РОЗРОБКА ТА ДОСЛІДЖЕННЯ МАКЕТНОГО ЗРАЗКА
ШВИДКОДІЮЧОГО ВИМІРЮВАЧА КОНЦЕНТРАЦІЇ МЕТАНУ
ДЛЯ ВУГІЛЬНИХ ШАХТ

Авторы: Вовна О.В., Плескачов В.Н. 

   Інтенсифікація технологічного процесу видобутку вугілля, а також очисних та підготовчих робіт у гірничих виробленнях все більш глибоких горизонтів привело до зростання виділення метану у вугільних шахтах Донбасу. На теперішній час на Україні більше чверті шахт є небезпечними за раптовими викидами вугільного пилу та газу [1]. Разом із звичайними, рівномірними та стабільними у часі газовиділеннями особливо небезпечними є раптові виділення метану, які супроводжуються віджиманням, висипанням, обваленням та викидом вугілля. Вибухонебезпечна концентрація метану є причиною вибухів та масштабних катастроф, які супроводжуються матеріальними збитками та людськими жертвами.

   Однією із причин вибухів є недосконалість технічних засобів контролю якісного стану атмосфери підземних вироблень. Том у рекомендаціях по підвищенню техніки безпеки на вугільних шахтах [1] разом із вимогами строгого дотримання встановленого регламенту пилегазового та вентиляційного режимів, однією із найважливішої мірою є створення та вдосконалення апаратури для контролю вмісту метану у рудничній атмосфері. 

   Метою цієї роботи є розробка способів та засобів підвищення швидкодії і точності вимірювача концентрації метану та виготовлення макетного зразка із лабораторним стендом для дослідження його метрологічних характеристик. Перелік основних задач роботи:
    – розробка імітаційної математичної моделі швидкодіючого вимірювача концентрації метану для вугільних шахт;
    – розробка функціональної, оптичної, структурної та принципової схем макетного зразка вимірювача із технічним описом;
    – розробка діючого макетного зразка вимірювача концентрації метану для системи газового захисту вугільних шахт;
  – розробка лабораторного стенду для дослідження метрологічних характеристик макетного зразка швидкодіючого вимірювача концентрації метану та його технічний опис.

   Серед проаналізованих методів [2], оптичні методи забезпечують достатньо високу швидкодію, але наявність факторів, що обурюють, в оптичному вимірювальному каналі, таких як висока концентрація вугільного пилу та вологість, призвело до введення в існуючих засобах вимірювання концентрації метану пилових фільтрів та пристроїв осушення газу. Розроблений спосіб компенсації впливу вугільного пилу на результати вимірювання концентрації метану у рудничній атмосфері вугільних шахт [3], дає підставу припускати, що інфрачервоні спектрометричні газоаналізатори можуть виявитися більш універсальними та придатними для шахт, які небезпечні за раптовими викидами вугільного пилу та газу. 

  Недоліком цього способу є те, що при розповсюдженні потоку інфрачервоного випромінювання в умовах запиленої аналізованої газової суміші та за наявності інших домішок, здійснюється ослаблення потоку випромінювання внаслідок розсіювання та поглинання частинками пилу інфрачервоного потоку, що збільшує похибку вимірювання концентрації аналізованого газу. Для отримання необхідних показників точності аналізовану газову суміш прокачують через фільтри очищення, що призводить до погіршення динамічних властивостей вимірювача концентрації газів. Вимірювання концентрації газів здійснюється не у реальному масштабі часу, а із затримкою на постійну часу фільтру. Для зниження динамічної похибки вимірювання концентрації газу необхідно зменшити постійну часу фільтру, що призводить до зниження його метрологічної надійності та довготривалої стабільності. Використання різних фільтрів з меншою постійною часу призводить до появи статичної мультиплікативної похибки вимірювання концентрації газу.

  Проаналізувавши переваги та недоліки існуючих способів та засобів вимірювання концентрації газових компонент, які засновано на оптико-абсорбційному методі вимірювання, розроблена структурна схема вимірювача концентрації метану для умов вугільних шахт, яку наведено на рис. 1.

   Робота оптичного вимірювача здійснюється під управлінням блоку 11 та полягає у наступному. Потоки випромінювання від джерел випромінювання 1 і 2 одночасно поступають у вимірювальні оптичні кювети із квазівідкритими фільтрами 3 і 4, які пропускає через дві вимірювальні кювети до 3 – 5 % пилу від загальної концентрації пилу у рудничній атмосфері вугільної шахти. Причому одночасно включаються два джерела випромінювання 1 і 2, які встановлені на одній стороні вимірювальних кювет, а на два детектори оптичного випромінювання 5 і 6, які розташовані на однієї вісі із джерелами 1 і 2 на іншій стороні вимірювальних кювет, поступають оптичні сигнали. Аналогові електричні сигнали від детекторів із підсилювачами 5 і 6 поступають на функціональні перетворювачі 7 і 8. Ці блоки забезпечують рівність вихідних сигналів вимірювальних оптичних кювет при концентрації метану, яка дорівнює нулю, а також здійснюється масштабування вихідного сигналу, яке полягає у наступному: максимальний вихідний сигнал відповідає максимальному значенню діапазону вимірювання концентрації метану (4,0 об.%), а нуль – мінімальній концентрації (0,0 об.%).

Рисунок 1 – Структурна схема вимірювача концентрації метану
для умов вугільних шахт

 Аналогові електричні сигнали від двох функціональних перетворювачів 7 і 8 послідовно комутуються із аналогово-цифровим перетворювачем 10 за допомогою комутатора аналогових сигналів 9. Вибір вимірювального каналу, інтервал та тривалість опитування визначається блоком управління 11. АЦП 10 під управлінням блоку 11 перетворює із розділенням у часі електричні сигнали у цифровий код, для реалізації компенсації динамічної похибки пристрою за допомогою програмного методу цифрової обробки результатів вимірювання. Аналого-цифровий перетворювач 10 сполучено із обчислювальним блоком 12, в якому здійснюється збереження дискретних значень вихідних напруг або їх відношення, або різниці вихідних напруг [3] в один проміжок часу. Далі у наступний проміжок часу через інтервал дискретизації аналого-цифрового перетворювача 10 процедура вимірювання повторюється та 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 у рудниковій атмосфері вугільної шахти виводяться на блок індикації і реєстрації 13 та за допомогою засобів цифрового каналу зв'язку 14 передаються до системи аерогазового захисту вугільної шахти 15.

Розроблений пристрій дозволяє підвищити швидкодію та метрологічну надійність вимірювачів концентрації метану при необхідній точності контролю; за рахунок використання квазівідкритих фільтрів очищення досягаються необхідні статичні показники точності вимірювання.