Автореферат Плескачов ВМ Розробка та дослідження макетного зразка швидкодіючого вимірювача концентрації мметану у вугільних шахтах

Автореферат за темою магістерської роботи

Актуальність теми

Зі зростанням глибини розробок вугілля збільшується газоносність виробок, температура пластів івологість порід, зростає частота і інтенсивність газодинамічних проявів, що пов'язано з підвищеннямнебезпеки при веденні гірничих робіт. У цих умовах особливого значення набувають питаннязабезпечення вугільних підприємств швидкодіючими і надійними засобами автоматичного контролю концентрації метану в рудничної атмосфери. Існуючі засоби вимірювання не забезпечують отриманняінформації про процеси зміни концентрації метану з досить малими статичними і динамічнимипохибками. Таким чином, необхідно розробити макетний зразок електронної системи для подальшоговивчення та розробки шляхів підвищення швидкодії необхідної точності контролю концентрації метану з компенсацією впливу основних дестабілізуючих факторів рудничної атмосфери вугільних шахт, що івизначає актуальність теми магістерської роботи.

Ціль роботу

На основі застосування оптико-абсорбційного методу контролю концентрації метану і математичноїмоделі розробити і досліджувати макетний зразок електронної системи контролю концентрації метану,який дозволить оцінити доцільність розробки даної системи.

Завдання роботи

- аналіз існуючих методів і засобів контролю концентрації метану рудничної атмосфері, з точки зору підвищення швидкодії вимірювача при необхідної точності контролю;

- розробка математичної моделі вимірювача, на основі оптико-абсорбційного методу контролю концентрації метану у вугільних шахтах з урахуванням впливу дестабілізуючих факторів рудничної атмосфери;

- розробка методу компенсації впливу вугільного пилу і дестабілізуючих чинників рудничної атмосфери на результат вимірювання концентрації метану;

- розробка макетного зразка системи вимірювання концентрації метану з метою проведення натурних випробувань для визначення метрологічних характеристик та оцінки ефективності;

- розробка програм і методик випробувань для макетного зразка, а також рекомендації по використанню.

Передбачувана наукова новизна

1. Отримати подальший розвиток оптико-абсорбційного метода контролю концентрації метану у вугільних шахтах, на основі використання відкритого оптичного вимірювального каналу з компенсацією впливу вугільного пилу, що дозволить підвищити швидкодію вимірювача концентрації метану при необхідній точності контролю.

2. Розробка математичної моделі системи вимірювання на основі оптико-абсорбційного методу контролю концентрації метану, яка враховує вплив дестабілізуючих факторів рудничної атмосфери (зміна температури і тиску, концентрацію вугільного пилу і супутніх газів) на параметри оптоелектронного вимірювача.

3. Розробка макетного зразка електронної системи, контролю концентрації метану для оцінкиметрологічних характеристик вимірювальної системи для реальних умов експлуатації.

Основний матеріал роботи

У першому розділі виконаний аналіз методів і засобів контролю концентрації метану рудничної атмосфери [1]. Грунтуючись на результатах виконаного аналізу та вимоги до стаціонарних вимірювачів концентрації метану у вугільних шахтах, в роботі запропоновано використовувати оптико-абсорбційний метод контролю концентрації метану з квазівідкритим оптичним вимірювальним каналом, що забезпечить необхідну компенсацію від впливу дестабілізуючих факторів рудничної атмосфери.

Виконано аналіз впливу дестабілізуючих факторів рудничної атмосфери (зміна температури, тиску, наявність супутніх газів і парів води, концентрація вугільного пилу) на метрологічні характеристикимакетного зразка.

Встановлено, що при роботі вимірювача концентрації метану в умовах запиленості рудникової атмосфери вугільних шахт, збільшується похибка вимірювання концентрації метану, що в свою чергу не забезпечує необхідним швидкодією систему вимірювання згідно вимог ГОСТ. В якості вирішення даної проблеми, у роботі запропоновано використовувати «спосіб компенсації динамічної похибки інфрачервоного вимірювача концентрації метану для вугільних шахт» [2].

У другому розділі розроблена математична модель вимірювальної системи на основіоптико-абсорбційного методу контролю концентрації метану, яка враховує вплив дестабілізуючихфакторів рудничної атмосфери (зміна температури і тиску, концентрацію вугільного пилу і супутніх газів)на параметри оптоелектронного вимірювача, що дозволить оцінити метрологічні характеристикивимірювальної системи для реальних умов експлуатації.

Поглинання оптичного випромінювання описується законом Бугера-Ламберта-Бера, який пов'язує інтенсивність поглинання I з довжиною шляху l і концентрацією досліджуваного газового компонента Соб% вираз (1), [3].

Плескачев В.Н. (1)

Для вибору параметрів відкритого оптичного каналу в роботі визначено коефіцієнт передачі оптичного каналу Кок, рівний відношенню інтенсивності минулого Iвих ОК до падаючого Iвх ОК оптичних потоків:

Плескачев

де K (l, T, P) - коефіцієнт перетину спектра поглинання оптичного випромінювання метаном, що залежить від температури T, ° К, тиск P, кПарудничної атмосфери і концентрації супутніх газів (ряд важких вуглеводнів).

Як видно з виразу (2) коефіцієнт передачі оптичного каналу є нелінійною функцією, яка містить наступні змінні: (Cоб%, Т, Р,) характеризують стан рудникової атмосфери, l, мкм - довжина хвилі спектральних ліній поглинання метану, l, м - довжина вимірювальної бази оптичного каналу (конструктивний параметр).

У оптоелектронному блоці необхідно забезпечити максимальний коефіцієнт передачі Кок відкритого оптичного каналу. Для визначення Кок виконані наступні дослідження:

- Оцінка характеристик спектру поглинання метану і вибір довжини хвилі іширини спектрів випромінювачів і приймачів;

- Вибір конструктивного параметра l - довжини вимірювальної бази;

- Оцінка вплив факторів рудничної атмосфери - зміна температури і тиску нарезультати вимірювання об'ємної концентрації метану в діапазоні від 0 до 4об%, обумовленою вимогами ГОСТ для вугільних шахт.

У третьому розділі розроблена структурна схема вимірювача концентрації метану для умов вугільних шахт (рис. 1). Робота оптичного вимірювача виконується під управлінням блоку 11 і полягає в наступному. Потоки випромінювання від джерел випромінювання 1 і 2 одночасно надходять в вимірювальні оптичні кювети з квазівідкритими фільтрами 3 та 4, які пропускає через дві вимірювальні кювети до 3 - 5% пилу від загальної концентрації пилу в рудничної атмосфери вугільної шахти. Причому одночасно включається два джерела випромінювання 1 і 2, які встановлені на одній стороні вимірювальних кювет, а на два детектори оптичного вимірювання 5 і 6, які розташовані на одній осі з джерелами 1 і 2 на іншій стороні вимірювальних кювет, надходять оптичні сигнали.

animal2

Рисунок 1 - Структурна схема вимірювача концентрації метану для умов вугільних шахт
(анімація: об'ъєм - 110 КБ; розмір - 653x210; кількість кадрів - 5; затримка між кадрами - 100 мс; кількість циклів повторення - 5)

аналогові сигнали від детекторів з підсилювачами 5 і 6 надходять нафункціональні перетворювачі 7 і 8. Ці блоки забезпечують рівність вихіднихсигналів вимірювальних оптичних кювет при концентрації метану, що дорівнює нулю, а також здійснюється масштабування вихідного сигналу, якеполягає в наступному: максимальний вихідний сигнал відповідає максимальному значенню діапазону вимірювання концентрації метану (4,0 об%), а нуль - мінімальний концентрації (0,0 об%).

Аналогові електричні сигнали від двох функціональних перетворювачів 7 і 8 послідовно комутуються з аналогово-цифровим перетворювачем 10 за допомогою комутатора аналогових сигналів 9. Вибір вимірювального каналу, інтервал і тривалість опитування визначається блоком управління 11. АЦП 10 під керуванням блоку 11 перетворює з поділом у часі електричні сигнали в цифровий код, для реалізації компенсації динамічної похибки пристрою за допомогою програмного методу цифрової обробки результатів вимірювання. Аналогово-цифровий перетворювач 10 пов'язаний з обчислювальним блоком 12, в якому здійснюється зберігання дискретних значень вихідних напруг або їх відносини, або різниці вихідних напруг [4] в один проміжок часу. Далі в наступний проміжок часу через інтервал дискретизації аналогово-цифрового перетворювача 10 Процедура вимірювання повторюється і після чого здійснюється розрахунок концентрації аналізованого газу за розробленим алгоритмом, який повторюється циклічно у всьому інтервалі часу роботи вимірювального пристрою.

Під управлінням блоку 11 дані про концентрацію метану в атмосферірудничної вугільної шахти виводяться на блок індикації і реєстрації 13 і за допомогою засобів цифрового каналу зв'язку 14 передаються в системуаерогазового захисту вугільних шахт.

Висновки

Існуючі сьогодні методи та 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 поліпшеними метрологічними та експлуатаційними характеристиками.

На момент написання даного автореферату магістерська робота знаходиться на стадії розробки. Закінчення і за щита планується в листопаді 2011 року.

Список літератури: