ДонНТУ   Портал магистров
Магистр ДонНТУ Кушнаренко Татьяна Николаевна

Реферат по теме выпускной работы


Содержание

Введение 
1. Актуальность темы
2. Цель исследования
3. Основные задачи исследования
4. Объект исследования
5. Анализ существующих методов
6. Научная новизна
7. Выбор объекта контроля
8. Предварительные результаты исследований
9. Анимация технологического процесса
Вывод
Перечень ссылок
 
Введение
 

С увеличением глубины разработки угля на угольных шахтах Украины возрастает газоносность выработок, увеличивается интенсивность и частота газодинамических проявлений с внезапными выбросами метана, что приводит к повышению опасности при ведении горных работ. Поэтому в таких условиях возрастает необходимость в переоснащении угольных шахт новыми системами контроля концентрации газовых компонент повышенного быстродействия.


Актуальность темы
 

Причины  большого  числа аварий,  в  частности  взрывов метана и пыли, можно  объяснить недостаточной надежностью существующих  средств  контроля  содержания  метана  в  горных  выработках шахт. Методы и cредства, которые существуют на сегодняшний день, не обеспечивают необходимое быстродействие и требуемую точность измерителей концентрации метана в атмосфере угольных шахт. Измеритель должен быть малоинерционным с широким динамическим диапазоном и нечувствительным к влиянию основных возмущающих факторов рудничной атмосферы угольных шахт. Таким образом необходимо детальное изучение и разработка путей повышения быстродействия при требуемой точности контроля концентрации метана с компенсацией влияния основных дестабилизирующих факторов рудничной атмосферы угольных шахт [1]. 


    Цель исследования
 
    Цель работы повышение быстродействия измерителей концентрации метана на основе термокаталитического метода с использованием аппаратно-алгоритмической избыточности.
 
 
Основные задачи исследования:

  
Объект исследования: измерительная система контроля концентрации метана в атмосфере угольных шахт.
 
Анализ существующих методов

    1.     Термокаталитический метод.
    Принцип действия термокаталитического метода основан на беспламенном сжигании (окислении) метана на поверхности каталитически активного элемента и измерении количества тепла, которое выделилось при этом. При поддержке постоянства условий тепломасообмена выделеное тепло пропорционально концентрации метана в анализируемом воздухе.
Преимуществом этого метода является высокая точность измерения и отсутствие влияния скорости потока на измерение концентрации метана.
Недостатком данного метода является невысокое быстродействие, которое составляет 15с.[2].
    2.     Термокондуктометрический метод.
    Принцип действия основан на зависимости теплопроводности газовой смеси от концентрации определяемого компонента (метана).Термокондуктометричний метод является одним из самых распространенных методов газового анализа.
Термокондуктометричний метод  уступает  термокаталитическому в результате малой чувствительности и плохой избирательности.
    3.     Оптико-абсорбционный метод.
   Оптико-абсорбционный метод газового анализа основан на избирательном поглощении лучистой энергии, определяемом компонентами анализируемых газовых смесей [2]. 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). В настоящее время в подавляющем большинстве бездисперсионных газоанализаторов используется инфракрасное излучение в диапазоне 2 – 10 мкм.
 
Научная новизна

   Получение дальнейшего развития термохимического (термокаталитического) метода контроля концентрации метана в угольных шахтах с использования аппаратно-алгоритмической избыточности, что позволило повысить быстродействие измерителей концентрации метана при требуемой точности контроля.
 
Выбор объекта контроля

   Более совершенные методы измерений основаны на использовании аппаратуры с датчиками, вырабатывающими электронный сигнал, пропорциональный содержанию метана в газе. Эти устройства отличаются большей точностью и могут быть использованы в системах автоматизации.
   Однако наиболее точным и эффективным способом получения результатов является применение современных электронных приборов – газоанализаторов, выдающих в режиме реального времени, с высокой точностью все необходимые параметры процесса, фиксировать их и оперативно вносить изменения в режим работы установки для достижения максимальной эффективности [3]. Сигнализатор метана СММ–1 предназначен для непрерывного контроля метана в атмосфере угольных шахт, опасных по газу. Действие сигнализатора метана СММ–1 основано на термокаталитическом принципе с использованием низкотемпературных точечных чувствительных элементов. Функциональная схема сигнализатора СММ–1 представлена на рисунке 1, где в качестве автономного источника питания 1 использована батарея герметичных аккумуляторов, состоящая из двух аккумуляторов НКГК–3С. Стабилизатор напряжения 2 служит для стабилизации напряжения питания преобразователя 3 и мостовой измерительной схемы 5 с входящими в неё датчиками 6 и измерителем метана 7. Преобразователь 3 является источником повышенного напряжения для фазочувствительного усилителя 8 и блока сигнализации 9. Контроль степени разряда батареи аккумуляторов выполняет блок контроля напряжения 4.
 
                                                                                                             Функциональная схема сигнализатора метана СММ–1
                                                                          Рисунок 1 – Функциональная схема сигнализатора метана СММ–1
 
     Работа прибора осуществляется следующим образом. Датчик, состоящий из компенсационного и рабочего чувствительных элементов, включенных в плечи мостовой измерительной схемы,  преобразует изменение концентрации метана в электрический сигнал, постоянная составляющая которого с выхода мостовой измерительной схемы поступает на измеритель метана, отградуированный в % CH4 с диапазоном 0–3%, а переменная составляющая – на вход фазочувствительного усилителя [2].

Предварительные результаты исследований

    При работе измерителя  концентрации метана в условиях запыленности рудничной атмосферы угольных шахт, увеличивается погрешность измерения концентрации метана. Для получения необходимых показателей точности измерителя газовую смесь прокачивают через фильтры очистки. Используются металлокерамические фильтры очистки с постоянной времени фильтра составляющей порядка 1с.,  при этом необходимое быстродействие измерителя концентрации метана должно быть не более 0,8 с.[4], что приводит к ухудшению динамических свойств измерителя.  
Для снижения динамической погрешности измерителя концентрации метана необходимо уменьшить постоянную времени фильтра, что приводит к запылению измерительной системы. За основу в предложенном способе взята задача усовершенствования способа измерения концентрации метана [5] в условиях угольных шахт, в котором за счет использования фильтров очистки достигаются необходимые статические показатели точности измерения концентрации газа, а для компенсации динамической  погрешности используются программные методы цифровой обработки результатов измерений. Этот способ обеспечивает быстродействие измерителя при необходимой точности контроля концентрации анализируемого газа, что приводит к увеличению вероятности обнаружения и контроля взрывоопасных концентраций при внезапных выбросах метана. Динамическая погрешность измерений зависит от постоянной времени измерительного  преобразователя концентрации метана, а также скорости его изменения.
    Компенсация динамической  погрешности является обратной задачей по восстановлению входного сигнала с известной информацией об аппаратной функции (W)  измерительного преобразователя [6]. Рассмотрим задачу изменения мгновенно их значений концентрации метана С(t), которая преобразовывается измерительным преобразователем в сигнал U(t) на его выходе (рис. 1). При динамических измерениях интерес представляет не выходной сигнал напряжения или тока измерительного преобразователя U(t), а концентрация метана С(t). Поэтому задачей обработки результатов является определение значений концентрации метана С(t) по выходным сигналом U(t) и оператором W, который описывает динамические свойства измерительного преобразователя, является решением задачи коррекции его аппаратной функции. Проще такая задача решается реализацией оператору W–1, который является обратная им оператору W, с использованием  корректирующей цепочки КЦ (рис.2) в аппаратном или программном виде, который обрабатывает сигнал U(t).

Структура термокаталитического измерителя метана с динамической коррекцией


                                      Рисунок 2 – Структура термокаталитического измерителя метана с динамической коррекцией

    В связи с этим корректное решение обратной задачи при измерении динамических параметров может быть выполнено, если предположить определенное запаздывание в формировании значений сигнала СКОМ(t) на выходе корректирующего круга, что не требует реализации функции прогноза. Инерционный измерительный преобразователь имеет передаточную функцию, которая соответствует передаточной функции апериодического звена первого порядка [4]:

                                                                                                                                                                                                                           (1)
где , В/об.% – коэффициент преобразования измерителя из значения электрического сигнала, например напряжения, в значение концентрации метана; , с – постоянная времени измерительного преобразователя с фильтром очистки анализируемой газовой смеси от пыли;  – оператор Лапласа.
    Дифференциальное уравнение, описывающее этот измерительный преобразователь, имеет следующий вид:
                                                                                                                                                                                                                        (2)
    Передаточная функция (1) устанавливает зависимость между выходным и входным сигналами, которые произвольно изменяются во времени.
Преобразованная передаточная функция (1) позволяет упростить формулу для числовых последовательностей, поэтому имеет место следующее преобразование:
                         
где – преобразование входной последовательности. Выходная последовательность получена путем соответствующего обратного преобразования Лапласа:
                               
    Используя описание круга задержки  в дискретной области  [7], полученная рекуррентная формула для расчета исходной последовательности сигнала измерителя концентрации метан в дискретные моменты времени:
                                                                                                                                                                                                                           (3)
где , с – шаг дискретизации во времени выходных электрических сигналов.
    При заданных начальных условиях  и , соотношение (3) можно использовать как рекуррентную формулу для расчета исходной последовательности измерительного преобразователя. Передаточная функция корректирующего круга принимает следующий вид:

                                                                                                                                                                                                                          (4)
Таким образом, корректирующая цепочка должна реализовывать функцию дифференцирования выходного сигнала измерителя концентрации метана  и сложение его производной  с самим исходным сигналом (рис.3).
  Структурная схема корректирующего круга измерителя концентрации метана
                                                             Рисунок 3 – Структурная схема корректирующего круга измерителя концентрации метана

    Разностное уравнение корректирующего круга в дискретные моменты времени имеет следующий вид [1]:
                                                                                                                                                                                                                             (5)
    Предложенный способ позволяет повысить быстродействие измерителя при необходимой точности измерений концентрации анализируемого газа, что приводит к увеличению вероятности обнаружения и контроля взрывоопасных концентраций при внезапных выбросах метана.

Анимация технологического процесса
 
    На угольных шахтах Украины длительный промежуток времени успешно эксплуатируются  стационарные непрерывно действующие средства контроля шахтной атмосферы [8]:
                                                                                                                           Таблица 1 – Основные технические характеристики анализатора метана серии АТ

Наименование параметра

Значение параметра
       1. Диапазон измерения объемной доли метана, % 0 – 2,5
      2. Предел основной абсолютной погрешности измерения объемной доли метана, % ± 0,2

3. Время срабатывания исполнительных устройств, с, не более:

- по уровню содержания метана

      - по скорости нарастания концентрации метана

                                        0,8

2,0
       4. Суммарная масса, кг, не более 110


                        
Структурная схема анализатора метана серии АТ

                                                                                    Рисунок 4 – Структурная схема анализатора метана серии АТ
                                                                                       (анимация: 7 кадров, 5 циклов повторения, 123 килобайт)
                                                  ( ДМВ – датчик метана выносной, ППИ – преобразователь   параметров измерительный, АС – аппарат сигнализации)
 
    Для приема непрерывных сигналов об объемной доле метана и дискретных сигналов о достижении предельно допустимой концентрации в местах установки датчиков анализаторов серии АТ регистрации величины объемной доли метана и выдачи световой и звуковой сигнализации на поверхности угольных шахт применяются стойки приема информации СПИ–1М, электронные регистраторы «Экон» или комплекс аэрогазовый информационный  КАГИ.

Вывод.Для создания газоанализаторов для угольных шахт необходимо учитывать состав,  параметры рудничной атмосферы, требования нормативно-правовых документов. Проведено изучение систем аэрогазового контроля в угольных шахтах, рассмотрены вопросы построения газоанализаторов, их технические характеристики. В результате работы  детально изучены и разработаны пути повышения быстродействия при требуемой точности контроля концентрации метана с компенсацией влияния основных дестабилизирующих факторов рудничной атмосферы  угольных шахт. Разработан способ компенсации  динамической погрешности термокаталитического метода измерения концентрации метана для угольных шахт. Использование данного способа позволяет увеличить вероятность  обнаружения и контроля взрывоопасных концентраций метана  в угольных шахтах.
 
Перечень ссылок
1.Вовна О.В., Зорі А.А., Хламов М.Г. Спосіб компенсації динамічної похибки інфрачервоного вимірювача концентрації метану для вугільних шахт/ О.В. Вовна, А.А. Зорі, М.Г. Хламов // ВЕСТНИК 12'2010 Национального технического университета «ХПИ». Сборник научных трудов «Электроэнергетика и преобразовательная техника» - С. 65-70.
2. Карпов Е.Ф., Биренберг И.Э., Басовский Б.И. Автоматическая газовая защита и контроль рудничной атмосферы.–М.:Недра, 1984.–285с.
3.  Газоанализаторы [Электронный ресурс]/ metron.com.ua – Электронные данные. – Режим доступа http://www.metron.com.ua/Files/Art4.htm – Дата доступа: апрель 2012. – Загл. с экрана.
4. Волошин Н.Е. Внезапные выбросы и способы борьбы с ними в угольных шахтах / Н.Е. Волошин. – К.: Техника, 1985. – 127 с.
5. Пат. 46197. Україна, МПК G 01 N 21 / 31. Спосіб вимірювання концентрації метану у рудничній атмосфері / О.В. Вовна, А.А. Зорі, В.Д. Коренєв, М.Г. Хламов; Донец. нац. техн. ун-т (Україна). – № u200906578; заявл. 23.06.2009;
6.Таланчук М.П. Средства измерения в автоматических информационных и управляющих системах: [учебник] / П.М. Таланчук, Ю.А. Скрипник, В. Дубравный.  М.: Радуга, 1994.672 с.
7. Титце У. Полупроводниковая схемотехника: в 2 т.: пер. с нем. – Т.2. / У. Титце, К. Шенк. – М.: Додэка – ХХI, 2008. – 942 с.
8. Анализатор метана АТ1-1 и АТ3-1 [Электронный ресурс]/ Производственное объединение Укрспецкомплект– Электронные данные. – Режим доступа: http://ukrsk.com.ua/anali_metan_at_1.html – Дата доступа: апрель 2012. – Загл. с экрана.

Примечание

    При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Дата окончательного завершения работы: декабрь 2012 г. Полный текст работы и материалы по теме работы могут быть получены у автора или его научного руководителя после указанной даты.