Автореферат

А ктуальність

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Мета роботи

Завдання роботи

Припустима наукова новизна

Основний матеріал роботи

Висновки

Література

Актуальність

Із збільшенням глибини розробок вугілля зростає газоносність вироблень, збільшується інтенсивність і частота газодинамічних проявів, що у свою чергу зв'язане з підвищенням небезпеки при веденні гірських робіт. Отже в таких умовах зростає необхідність в переоснащенні вугільних шахт засобами автоматичного контролю концентрації газових компонент підвищеної швидкодії, що діють безперервно. Методи і засоби, які існують сьогодні, не забезпечують необхідну швидкодію і необхідну точність приладів вимірювання концентрації метану в атмосфері вугільних шахт. Вимірник повинен бути малоінерційним з широким динамічним діапазоном і нечутливим до впливу основних обурюючих чинників копальневої атмосфери вугільних шахт. Таким чином необхідне детальне вивчення і розробка шляхів підвищення швидкодії при необхідній точності контролю концентрації метану з компенсацією впливу основних дестабілізуючих чинників копальневої атмосфери вугільних шахт.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Магістрськая робота виконана в рамках держбюджетних науково-досліднецьких тем Державного вищого учбового закладу «Донецький національний технічний університет» Д–14–07 «Розробка швидкодіючого вимірника концентрації метану для системи газового захисту вугільних шахт»

Мета роботи

Мета роботи: підвищення швидкодії виміру концентрації метану в умовах вугільних шахт з використанням системного підходу, шляхом вживання оптико-абсорбційного методу визначення концентрації метану з компенсацією динамічних обурень середовища, що впливають на результати вимірів.

Завдання роботи

 Для реалізації ідеї і досягнення мети магістерської роботи поставлені наступні завдання:

·        проаналізувати методи виміру концентрації метану в умовах вугільних шахт і шляхи поліпшення їх метрологічних характеристик, виявити чинники, що впливають на показники точності оптико-абсорбційного методу, і розробити принципи їх компенсації;

·        розробити модель каналу вимірника концентрації метану на основі оптико-абсорбційного методу з використанням оптичного каналу і методу компенсації, що усуває динамічні обурення середовища,  що впливають на результати вимірів;

·        обгрунтувати структурно-алгоритмічні методи, що забезпечують необхідну точність вимірів, високу швидкодію приладу виміру концентрації метану в умовах вугільних шахт.

Вирішення даних завдань – основа для розробки структурної схеми швидкодіючого приладу виміру концентрації метану для системи газового захисту вугільних шахт.

Планований результат – структурна схема приладу, що розробляється, побудована на основі розробленої математичної моделі

Припустима наукова новизна

В ході роботи будуть розроблені і отримані нові результати:

·        Отримано подальший розвиток методу оптико-абсорбції контролю концентрації метану у вугільних шахтах, на основі використання відкритого оптичного вимірювального каналу, що дозволяє підвищити швидкодію вимірників концентрації метану при необхідній точності контролю;

·       Розроблені структурно-алгоритмічні методи, що забезпечують необхідну точність вимірювань, високу швидкодію приладу вимірювання концентрації метану в умовах вугільних шахт.

Основний матеріал роботи

Метан має відносну щільність 0,554. Характерними властивостями цього газу є горючість і здатність давати вибухову суміш з повітрям. Температура займання 650–750 °С, проте ця температура може бути вище і нижче вказаних меж залежно від роду запальника, способу займання, змісту метану в повітрі і ін.

Для метану характерною є властивість запалати при зіткненні з джерелом високої температури не відразу, а через деякий проміжок часу, величина якого залежить від температури займання; при 650 °С час запізнювання складає 10 с, при 1000 °С падає до 1 с і нижче. Області вибуху метано-повітряних сумішей залежно від вмісту в них кисні і метану показані на рис. 1.

Рисунок 1 – Області вибуху метано-повітряних сумішей залежно від вмісту в них кисню і метану

1 – невибухова суміш, 2 – вибухова суміш, 3 – суміши, що можуть стати вибуховими при додаванні свіжого повітря, 4 – здійсненна суміш з метаном

Аналіз існуючих методів вимірювання концентрації метану

Проаналізувавши достоїнства і недоліки існуючих методів виміру концентрації метану, був вибраний оптико-абсорбційний метод виміру. Оптико-абсорбційний метод газового аналізу заснований на вибірковому поглинанні променистої енергії, визначеним компонентами аналізованих газових сумішей [3]. Шахтні прилади, засновані на цьому методі, працюють в інфрачервоній області спектру з використанням оптико-акустичного явища (виникнення акустичних коливань в газі при поглинанні даним газом переривистого потоку променистої енергії). Тому шахтні газоаналізатори, засновані на оптико-абсорбційнрму принципі, називають або оптико-акустичними, або інфрачервоними газоаналізаторами.

В даний час в переважній більшості бездисперсійних газоаналізаторів використовується інфрачервоне випромінювання в діапазоні 2-10 мкм. Молекули всіх газів (за винятком деяких двоатомних - Na2, О2, Н2 і т. п., молекули яких не мають дипольного моменту) володіють здатністю поглинати інфрачервоне випромінювання. При цьому кожен газ має свої (характерні лише для нього) області поглинання. Нижче приведені дані про довжину хвилі (мкм) при максимальному і середньому поглинанні інфрачервоного випромінювання різними газами, що входять до складу копальневої атмосфери:

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);

Класична теорія при поясненні поглинання інфрачервоного випромінювання виходить з того, що атоми і молекули газів володіють власними частотами коливань, характерними для кожного газу, і поглинання є всякий раз, коли система, що коливається, і падаюча радіація знаходяться в резонансі.

Квантова теорія пояснює поглинання електромагнітних хвиль переходами атомів і молекул газу із стану з меншою енергією в стан з більшою енергією, при цьому встановлено, що атоми і молекули можуть сприймати не будь-яку скільки завгодно малу величину енергії, а лише строго визначені, характерні для даної речовини дискретні порції енергії. Велика частина енергії, що поглинається газами, переходить в тепло.

де v - хвильове число; До - коефіцієнт поглинання (постійна величина, що характеризує поглинання шаруючи і розрахована на одиницю товщини при постійному хвилевому числі).

Коефіцієнтом поглинання K випромінювання частоти називається коефіцієнт пропорційності вираження закону поглинання Бугера диференціальній формі:

де dI(l) - послаблення направленого випромінювання інтенсивності I, яке пройшло шар середовища товщиною dl.

В разі однорідного середовища інтегральна форма закону Бугера має вигляд:

де I0 і I - інтенсивності випромінювання до і після проходження шару товщиною l.

Показник експоненти в попередній формулі прийнято називати оптичною товщею середовища:

Інтеграція цього рівняння по х дає залежність величини потоку, що пройшов j від коефіцієнта поглинання К, товщину шару  х і величини падаючого потоку J0 в спектральному інтервалі dv (закон Ламберта):

Експериментальні дослідження [3] поглинання променистої енергії середовищем, щільність якого не скрізь однакова, показали, що промениста енергія зазнає рівні зміни, лише зустрічаючи рівне число часток, здатних затримувати промені або розсіювати їх, і, отже, для поглинання мають значення не товщини, а маси речовини, тобто для того, що поглинає променисту енергію газу, розчиненого в практично непоглинаючих газах, коефіцієнт поглинання пропорційний числу поглинаючих молекул на одиницю довжини дороги хвилі (або на одиницю об'єму), тобто пропорційний концентрації С.

Для суміші j поглинаючих газів, згідно закону Бєєра, коефіцієнт К визначається із співвідношення:

де Кj - коефіцієнт поглинання j-го компонента; Сj - концентрація j-го компонента в суміші.

У свою чергу формула з врахуванням викладеного може бути представлена в наступній формі:

де А - новий коефіцієнт, не залежний від концентрації і характерний для молекули поглинаючого газу.

Огляд основних компонент і узагальнена структурна схема спектрального інфрачервоного газоаналізатора

До складу типового спектрального приладу входять (рис. 2) джерело випромінювання 1, передавальна оптична система 2, диспергуючий пристрій 3 (пристрій для розкладання випромінювання в спектр), приймальна оптична система 4, приймач випромінювання 5 і реєструючий пристрій 6.

Рисунок 2 - Узагальнена структурна схема спектрального приладу

Джерело випромінювання створює матеріальний носій корисної інформації - потік випромінювання. Джерело випромінювання може конструктивно входити до складу приладу або бути віддалений від нього на значну відстань. Він може також служити високотемпературним випромінювачем, що забезпечує збудження спектру досліджуваної проби. Для випромінювання спектрів поглинання джерела використовуються як засіб утворення суцільного спектру, на тлі якого спостерігаються лінії або смуги поглинання. Важлива роль належить джерелам світла як пристроям для калібрування і градуювання спектральних енергетичних характеристик приладів.

Оптична передавальна система формує потік від джерела випромінювання і направляє його на диспергуючий пристрій. У переважній більшості спектральних приладів використовуються системи коліматорів.

Диспергуючий пристрій - це найбільш важлива частина спектрального приладу, оскільки саме він здійснює розкладання випромінювання складного складу на монохроматичні складові, тобто утворює спектр.

Приймальна оптична система призначена для формування на приймачі потоку, розкладеного в спектр випромінювання.

Приймач енергії випромінювання служить для перетворення сигналу, переносимого потоком, або в електричний сигнал, або в зміну оптичній щільності, або в зорові відчуття спостерігача.

Реєструючий пристрій необхідний для посилення електричних сигналів приймача, перетворення їх до найбільш зручного вигляду і запису спектру.

Слід зазначити, що окремі елементи оптичної системи в спектральних приладах деяких типів можуть бути відсутніми або бути поєднані в одному пристрої. Окрім перерахованих вузлів до складу спектральних приладів часто входять додаткові елементи (модулятори, компенсатори, пристрї програмного управління режимом роботи, скануючі механізми і т. п.), а також приставки для проведення спеціальних вимірів.

Розробка оптичної схеми вимірника концентрації метану

Проаналізувавши достоїнства і недоліки існуючих вимірників газових компонент, заснованих на оптико-абсорбційному методі виміру розробимо функціональну оптичну схему вимірника концентрації метану для умов вугільних шахт Донбасу, яка приведена на рисунку

Рисунок 3 – Функціональна оптична схема вимірника концентрації метану

Джерело випромінювання  формує з лінзою (Л1) направлений рівномірний потік випромінювання, який проходить відкритий оптичний канал (ОК) з вимірюваною концентрацією метану (ССН4) в атмосфері вугільних шахт. На фокусуючу лінзу (Л2) поступає ослаблений потік випромінювання процесами поглинання інфрачервоного випромінювання, який несе інформацію про концентрацію метану в ОК. Лінза Л2 фокусує потік випромінювання у вікно фото приймача (ФП), який перетворить отриманий потік в електричний сигнал. Електричний сигнал від ФП, який містить інформацію про концентрацію метану, поступає на вимірювальну систему газоаналізатора, що розробляється.

Висновки

Методи, що існують сьогодні, і засоби виміру концентрації метану не забезпечують необхідну швидкодію приладів виміру концентрації метану в атмосфері вугільних шахт. Використання оптико-абсорбційного методу, а так само сучасних засобів оптики і мікроелектроніки дозволить створити швидкодіючий прилад для визначення концентрації метану з покращуваними метрологічними і експлуатаційними характеристиками.

На момент написання даного автореферату магістерська робота знаходиться на стадії розробки. Закінчення і захист планується в грудні 2009 року.

        Література

1. Щербань А.Н., Фурман Н.И. Методы и средства контроля рудиничного газа (метана). – Киев: Наукова думка, 1985. – 412 с.

2. Бреслер П.И. Оптические абсорбционные газоанализаторы и их применение. – Л.: Энергия, Ленинградское отделение, 1980. – 164 с.

3. Карпов Е.Ф., Биренберг И.Э. Автоматическая газовая защита и контроль рудничной атмосферы. - М.: Наука, 1984.-285с.

4. Проектирование оптико-электронных приборов /Под ред. Ю.Г. Якушенкова. – М.: Машиностроение, 1981. – 263 с.

5. Нецепляев М.И, Любимова А.И, Петрухин П.М. Борьба со взрывами угольной пыли в шахтах. - М.: Недра, 1992. – 298 с.

7. Вовна А.В.,Хламов М.Г. «Применение оптико-абсорбционного метода для измерения объемной концентрации метана в условиях угольных шахт» Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: «Обчислювальна техніка та автоматизація» – Донецьк, 2007. – Випуск 13(121). – С. 173 –179.

8. Джексон Р.Г. Новейшие датчики. – М.: Техносфера, 2007. – 384 с.

9. ГОСТ 24032-80 « Приборы шахтные газоаналитические». – М., 1992. – 36 с.

10. Погоржельский Ю.А. Диссертация. «Обоснование структуры быстродействующего измерителя концентрации метана системы газовой защиты угольных шахт»

http://www.uran.donetsk.ua/~masters/2004/kita/pogorzhelskiy/diss/index.htm

11. Попов А.А, Шерстнев В.В., Яковлев Ю.П. «Светодиоды для измерения метана»

http://rrc.dgu.ru/res/www.ioffe.rssi.ru/journals/pjtf/1998/02/p72-79.pdf

Догори