Тема: Підвищення метрологічної надійності абсорбційних вимірювачів метану

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

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

Ціль

Підвищення метрологічної надійності абсорбційних вимірників метану у вугільних шахтах шляхом застосування методу оптико-абсорбційного контролю концентрації метану і компенсації основних дестабілізуючих чинників, що впливають на результати вимірювань.

Задачі

Для досягнення мети даної роботи поставлені наступні задачі:

• аналіз існуючих методів вимірювання концентрації метану в умовах вугільних шахт, виявлення чинників, що впливають на показники точності оптико-абсорбційного методу, і розробка принципів їх компенсації;
• розробка математичної моделі каналу вимірника концентрації метану;
• обгрунтування методів, що забезпечують необхідну точність вимірювань, високу швидкодію приладу вимірювання концентрації метану в умовах вугільних шахт.

Вирішення вище перерахованих завдань складають основу для розробки структурної схеми вимірника метану для системи газового захисту вугільних шахт.

Передбачувана наукова новизна і плановані практичні результати

• Подальший розвиток методу оптико-абсорбційного контролю концентрації метану у вугільних шахтах, на основі використання відкритого оптичного вимірювального каналу, що дозволяє підвищити швидкодію вимірників концентрації метану при необхідній точності контролю;.
• розробка структурно-алгоритмічних методів, що забезпечують необхідну точність вимірювань, високу швидкодію приладу вимірювання концентрації метану в умовах вугільних шахт;
• вирішення проблеми боротьби з пилом на поверхні оптичних компонентів шляхом дії на них ультразвукових коливань, що дозволить істотно збільшити інтервал між обслуговуваннями системи контролю, що підвищує метрологічну надійність.

Основний матеріал роботи

Метан (СН4) має відносну щільність 0,554. Характерними властивостями цього газу є горючість і здатність давати вибухову суміш з повітрям.

Температура займання СН4 дорівнює 650-750 °С, проте ця температура може бути вище і нижче вказаних меж залежно від роду запальника, способу займання, вміст метану в повітрі та 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 воно падає до 1 с і нижче. Присутність водню і інших горючих газів прискорює вибух метану. При концентрації метану в повітрі до 5 % суміш не вибухає, але може горіти біля джерела високої температури, в межах від 5 до 15% суміш вибухова, понад 15 % суміш не вибухова і не підтримує горіння, а при притоці кисню ззовні горить спокійним полум'ям.

Класифікація приладів автоматичного газового контролю за принципами дії

Згідно ГОСТ 13320-81 [1] залежно від принципу дії (методу аналізу) газоаналітичні безперервнодіючі автоматичні прилади розділяють на наступні типи: механічні, звукові і ультразвукові; теплові; магнітні; електрохімічні; іонізаційні і оптичні.

Прилади кожного типу підрозділяють на декілька підтипів.

Звукові і ультразвукові прилади бувають:

• реагуючі на зміну швидкості розповсюдження звуку в безперервному режимі вимірювання, амплітудно-резонансні, фазові;
• реагуючі на зміну швидкості розповсюдження звуку в імпульсному режимі вимірювання.

Теплові газоаналітичні прилади підрозділяють на:

• термокондуктометричні, реагуючі на зміну теплопровідності аналізованого середовища;
• термохімічні - з реакцією в газовій фазі (термокаталітичні), з реакцією в рідкій фазі (термосорбційні).

Магнітні прилади, підрозділяють на:

• термомагнітні;
• магнітотермокондуктометричні (що реагують на зміну теплопровідності у магнітному полі);
  
• магнітовіськозіметричні (в'язкостевимірюючі в магнітному полі);
  
• магнітомеханічні;
  
• магнітопневматичні.

Електрохімічні прилади підрозділяють на:

• амперометричні (гальванічні, деполяризовані);
• потенціометричні;
• титрометричні;
• кулонометричні;
• кондуктометричні — електродні, безелектродні.

Іонізаційні прилади підрозділяють по зменшенню і по збільшенню іонного струму.

Оптичні прилади підрозділяють на абсорбційні і емісійні.

Абсорбційні прилади залежно від області спектру, в якій здійснюється вимірювання, підрозділяють на:

• що працюють в інфрачервоній області (зокрема оптико-акустичні прилади);
• що працюють в ультрафіолетовій області - з безпосереднім (прямим) поглинанням випромінювання контрольованим компонентом, з поглинанням випромінювання при взаємодії визначуваного компоненту з рідким реагентом (фотоколориметричні рідинні);
• що працюють у видимій області спектру - з безпосереднім (прямим) поглинанням випромінювання визначуваним компонентом, з поглинанням випромінювання при взаємодії визначуваного компоненту з рідким реагентом (фотоколориметричні рідинні), з поглинанням випромінювання при взаємодії аналізованого компоненту з реагентом, яким просочена паперова або текстильна стрічка (фотоколориметричним або фотометричним стрічковим).

Емісійні прилади підрозділяють на електророзрядні, полум'яні і люмінесцентні.

До оптичних приладів відносяться також інтерференційні рефрактометри (вони не вказані в ГОСТ 13320-81 [1] у зв'язку з тим, що інтерферометри до недавнього часу використовувалися лише як прилади епізодичного, а не безперервної дії).

Одним з найбільш поширених і універсальних способів підготовки багатокомпонентних газових сумішей до аналізу є фізичне розділення окремих компонентів, засноване на їх розподілі між двома фазами, - нерухомою і рухомою (що протікає через нерухому). Такий метод розділення називається хроматографічним, а прилади, в яких він застосовується, - хроматографами.

Хроматографи, в яких у якості рухомої фази використовується газ, називаються газовими. У газових хроматографах для кількісного визначення концентрацій окремих компонентів аналізованої суміші (після їх розділення), можливо використовувати будь-який з приведених вище методів, якщо він забезпечує достатню чутливість до контрольованих газів.

Іншим ефективним методом розділення і аналізу суміші різних речовин є мас-спектрометричний метод.

Проаналізувавши достоїнства і недоліки існуючих методів вимірювання концентрації метану, був обраний метод оптико-абсорбційного вимірювання.

Шахтні прилади, засновані на цьому методі, працюють в інфрачервоній області спектру з використанням оптико-акустичного явища [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 тільки строго визначені, характерні для даної речовини дискретні порції енергії. Велика частина енергії, що поглинається газами, переходить в тепло [2].

Закон Бугера встановлює зв'язок між інтенсивністю J падаючого потоку випромінювання і кількістю енергії djdv, що поглинається нескінченно тонким шаром dx аналізованого газу в спектральному інтервалі dv:

,

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

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

,

де dI(l)— ослаблення направленого випромінювання інтенсивності I, що пройшла шар середовища товщиною dl.

У 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:

Інтегрування цього рівняння по х дає залежність величини потоку j, що проходить, 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 частинок, здатних затримувати промені або розсіювати їх, і, отже, для поглинання мають значення не товщини, а маси речовини, тобто для поглинаючого променисту енергію газу, розчиненого в практично непоглинаючих газах, коефіцієнт поглинання пропорційний числу поглинаючих молекул на одиницю довжини шляху 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 компоненту; Сj - концентрація j-го компоненту в суміші. .

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

,

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

Розвиток цього методу привів до можливості підвищення швидкодії вимірювання концентрації змісту метану в умовах вугільних шахт.

Огляд основних компонент і узагальнена структурна схема спектрального інфрачервоного газоаналізатора

Представимо узагальнену структурну схему спектрального приладу:

Рисунок 1 - Узагальнена структурна схема спектрального приладу

1) Джерело випромінювання створює матеріальний носій корисної інформації - потік випромінювання;

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

3) Диспергуючий пристрій здійснює розкладання випромінювання складного складу на монохроматичні складові. Воно є структурним елементом оптичної схеми і конструктивно може знаходитися усередині оптичної схеми, тобто бути проміжною ланкою в ланцюжку оптичних компонентів оптичної схеми;

4) Приймальна оптична система так само відноситься до компонентів оптичної схеми і призначена для формування на приймачі потоку, розкладеного в спектр випромінювання;

5) Приймач енергії випромінювання служить для перетворення сигналу, переносимого потоком;

(у проміжок між 5 і 6 необхідно ввести пристрій обробки сигналу, що виконує функцію посилення, демодуляції, фільтрації сигналу з метою виділення інформації про параметри середовища)

6) Реєструючий пристрій служить для 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 суміщені в одному пристрої. Окрім перерахованих вузлів до складу спектральних приладів часто входять додаткові елементи (модулятори, компенсатори, пристрої програмного управління режимом роботи, скануючі механізми і т. п.), а також приставки для проведення спеціальних вимірювань.

Розробка оптичної схеми вимірювача концентрації метану

У оптичних газоаналізаторах для збільшення стабільності нуля, а також для компенсації можливого впливу вологи, пилу і інших чинників, здатних поглинати світло, використовується автокомпенсаційна двопроменева оптична схема, в якій вимірюється інтенсивність двох променів, що проходять по тому ж оптичному шляху, причому, довжина хвилі одного (вимірюючого) променя знаходиться в області поглинання, а іншого (опорного) - в області прозорості визначуваного газу.

Рисунок 2 – Анімація оптичних каналів вимірювача концентрації метану

Анімація: Easy GIF Animator, кількість кадрів - 6; затримка між кадрами - 70 мс; кількість циклів повторення - 6; об'єм - 104кб

Потоки випромінювання від вимірника і компенсаційного світлодіодів поступають на об'єктиви О1 і О3 відповідно, які у свою чергу формують направлені потоки випромінювання, що поступають у відкритий вимірювальний ОК1 і компенсаційний ОК2 оптичні канали. Пройшовши через оптичні канали, інфрачервоні потоки поступають на об'єктиви О2 і О4, які фокусують паралельно направлені потоки випромінювання, в яких розташовуються фотодетектори ФД1 і ФД2 основного вимірювального і компенсаційного каналів. Отримані вихідні сигнали ФД1 і ФД2 - сигнали струму, значення яких пропорційні потокам основного і компенсаційного оптичних каналів відповідно.

Необхідно відзначити, що однією з найважливіших проблем є те, що пил, який осідає на оптичних елементах, призводить до погіршення прозорості оптичних компонентів, що у свою чергу веде до зниження метрологічної надійності.

Для боротьби з утворенням плівки пилу вводиться пиловий фільтр, що представляє собою акустоелектронний вібратор за допомогою якого проводиться очищення оптичних компонентів, і забезпечується підвищення метрологічної надійності і інтервалу обслуговування пристрою.

Прототипом даного пристрою виступає винахід, представлений компанією Olympus E-system, захищаючий чутливий прецизійний сенсор від пилу при заміні об'єктивів фотокамер.

Існує два основні типи пилу: Пил, що притягається статичною електрикою і пил, що притягається на молекулярному рівні.

Пил, що притягається статичною електрикою. Велика частина забруднень сенсора викликається частинками пилу, розмір яких менше мікрона, які притягуються статичною електрикою. Пил сам по собі має позитивний електричний заряд, тоді як сенсор має негативний заряд. Відповідно, він як магніт притягає до себе пил. Цей тип пилу можна видалити ультразвуковим хвилевим фільтром.

Пил, що притягається на молекулярному рівні. Молекулярне тяжіння значно слабкіше електричного. Проте, воно притягає мікроскопічні частинки пилу. Ультразвукова вібрація фільтру так само може забезпечити видалення цих частинок пилу з поверхні оптичних компонентів.

Завдяки ультразвуковій вібрації пил, що потрапив на фільтр видаляється. Фільтр складається з основи, що має форму диска, і п'єзоелектричних елементів.

Система Захисту від пилу надійно захищає оптичні компоненти від пилу, оскільки простір між сенсором і пиловим фільтром герметично закритий.

Фільтр активується за допомогою струму високої частоти, що подається на п'єзоелектричний елемент. Таким чином фільтр ефективно усуває пил.

Висновки

Методи, що існують сьогодні, і засоби вимірювання концентрації метану не забезпечують необхідну швидкодію приладів вимірювання 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. Остаточне завершення: грудень 2012 року.

Література

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