шахтах. Державний нормативний акт про охорону праці. – Київ, 1996.- 208с.
8. Борьба со взрывами угольной пыли в шахтах / М.И. Нецепляев, А.И. Любимова, П.М. Петрухин и др. - М.: Недра, 1992. – 298 с.: ил.
9. Клименко А.П. Методы и приборы для измерения концентрации пыли. М., Химия, 1978.
10. Руденко К.Г., Калмыков А.В. Обеспыливание и пылеулавливание при обработке полезных ископаемых. – М.: ГОСГОРТЕХИЗДАТ, 1963. – 424с.