Назад в библиотеку

---

Снижение динамической погрешности термокаталитического измерителя концентрации метана для угольных шахт

Автор: Кушнаренко Т. Н., Вовна А.В.
Источник: Статья подготовлена к опубликованию в студенческом научно-техническом сборнике ХІІ Международной  научно-технической конференции «Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых».  

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 средства, существующие сегодня, не обеспечивают необходимое быстродействие и требуемую точность приборов измерения 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.

Цель. Повышение быстродействия измерителей концентрации метана на основе термокаталитического метода с использованием аппаратно-алгоритмической избыточности.

Постановка задачи.  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.[2], 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 [1] 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.

Основная часть. Динамическая погрешность измерений зависит от постоянной времени измерительного преобразователя концентрации метана, а также скорости его изменения.

Компенсация динамической по погрешности является обратной задачей по восстановлению входного сигнала с известной информацией об аппаратной функции (W) измерительного преобразователя [3]. 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. 1) в аппаратном или программном виде, который обрабатывает сигнал U(t).

                                                                         
                                                                    Рис. 1. 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 С_КОМ(t) на выходе корректирующей цепочки, что не требует реализации функции прогноза. Инерционный измерительный преобразователь имеет передаточную функцию, которая соответствует передаточной функции апериодического звена первого порядка [2]:

                                                                                                                                                                          (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 цепочки задержки  в дискретной области  [1], 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 корректирующей цепочки 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. 2).

                                                                                                          
                                                                          Рис. 2. Структурная схема корректирующей цепочки измерителя концентрации метана
 

Разностное уравнение корректирующей цепочки в дискретные моменты времени имеет следующий вид [1]:

                                                                                                                                                                                       (5)
   

Вывод. 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.

                                                                                                                                           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. Волошин Н.Е. Внезапные выбросы и способы борьбы с ними в угольных шахтах / Н.Е. Волошин. – К.: Техника, 1985. – 127 с.

3. 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.