Плескачев ВН Разработка и исследование макетного образца, электронной системы контроля концентрации метана в угольных шахтах

Автореферат по теме магистерской работы

Актуальность темы

С ростом глубины разработок угля увеличивается газоносность выработок, температура пластов и влажность пород, возрастает частота и интенсивность газодинамических проявлений, что сопряжено с повышением опасности при ведении горных работ. В этих условиях особого значение приобретают вопросы обеспечения угольных предприятий быстродействующими и надежными средствами автоматического контроля концентрации метана в рудничной атмосфере. Существующие средства измерения не обеспечивают получение информации о процессах изменения концентрации метана с достаточно малыми статическими и динамическими погрешностями. Таким образом, необходимо разработать макетный образец электронной системы для дальнейшего изучения и разработки путей повышения быстродействия при требуемой точности контроля концентрации метана с компенсацией влияния основных дестабилизирующих факторов рудничной атмосферы угольных шахт, что и определяет актуальность темы магистерской работы.

Цель работы

На основе применения оптико-абсорбционного метода контроля концентрации метана и математической модели разработать и исследовать макетный образец электронной системы контроля концентрации метана, который позволит оценить целесообразность разработки данной системы.

Задачи работы

– анализ существующих методов и средств контроля концентрации метана в рудничной атмосфере, с точки зрения повышения быстродействия измерителя при требуемой точности контроля;

– разработка математической модели измерителя, на основе оптико-абсорбционного метода контроля концентрации метана в угольных шахтах с учетом влияния дестабилизирующих факторов рудничной атмосферы;

– разработка метода компенсации влияния угольной пыли и дестабилизирующих факторов рудничной атмосферы на результат измерения концентрации метана;

– разработка макетного образца системы измерения концентрации метана с целью проведения натурных испытаний для определения метрологических характеристик и оценки эффективности;

– разработка программ и методик испытаний для макетного образца, а также рекомендации по использованию.

Предполагаемая научная новизна

1. Получить дальнейшее развитие оптико-абсорбционный метод контроля концентрации метана в угольных шахтах, на основе использования открытого оптического измерительного канала с компенсацией влияния угольной пыли, что позволит повысить быстродействие измерителя концентрации метана при требуемой точности контроля.

2. Разработка математической модели системы измерения на основе оптико-абсорбционного метода контроля концентрации метана, которая учитывает влияние дестабилизирующих факторов рудничной атмосферы (изменение температуры и давления, концентрацию угольной пыли и сопутствующих газов) на параметры оптоэлектронного измерителя.

3. Разработка макетного образца электронной системы, контроля концентрации метана для оценки метрологических характеристик измерительной системы для реальных условий эксплуатации.

Основной материал работы

В первом разделе выполнен анализ методов и средств контроля концентрации метана в рудничной атмосфере [1]. Основываясь на результатах выполненного анализа и требованиях к стационарным измерителям концентрации метана в угольных шахтах, в работе предложено использовать оптико-абсорбционный метод контроля концентрации метана с квазиоткрытым оптическим измерительным каналом, что обеспечит необходимую компенсацию от влияния дестабилизирующих факторов рудничной атмосферы.

Выполнен анализ влияния дестабилизирующих факторов рудничной атмосферы (изменение температуры, давления, наличие сопутствующих газов и паров воды, концентрация угольной пыли) на метрологические характеристики макетного образца.

Установлено, что при работе измерителя концентрации метана в условиях запыленности рудничной атмосферы угольных шахт, увеличивается погрешность измерения концентрации метана, что в свою очередь не обеспечивает необходимым быстродействием систему измерения согласно требований ГОСТ. В качестве решения данной проблемы, в работе предложено использовать «способ компенсации динамической погрешности инфракрасного измерителя концентрации метана для угольных шахт»[2].

Во втором разделе разработана математическая модель измерительной системы на основе оптико-абсорбционного метода контроля концентрации метана, которая учитывает влияние дестабилизирующих факторов рудничной атмосферы (изменение температуры и давления, концентрацию угольной пыли и сопутствующих газов) на параметры оптоэлектронного измерителя, что позволит оценить метрологические характеристики измерительной системы для реальных условий эксплуатации.

Поглощение оптического излучения описывается законом Бугера-Ламберта-Бера, который связывает интенсивность поглощения I с длиной пути l и концентрацией исследуемого газового компонента С_об%выражение (1), [3].

(1).

Для выбора параметров открытого оптического канала в работе определен коэффициент передачи оптического канала Кок, равный отношению интенсивности прошедшего I_ВЫХ ОК к падающему I_ВХ ОК оптических потоков:

фор - ла (2)

где K(l,T,P) – коэффициент сечения спектра поглощения оптического излучения метаном, зависящий от температуры T,°К, давление P, кПа рудничной атмосферы и концентрации сопутствующих газов (ряд тяжелых углеводородов СC2H8...СCiHi).

Как видно из выражения (2) коэффициент передачи оптического канала является нелинейной функцией, которая содержит следующие переменные: (C_об%, Т, Р,СC2H8...СCiHi) характеризуют состояние рудничной атмосферы, l, мкм – длина волны спектральных линий поглощения метана, l, м – длина измерительной базы оптического канала (конструктивный параметр).

В оптоэлектронном блоке необходимо обеспечить максимальный коэффициент передачи К_ОК открытого оптического канала. Для определения К_ОК выполнены следующие исследования:

– оценка характеристик спектра поглощения метана и выбор длины волны и ширины спектров излучателей и приемников;

– выбор конструктивного параметра l – длины измерительной базы;

– оценка влияние факторов рудничной атмосферы – изменение температуры и давления на результаты измерения объемной концентрации метана в диапазоне от 0 до 4^об%, определяемой требованиями ГОСТ для угольных шахт.

В третьем разделе разработана структурная схема измерителя концентрации метана для условий угольных шахт (рис. 1). Работа оптического измерителя выполняется под управлением блока 11 и заключается в следующем. Потоки излучения от источников излучения 1 и 2 одновременно поступают в измерительные оптические кюветы сквазиоткрытыми фильтрами 3 и 4, которые пропускает через две измерительные кюветы до 3 - 5% пыли от общей концентрации пыли врудничной атмосфере угольной шахты. Причем одновременно включаетсядва источника излучения 1 и 2, которые установлены на одной сторонеизмерительных кювет, а на два детекторы оптического измерения 5 и 6, которые расположены на одной оси с источниками 1 и 2 на другой сторонеизмерительных кювет, поступают оптические сигналы.

Рисунок 1 – Структурная схема измерителя концентрации метана для условий угольных шахт

(анимация: объем - 110 КБ; размер - 653x210; количество кадров - 5; задержка между кадрами - 100 мс; задержка между количество циклов повторения - 5)

Аналоговые сигналы от детекторов с усилителями 5 и 6 поступают на функциональные преобразователи 7 и 8. Эти блоки обеспечивают равенствовыходных сигналов измерительных оптических кювет при концентрацииметана, равной нулю, а также осуществляется масштабирование выходного сигнала, которое заключается в следующем: максимальный выходной сигнал соответствует максимальному значению диапазона измерения концентрацииметана (4,0 об.% ), а ноль – минимальное концентрации (0,0 об.% ).

Аналоговые электрические сигналы от двух функциональных преобразователей 7 и 8 последовательно коммутируются с аналогово-цифровым преобразователем 10 с помощью коммутатора аналоговых сиг—налов 9. Выбор измерительного канала, интервал и длительность опроса определяется блоком управления 11. АЦП 10 под управлением блока 11 преобразовывает с разделением во времени электрические сигналы в цифровой код, для реализации компенсации динамической погрешности устройства с помощью программного метода цифровой обработки результатов измерения. Аналогово-цифровой преобразователь 10 сопряженный с вычислительным блоком 12, в котором осуществляется хранение дискретных значений выходных напряжений или их отношения, либо разницы выходных напряжений [4] в один промежуток времени. Далее в следующий промежуток времени через интервал дискретизации аналогово-цифрового преобразователя 10 процедура измерения повторяется и после чего осуществляется расчет концентрации анализируемого газа за разработанным алгоритмом, который повторяется циклически во всем интервале времени работы измерительного устройства.

Под управлением блока 11 данные о концентрации метана в рудничной атмосфере угольной шахты выводятся на блок индикации и регистрации 13 и с помощью средств цифрового канала связи 14 передаются в систему аэрогазовой защиты угольных шахт.

Вывод

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. Окончание и за щита планируется в ноябре 2011 года.

Список литературы:

Ушаков К.З. Аэрология горных предприятий/ К.З. Ушаков, А.С. Бурчаков, А.А. Пучков, И.И. Медведев. - К.: Недра, 1987. - 412с
О.В. Вовна. Спосоіб компенсації динамічної похибки інфрачервоного вимірювача концентрації метану для вугільніх шахт/ О.В. Вовна, А.А. Зорі, М.Г. Хламов// Вестник национального технического университета "ХПИ". Серия: "Электроэнергетика и приобразовательная техника" - Харьков, 2010. - Выпуск 12.-В.65 -70.
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; опубл. 10.12.2009
В. А. Порєв, О. А. Дашковський, Я. Л. Миндюк, В. П. Приміський. Аналітичні екологічні прилади та системи. — Монографія. / Під заг. ред. В. А. Порєва. — Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2009. — 336 с.
ГОСТ 13320-81. Газоанализаторы промышленные автоматические. Общие технические условия. Введ. 01. 01. 1983 // М.: Издательство стандартов, 1989. – 35 с.
ГОСТ 24032-80 « Приборы шахтные газоаналитические». // М., 1992. – 36 с
Якушенкова Ю.Г. Проектирование оптико-электронных приборов. // М.: Машиностроение, 1981. – 263 с.
Проектирование оптико-электронных приборов /Под ред. Ю.Г. Якушенкова. – М.: Машиностроение, 1981. – 263 с
Карпов Е.Ф., Биренберг И.Э. Автоматическая газовая защита и контроль рудничной атмосферы. – М.: Наука, 1984.–285с.
Трембецкая О. А. Магистерская. «Обоснование структуры быстродействующего прибора для измерения концентрации метана в условиях угольных шахт»

Плескачев Вячеслав Николаевич