Тема: Повышение метрологической надежности абсорбционных измерителей метана

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.

Связь работы с научными программами, планами, темами

Магистрская работа выполнена в рамках госбюджетных научно-исследовательских тем Государственного высшего учебного заведения «Донецкий национальный технический университет» Д–14–07 «Разработка быстродействующего измерителя концентрации метана для системы газовой защиты угольных шахт»

Цель

Повышение метрологической надежности абсорбционных измерителей метана в угольных шахтах путем применения оптико-абсорбционного метода контроля концентрации метана и компенсации основных дестабилизирующих факторов, влияющих на результаты измерений.

Задачи

Для достижения цели данной работы поставлены следующие задачи:

• анализ существующих методов измерения концентрации метана в условиях угольных шахт, выявление факторов, влияющих на показатели точности оптико-абсорбционного метода, и разработка принципов их компенсации;
• разработка математической модели канала измерителя концентрации метана;
• обоснование методов, обеспечивающих требуемую точность измерений, высокое быстродействие прибора измерения концентрации метана в условиях угольных шахт.

Решение выше перечисленных задач составляют основу для разработки структурной схемы измерителя метана для системы газовой защиты угольных шахт.

Предполагаемая научная новизна и планируемые практические результаты

• Дальнейшее развитие оптико-абсорбционного метода контроля концентрации метана в угольных шахтах, на основе использования открытого оптического измерительного канала, что позволяет повысить быстродействие измерителей концентрации метана при требуемой точности контроля.
• Разработка структурно-алгоритмических методов, обеспечивающих требуемую точность измерений, высокое быстродействие прибора измерения концентрации метана в условиях угольных шахт.
• Решение проблемы борьбы с пылью на поверхности оптических компонентов путем воздействия на них ультразвуковых колебаний, что позволит существенно увеличить интервал между обслуживаниями системы контроля, что повышает метрологическую надежность.

Основной материал работы

Метан (СН4) имеет относительную плотность 0,554. Характерными свойствами этого газа являются горючесть и способность давать взрывчатую смесь с воздухом.

Температура воспламенения СН4 равна 650—750 °С, однако эта температура может быть выше и ниже указанных пределов в зависимости от рода воспламенителя, способа воспламенения, содержания метана в воздухе и др.

Для метана характерным является свойство воспламеняться при соприкосновении с источником высокой температуры не сразу, а через некоторый промежуток времени, величина которого зависит от температуры воспламенения; при 650 °С время запаздывания составляет 10 с, при 1000 °С оно падает до 1 с и ниже. Присутствие водорода и других горючих газов ускоряет взрыв метана. При концентрации метана в воздухе до 5 % смесь не взрывается, но может гореть около источника высокой температуры, в пределах от 5 до 15% смесь взрывчата, свыше 15 % смесь не взрывчата и не поддерживает горения, а при притоке кислорода извне горит спокойным пламенем.

Классификация приборов автоматического газового контроля по принципам действия

Согласно ГОСТ 13320—81 [1] в зависимости от принципа действия (метода анализа) газоаналитические непрерывнодействующие автоматические приборы разделяют на следующие типы: механические, звуковые и ультразвуковые; тепловые; магнитные; электрохимические; ионизационные и оптические.

Приборы каждого типа подразделяют на несколько подтипов.

Звуковые и ультразвуковые приборы бывают:

• реагирующие на изменение скорости распространения звука в непрерывном режиме измерения, амплитудно-резонансные, фазовые;
• реагирующие на изменение скорости распространения звука в импульсном режиме измерения.

Тепловые газоаналитические приборы подразделяют на:

• термокондуктометрические, реагирующие на изменение теплопроводности анализируемой среды;
• термохимические — с реакцией в газовой фазе (термокаталитические), с реакцией в жидкой фазе (термосорбционные).

Магнитные приборы, подразделяют на:

• термомагнитные;
• магнитотермокондуктометрические (реагирующие на изменение теплопроводности в магнитном поле);
• магнитовискозиметрические (вязкостемерные в магнитном поле);
• магнитомеханические;
• магнитопневматические.

Электрохимические приборы подразделяют на:

• амперометрические (гальванические, деполяризованные);
• потенциометрические;
• титрометрические;
• кулонометрические;
• кондуктометрические — электродные, безэлектродные.

Ионизационные приборы подразделяют по уменьшению и по увеличению ионного тока.

Оптические приборы подразделяют на абсорбционные и эмиссионные.

Абсорбционные приборы в зависимости от области спектра, в которой осуществляется измерение, подразделяют на:

• работающие в инфракрасной области (в том числе оптико-акустические приборы);
• работающие в ультрафиолетовой области — с непосредственным (прямым) поглощением излучения контролируемым компонентом, с поглощением излучения при взаимодействии определяемого компонента с жидким реагентом (фотоколориметрические жидкостные);
• работающие в видимой области спектра — с непосредственным (прямым) поглощением излучения определяемым компонентом, с поглощением излучения при взаимодействии определяемого компонента с жидким реагентом (фотоколориметрические жидкостные), с поглощением излучения при взаимодействии анализируемого компонента с реагентом, которым пропитана бумажная или текстильная лента (фотоколориметрическим или фотометрическим ленточным).

Эмиссионные приборы подразделяют на электроразрядные, пламенные и люминесцентные.

К оптическим приборам относятся также интерференционные рефрактометры (они не указаны в ГОСТ 13320—81 [1] в связи с тем, что интерферометры до недавнего времени использовались лишь в качестве приборов эпизодического, а не непрерывного действия).

Одним из наиболее распространенных и универсальных способов подготовки многокомпонентных газовых смесей к анализу является физическое разделение отдельных компонентов, основанное на их распределении между двумя фазами — неподвижной и подвижной (протекающей через неподвижную). Такой метод разделения называется хроматографическим, а приборы, в которых он применяется,— хроматографами.

Хроматографы, в которых в качестве подвижной фазы используется газ, называются газовыми. В газовых хроматографах для количественного определения концентраций отдельных компонентов анализируемой смеси (после их разделения), возможно использовать любой из приведенных выше методов, если он обеспечивает достаточную чувствительность к контролируемым газам.

Другим эффективным методом разделения и анализа смеси различных веществ является масс-спектрометрический метод.

Проанализировав достоинства и недостатки существующих методов измерения концентрации метана, был выбран оптико-абсорбционный метод измерения.

Шахтные приборы, основанные на этом методе, работают в инфракрасной области спектра с использованием оптико-акустического явления [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 [2].

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.

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.

Развитие этого метода привело к возможности повышение быстродействия измерения концентрации содержания метана в условиях угольных шахт.

Обзор основных компонент и обобщенная структурная схема спектрального инфракрасного газоанализатора

Представим обобщенную структурную схему спектрального прибора:

Рисунок 1 – Обобщенная структурная схема спектрального прибора

1) Источник излучения создает материальный носитель полезной информации – поток излучения;

2) Оптическая передающая система формирует поток от источника излучения и направляет его на диспергирующее устройство. В подавляющем большинстве спектральных приборов используются коллиматорные системы;

3) Диспергирующее устройство осуществляет разложение излучения сложного состава на монохроматические составляющие. Оно является структурным элементом оптической схемы и конструктивно может находиться внутри оптической схемы,т.е. являться промежуточным звеном в цепочке оптических компонентов оптической схемы;

4) Приемная оптическая система так же относится к компонентам оптической схемы и предназначена для формирования на приемнике потока, разложенного в спектр излучения;

5) Приемник энергии излучения служит для преобразования сигнала, переносимого потоком;

(в промежуток между 5 и 6 необходимо ввести устройство обработки сигнала, выполняющее фсункции усиления, демодуляции, фильтрации сигнала с целью выделения информации о параметрах среды)

6) Регистрирующее устройство служит для преобразования их к наиболее удобному виду и записи спектра;

Следует отметить, что отдельные элементы оптической системы в спектральных приборах некоторых типов могут отсутствовать или быть совмещены в одном устройстве. Кроме перечисленных узлов в состав спектральных приборов часто входят дополнительные элементы (модуляторы, компенсаторы, устройства программного управления режимом работы, сканирующие механизмы и т. п.), а также приставки для проведения специальных измерений.

Разработка оптической схемы измерителя концентрации метана

В оптических газоанализаторах для увеличения стабильности нуля, а также для компенсации возможного влияния влаги, пыли и других факторов, способных поглощать свет, используется автокомпенсационная двухлучевая оптическая схема, в которой измеряется интенсивность двух лучей, проходящих по одному и тому же оптическому пути, причём, длина волны одного (измерительного) луча находится в области поглощения, а другого (опорного) - в области прозрачности определяемого газа.

Рисунок 2 – Анимация оптических каналов измерителя концентрации метана

Анимация: Easy GIF Animator, количество кадров – 6; задержка между кадрами - 70 мс; количество циклов повторения – 6; объём – 104кБ

Потоки излучения от измерительного и компенсационного светоизлучающих диодов поступают на объективы О1 и О3 соответственно, которые в свою очередь формируют направленные потоки излучения, поступающие в открытых измерительный ОК1 и компенсационный ОК2 оптические каналы. Прошедшие через оптические каналы, инфракрасные потоки поступают на объективы О2 и О4, которые фокусируют параллельно направленные потоки излучения, в которых располагаются фотодетекторы ФД1 и ФД2 основного измерительного и компенсационного каналов. Полученные выходные сигналы ФД1 и ФД2 – сигналы тока, значения которых пропорциональны потокам основного и компенсационного оптических каналов соответственно.

Необходимо отметить, что одной из важнейших проблем является то, что пыль, которая оседает на оптических элементах, приводит к ухудшению прозрачности оптических компонентов, что в свою очередь ведет к снижению метрологической надежности.

Для борьбы с образованием пленки пыли вводится пылевой фильтр, представляющий собой акустоэлектронный вибратор с помощью которого производится очистка оптических компонентов, и обеспечивается повышение метрологической надежности и интервала обслуживания устройства.

Прототипом данного устройства выступает изобретение, представленное компанией Olympus E-System, защищающее чувствительный прецизионный сенсор от пыли при замене объективов фотокамер.

Существует два основных типа пыли: Пыль, притягиваемая статическим электричеством и пыль, притягиваемая на молекулярном уровне.

Пыль, притягиваемая статическим электричеством.Большая часть загрязнений сенсора вызывается частичками пыли, размер которых менее микрона, которые притягиваются статическим электричеством. Пыль сама по себе имеет положительный электрический заряд, в то время как сенсор имеет отрицательный заряд. Соответственно, он как магнит притягивает к себе пыль. Этот тип пыли можно удалить ультразвуковым волновым фильтром.

Пыль, притягиваемая на молекулярном уровне. Молекулярное притяжение значительно слабее электрического. Однако, оно притягивает микроскопические частицы пыли. Ультразвуковая вибрация фильтра так же может обеспечить удаление этих частиц пыли с поверхности оптических компонентов.

Благодаря ультразвуковой вибрации пыль, попавшая на фильтр удаляется. Фильтр состоит из основания, имеющего форму диска, и пьезоэлектрических элементов.

Система Защиты от пыли надежно защищает оптические компоненты от пыли, так как пространство между сенсором и пылевым фильтром герметично закрыто.

Фильтр активируется с помощью тока высокой частоты, подающегося на пьезоэлектрический элемент. Таким образом фильтр эффективно устраняет пыль.

Выводы

Существующие сегодня методы и средства измерения концентрации метана не обеспечивают необходимое быстродействие приборов измерения концентрации метана в атмосфере угольных шахт. Использование оптико-абсорбционного метода, а так же современных средств оптики и микроэлектроники позволит создать быстродействующий прибор для определения концентрации метана с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

На момент написания данного автореферата магистерская работа находится на стадии разработки. Окончанчательное завершение: декабрь 2012 года.

Литература

1. ГОСТ 13320-81. Газоанализаторы промышленные автоматические. Общие технические условия. Введ. 01. 01. 1983 // М.: Издательство стандартов, 1989. – 35 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. Якушенкова Ю.Г. Проектирование оптико-электронных приборов. // 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.
6. Перепелица В.К., Скляренко И.П. Контроль состава рудничной атмосферы переносными способами. // М.: ГОСГОРТЕХИЗДАТ, 1960.–52с.

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://masters.donntu.ru/2004/kita/pogorzhelskiy/library/lib5.pdf

12. Трембецкая О. А. Магистерская. «Обоснование структуры быстродействующего прибора для измерения концентрации метана в условиях угольных шахт»

http://masters.donntu.ru/2009/kita/trembetska/diss/index.htm