Кушнаренко Тетяна Миколаївна

Факультет комп'ютерних інформаційних технологій і автоматики

Кафедра електронной техніки

Спеціальність "Електронні системи"

Обґрунтування структури електронної системи контролю концентрації метану у підземній атмосфері вугільних шахт

Науковий керівник: д.т.н., проф. Зорі Анатолій Анатолійович

Реферат за темою випускної роботи

•  Проаналізувати методи вимірювання концентрації метану в умовах вугільних шахт і шляхи поліпшення їх метрологічних характеристик;
• Виявити фактори, що впливають на показники точності термохімічного (термокаталітичного) методу, і розробити принципи їх компенсації;
•  Розробити математичну модель каналу вимірника концентрації метану на основі термокаталітичного методу з використанням апаратно-алгоритмічної надлишковості;
• Розробити структуру електронної схеми вимірювача концентрації метану;
• Розробка вимірювального каналу концентрації метану;

 
Об'єкт дослідження: вимірювальна система контролю концентрації метану в атмосфері вугільних шахт.
 
Аналіз існуючих методів

1)    Термокаталітичний метод.
    Принцип дії термокаталітичного методу заснований на беспламенном спалюванні (окисленні) метану на поверхні каталітично активного елементу і вимірюванні кількості тепла, що виділилося при цьому. За підтримки сталості умов тепломасообміну виділене тепло пропорційно концентрації метану в аналізованому повітрі.
Перевагою цього методу є висока точність вимірювання і відсутність впливу швидкості потоку на вимірювання концентрації метану.
Недоліком даного методу є невисока швидкодія, яке складає 15с.[2].
2)    Термокондуктометричний метод.
    Принцип дії заснований на залежності теплопровідності газової суміші від концентрації визначуваного компонента (метану). Термокондуктометричний метод є одним з найпоширеніших методів газового аналізу.
Термокондуктометричний метод поступається термокаталітічному в результаті малої чутливості  і поганої вибірковості.
3)     Оптико-абсорбційний метод.
    Оптико-абсорбційний метод газового аналізу заснований на виборчій поглинання променистої енергії, що визначається компонентами аналізованих газових сумішей [2]. Шахтні прилади, засновані на цьому методі, працюють в інфрачервоній області спектра з використанням оптико-акустичного явища (виникнення акустичних коливань в газі при поглинанні даними газом переривчастого потоку променистої енергії). В даний час в переважній більшості бездісперсіонних газоаналізаторів використовується інфрачервоне випромінювання в діапазоні 2 – 10 мкм.
 
 
Наукова новизна
 
  Отримання подальшого розвитку термохімічного (термокаталітичного) методу контролю концентрації метану у вугільних шахтах з використання апаратно-алгоритмічної надмірності, що дозволило підвищити швидкодію вимірників концентрації метану при необхідній точності контролю.
 
Вибір об'єкта контролю

    Більш досконалі методи вимірювань засновані на використанні апаратури з датчиками, що виробляють електронний сигнал, пропорційний змісту метану в газі. Ці пристрої відрізняються більшою точністю і можуть бути використані в системах автоматизації.
   Проте найбільш точним і ефективним способом отримання результатів є застосування сучасних електронних приладів - газоаналізаторів, що видають в режимі реального часу, з високою точністю всі необхідні параметри процесу, фіксувати їх і оперативно вносити зміни в режим роботи установки для досягнення максимальної ефективності [3].
    Сигналізатор метану СММ–1 призначений для безперервного контролю метану в атмосфері вугільних шахт, небезпечних по газу. Дія сигналізатора метану СММ–1 засноване на термокаталітічним принципі з використанням низькотемпературних точкових чутливих елементів. Функціональна схема сигналізатора СММ–1 представлена ​ ​на малюнку 1, де в якості автономного джерела живлення 1 використана батарея герметичних акумуляторів, що складається з двох акумуляторів НКГК–3С. Стабілізатор напруги 2 служить для стабілізації напруги живлення перетворювача 3 та мостовий вимірювальної схеми 5 з вхідними в неї датчиками 6 і вимірником метану 7. Перетворювач 3 є джерелом підвищеної напруги для фазочуттєвого підсилювача 8 і блоку сигналізації 9. Контроль ступеня розряду батареї акумуляторів виконує блок контролю напруги 4.
 
                                                                                                   
 
                                                                       Рисунок 1 – Функціональна схема сигналізатора метану СММ–1
 
    Робота приладу здійснюється наступним чином. Датчик, що складається з компенсаційного і робочого чутливих елементів, включених в плечі мостовий вимірювальної схеми, перетворює зміна концентрації метану в електричний сигнал, постійна складова якого з виходу мостовий вимірювальної схеми надходить на вимірювач метану, від градуйованих % CH4 з діапазоном 0–3 %, а змінна складова - на вхід фазочуттєвого підсилювача [2].
 
Попередні результати досліджень
 
      При роботі вимірювача концентрації метану в умовах запиленості рудникової атмосфери вугільних шахт, збільшується похибка вимірювання концентрації метану. Для отримання необхідних показників точності вимірювача газову суміш прокачують через фільтри очищення. Використовуються металокерамічні фільтри очищення з постійною часу фільтра складової порядку 1с., При цьому необхідну швидкодію вимірювача концентрації метану повинно бути не більше 0,8 с. [4], що призводить до погіршення динамічних властивостей вимірювача.
    Для зниження динамічної похибки вимірювача концентрації метану необхідно зменшити постійну часу фільтра, що призводить до запиленню вимірювальної системи. За основу в запропонованому способі взята завдання удосконалення способу вимірювання концентрації метану [5] в умовах вугільних шахт, в якому за рахунок використання фільтрів очищення досягаються необхідні статичні показники точності вимірювання концентрації газу, а для компенсації динамічної похибки використовуються програмні методи цифрової обробки результатів вимірювань. Цей спосіб забезпечує швидкодію вимірювача при необхідній точності контролю концентрації аналізованого газу, що призводить до збільшення ймовірності виявлення та контролю вибухонебезпечних концентрацій при раптових викидах метану. Динамічна похибка вимірювань залежить від постійної часу вимірювального перетворювача концентрації метану, а також швидкості його зміни.
    Компенсація динамічної похибки є зворотною завданням з відновлення вхідного сигналу з відомою інформацією про апаратну функції (W) вимірювального перетворювача [6]. Розглянемо задачу зміни миттєво їх значень концентрації метану С (t), яка перетворюється вимірювальним перетворювачем в сигнал U (t) на його виході (рис. 1). При динамічних вимірюваннях інтерес представляє не вихідний сигнал напруги або струму вимірювального перетворювача U (t), а концентрація метану С (t). Тому завданням обробки результатів є визначення значень концентрації метану С (t) по вихідним сигналом U (t) і оператором W, який описує динамічні властивості вимірювального перетворювача, є рішенням задачі корекції його апаратної функції. Простіше таке завдання вирішується реалізацією оператору W, який є зворотна їм оператору W, з використанням коректує ланцюжка КЦ (рис. 2) в апаратній або програмному вигляді, який обробляє сигнал U (t).
 
 

 

Рисунок 2 –  Структура термокаталітичного вимірювача метану з динамічною корекцією

 
    У зв'язку з цим коректне рішення оберненої задачі при вимірюванні динамічних параметрів може бути виконано, якщо припустити певне запізнення у формуванні значень сигналу С_КОМ(t) на виході коректуючого кола, що не вимагає реалізації функції прогнозу. Інерційний вимірювальний перетворювач має передавальну функцію, яка відповідає передавальної функції аперіодичного ланки першого порядку [4]:
 
                                                                                                                                                                                                                                     (1)
 
де  , В / об.% – коефіцієнт перетворення вимірювача із значення електричного сигналу, наприклад напруги, в значення концентрації метану;  , С – постійна часу вимірювального перетворювача з фільтром очистки аналізованої газової суміші від пилу;  – оператор Лапласа.
    Диференціальне рівняння, що описує цей вимірювальний перетворювач, має наступний вигляд:
 
                                                                                                                                                                                                                         (2)
 
    Передавальна функція (1) встановлює залежність між вихідним і вхідним сигналами, які довільно змінюються у часі.
    Перетворена передатна функція (1) дозволяє спростити формулу для числових послідовностей, тому має місце наступне перетворення:
 
                                                                                                          
 
де  – перетворення вхідної послідовності. Вихідна послідовність отримана шляхом відповідного зворотного перетворення Лапласа:
 
                                                                                                          
 
    Використовуючи опис кола затримки   в дискретної області    [7], отримана рекурентна формула для розрахунку вихідної послідовності сигналу вимірювача концентрації метан в дискретні моменти часу:
 
                                                                                                                                                                                                                                   (3)
 
де  , с – крок дискретизації в часі вихідних електричних сигналів.
    При заданих початкових умовах  і , співвідношення (3) можна використовувати як рекурентну формулу для розрахунку вихідної послідовності вимірювального перетворювача. Передавальна функція коректуючого  кола приймає наступний вигляд:
 
                                                                                                                                                                                                                             (4)
 
    Таким чином, коректуюче коло повинно реалізовувати функцію диференціювання вихідного сигналу вимірювача концентрації метану  і складання його похідної з самим вихідним сигналом (рис.3).  
                                            

  Рисунок 3 – Структурна схема коректуючого кола вимірювача концентрації метану

 
    Різницеве рівняння коректуючого кола в дискретні моменти часу має такий вигляд [1]:  
                                                                                                                                                                                                                                     (5)
   
    Запропонований спосіб дозволяє підвищити швидкодію вимірювача при необхідній точності вимірювань концентрації аналізованого газу, що призводить до збільшення ймовірності виявлення та контролю вибухонебезпечних концентрацій при раптових викидах метану.
 
Анімація технологічного процесу
 
    На вугільних шахтах Україна тривалий проміжок часу успішно експлуатуються стаціонарні безперервно діючі засоби контролю шахтної атмосфери [8]:
 
• аналізатори метану АТ1–1, АТ3–1 і АТБ;
• аналізатори оксиду вуглецю "Сігма–СО–В" та ДОП
  
                                                                                                                                                      Таблиця 1 – Основні технічні характеристики аналізатору метану серії АТ

Найменування параметра	Значення параметра
1. Діапазон вимірювання об'ємної частки метану,%	0 – 2,5
2. . Межа основної абсолютної похибки вимірювання об'ємної частки метану,%	± 0,2
3. Час спрацювання виконавчих пристроїв, с, не більше: - за рівнем вмісту метану        - по швидкості наростання концентрації метану	0,8 2,0
4.Сумарна маса, кг, не більше	110

 Рисунок 4 – Структураі схема аналізатору метану серії АТ
 (анімація: 7 кадрів, 5 циклів повторення, 123 кілобайт)
                                  (ДМВ – датчик метану виносной, ППІ – перетворювач параметрів вимірювальний, АС – апарат сигналізації)
 

    Для прийому безперервних сигналів про об'ємної частки метану і дискретних сигналів про досягнення гранично допустимої концентрації в місцях установки датчиків аналізаторів серії АТ реєстрації величини об'ємної частки метану та видачі світлової та звукової сигналізації на поверхні вугільних шахт застосовуються стійки прийому інформації СПИ–1М, електронні реєстратори "Екон" або комплекс аерогазовий інформаційний КАГІ.

   
Висновок. Для створення газоаналізаторів для вугільних шахт необхідно враховувати склад, параметри рудничної атмосфери, вимоги нормативно-правових документів. Проведено вивчення систем аерогазового контролю у вугільних шахтах, розглянуті питання побудови газоаналізаторів, їх технічні характеристики. В результаті роботи детально вивчені і розроблені шляхи підвищення швидкодії при необхідної точності контролю концентрації метану з компенсацією впливу основних дестабілізуючих факторів рудничної атмосфери вугільних шахт. Розроблено спосіб компенсації динамічної похибки термокаталітичного методу вимірювання концентрації метану для вугільних шахт. Використання даного способу дозволяє збільшити ймовірність виявлення і контролю вибухонебезпечних концентрацій метану у вугільних шахтах.
 

Перелік посилань

1.Вовна О.В., Зорі А.А., Хламов М.Г. Спосіб компенсації динамічної похибка інфрачервоного вимірювача концентрації метану для вугільних шахт / О.В. Вовна, А.А. Зорі, М.Г. Хламов / / ВІСНИК 12'2010 Національного технічного університету «ХПІ». Збірник наукових праць «Електроенергетика та перетворювальна техніка» – С. 65–70.
2. Карпов Є.Ф., Біренберг І.Е., Басовский Б.І. Автоматична газова захист та контроль рудничної атмосфери.– М.: Надра, 1984.– 285с.
3. Газоаналізатори [Електронний ресурс] / metron.com.ua – Електронні дані. – Режим доступу http://www.metron.com.ua/Files/Art4.htm – Дата доступу: квітень 2012. - Загл. з екрану.
4. Волошин М.Є. Раптові викиди і способи боротьби з ними у вугільних шахтах / Н.Є. Волошин. – К.: Техніка, 1985. – 127 с.
5. Пат. 46197. Україна, МПК G 01 N 21/31. Спосіб вимірювання концентрації метану у рудниковій атмосфері / О.В. Вовна, А.А. Зорі, В.Д. Коренєв, М.Г. Хламов; Донець. нац. техн. ун-т (Україна). - № u200906578; заявл. 23.06.2009; опубл. 10.12.2009.
6. Таланчук М.П. Засоби вимірювання в автоматичних інформаційних і керуючих системах: [підручник] / П.М. Таланчук, Ю.А. Скрипник, В. дібровний. – М.: Радуга, 1994. – 672 с.
7. Тітце У. Напівпровідникова схемотехніка: в 2 т.: пер. з нім. – Т.2. / У. Тітце, К. Шенк. – М.: Додека – ХХI, 2008. – 942 с.
8. Аналізатор метану АТ1–1 і АТ3–1 [Електронний ресурс] / Виробниче об'єднання Укрспецкомплект – Електронні дані. – Режим доступу http://ukrsk.com.ua/anali_metan_at_1.html – Дата доступу: квітень 2012. – Загол. з екрану.

Примітка

    При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Дата остаточного завершення роботи: грудень 2012. Повний текст роботи та матеріали по темі роботи можуть бути отримані у автора або його наукового керівника після зазначеної дати.