ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

З кожним роком зростають обсяги вироблення вугільної промисловості, що в свою чергу викликає підвищення газо- і пиловиділення в рудничної атмосфері шахт. Важливе значення для безпеки підземних робіт має контроль концентрації тонкодисперсного пилу, швидкодія системи і достовірність отриманих результатів, т.я. сильні пиловиділення ведуть до підвищення ймовірності виникнення вибухонебезпечної ситуації [7,8], а також суперечить нормам НПАОП "Правила безпеки у вугільних шахтах" [1,9].

1. Актуальність теми

На сьогоднішній день існує багато пристроїв, здатних виконувати подібні завдання, проте більшість з них не відображають динаміку характеристик об'єкта дослідження, тому що засновані на принципах пробовідбору (в даному випадку має місце вплив на середовище дослідження). Наявність різних факторів, що впливають на результати вимірювань (температура, вологість тощо), ускладнює створення пиломірів з необхідними показниками точності і швидкодії. Таким чином, ми бачимо, що дана тема є досить актуальною і потребує подальшого розвитку.

2. Мета і завдання дослідження, плановані результати

Одна з основних цілей роботи полягає в тому. щоб вибрати і обгрунтувати метод вимірювання концентрації пилу у вугільних шахтах, який дозволить створити математичну модель вимірювання концентрації пилу, яка буде враховувати вплив дестабілізуючих факторів (температура, вологість тощо).

Кінцевою метою даної роботи є обгрунтування структури електронної системи контролю параметрів пилоповітряної суміші рудничної атмосфери шахт.

Для досягнення цілі поставлені і вирішені наступні задачі:

  1. Проаналізувати існуючі методи контролю концентрації пилу у вугільних шахтах з точки зору швидкодії системи і точності отриманих результатів вимірювань.
  2. Обгрунтувати вибір методу.
  3. Запропонувати варіант структурної схеми вимірювального каналу концентрації пилу, поставити вимоги до величини похибки вимірювань і діапазону вимірювання концентрації пилу.
  4. Запропонувати шляхи підвищення ефективності контролю пило-повітряної середовища шахт.
  5. Розробити математичну модель вимірювача.
  6. Розглянути вплив дестабілізуючих факторів.
  7. Обгрунтувати і розробити структуру вимірювальної системи.

Объект исследования: об'єкт дослідження: електронна система контролю параметрів пилоповітряної суміші рудникової атмосфери шахт.

Предмет дослідження:визначення концентрації пилу з урахуванням дестабілізуючих факторів.

3. Огляд досліджень і розробок

Згідно з результатами випробувань в лабораторіях МакНДІ і ВостНДІ [2] для максимально вибухового вугільного пилу (вихід летких daf ≥ 35%, зольність As<5%, вміст вологи φ ≤ 15%) нижня концентраційна межа вибуховості дорівнює δ=10 г/м3 [3]. Але якщо концентрація метану у виробці дорівнює CCH4=1%, то границя знижується в два рази, при 2% - у чотири рази. Отже, за наявності у виробці метану вугільний пил може вибухнути при концентрації від 4 до 5 г/м3 в процесі виконання прохідницького циклу, отже, діапазон вимірювань концентрації пилу CП розроблюваного вимірювача повинен становити від 0 до 3 г/м3.

В даний час в основному застосовується дві системи вираження результатів запиленості рудникового повітря і промислових приміщень: вагова і лічильна [4]

Ваговий метод є в даний час основним обгрунтованим в санітарному відношенні.

Існують наступні найбільш поширені методи контролю запиленості повітря (концентрації пилу) в рудничної атмосфері:

Гравиметричний (ваговий) метод, заснований на наборі проб пилу, визначенні її маси і реєстрації результатів вимірювань на місці або на відстані, характеризується відносно великими габаритами апаратури і низькою експлуатаційною надійністю. Застосувати цей метод при створенні вимірювача концентрації пилу для шахтних умов, без участі людини, не видається можливим.

Електричні методи (електроіндукційні, електроконтактні та ін.) засновані на вимірюванні заряду потоку пилових частинок або на вимірюванні числа заряджених частинок. Первинний електричний сигнал у загальному випадку пропорційний сумарній поверхні пилових частинок і не є мірою їх маси. Тому зміна дисперсного складу пилу може бути причиною похибки вимірювань. Значною мірою на результат вимірювань впливає речовий склад і електричні властивості пилу. Такі прилади таруються зазвичай для певного виду пилу, найбільш правильним вважається тарувати їх на місці монтажу.

При використанні цих методів в умовах шахт найбільш принциповим недоліком є ??чутливість їх до вологості повітря. Це визначається не тільки зміною електричних властивостей пилу, але і порушенням роботи датчиків, оскільки чутливий елемент його, сприймає малі електричні сигнали, втрачає працездатність при відносній вологості повітря більше 80%. Пристрої, побудовані за цим методом, є великогабаритними і споживають велику кількість електроенергії.

Радіометричний метод заснований на визначенні частки бета-випромінювання, поглиненого препаратом пилу, виділеної на підкладку. Результат вимірювання цим методом практично не залежить від складу пилу і визначається лише її масою. Необхідність попереднього виділення пилу, наприклад, шляхом протягання запиленого повітря через фільтр визначає можливість лише періодичних вимірювань з осреднением за час набору проб даних і отриманням результату через кілька хвилин після початку набору.

Датчики пилевимірювальних приладів, засновані на радиометричному методі, дуже складні. Вони мають рухомі елементи (побудник витрати повітря, механізм протягання стрічки), складні електричні схеми підсилювачів і перетворювачів первинного сигналу. Такі прилади дорого коштують. Застосування розглянутих датчиків в апаратурі контролю запиленості повітря може бути виправдане тільки гарними метрологічними показниками.

Оптичні методи засновані на визначенні частки поглиненого або розсіяного світла пиловим хмарою або препаратом пилу, виділеної на підкладку. Результат вимірювань цими методами, виражений у гравіметричних одиницях концентрації, залежить від дисперсності пилу, оскільки оптичні параметри її визначаються, в першу чергу, питомої площею поверхні. Крім того, на результат вимірювань впливає щільність пилу і її відбивна здатність. Проте в певних умовах вплив цих факторів може бути в значній мірі зменшено. Наприклад, при вимірюванні концентрації пилу поблизу джерел пиловиділення в підземних виробках вугільних шахт коливання дисперсного складу пилу можуть давати похибку вимірювання всієї маси пилу ± 34%, а тонкодисперсного пилу ± 11%; в цих же умовах можлива зміна речового складу пилу (коливання зольності від 6 до 40%) викликає похибка не більше ± 9,5%. Попереднє розділення пилу на фракції, дозволяє знизити похибка вимірювання, що спричинюється в основному впливом складу пилу, до 15%.

Якщо метою вимірювань є визначення концентрації тонкодисперсної фракції, можливе підвищення точності методу. Це досягається при використанні довгохвильового випромінювання (інфрачервона ділянка спектра), а також при оцінці інтенсивності розсіювання пилом світлового потоку під певним кутом. Якщо джерело монохроматичного світла взяти з довжиною хвилі близько 940нм і реєструвати світловий потік, розсіяний під кутом 70 °, то це дозволяє визначати концентрацію тонкодисперсної пилу в умовах вугільної шахти з похибкою, що не перевищує 10%. При цьому не потрібно виділення із загальної маси пилу тонкодисперсної фракції. Певним конструктивним недоліком датчиків, що вимагають попереднього розділення пилу на фракції або виділення пилу на фільтр, є необхідність у побуднику витрати повітря, від стабільності роботи якого значною мірою залежить можлива точність вимірювання концентрації пилу. Наявність такого спонукача ускладнює конструкцію датчика, знижує його надійність, збільшує споживану потужність.

Рисунок 1 – Анімація розсіювання потоку випромінювання светододіода пиловим хмарою.

Рисунок 1 — Анімація розсіювання потоку випромінювання світлододіода пиловою хмарою. Основні параметри анімації: кількість кадрів — 5; обсяг — 127 КВ; кількість циклів повторення — 7

До оптичних методів відносять також турбідиметричний метод [10], який застосовується для аналізу суспензій, емульсій, різних суспензій і інших мутних середовищ.

 Інтенсивність пучка світла, що проходить через таке середовище, зменшується за рахунок розсіювання і поглинання світла зваженими частинками [5].

 Турбодиметричні методи засновані на вимірі інтенсивності світла It пройшов через аналізовану суспензію. При достатньому розведенні інтенсивність світла підпорядковується рівнянню:

Формула 1

Турбодиметричні методи засновані на спостереженні за ослабленням зондуючого випромінювання,що пройшло крізь через досліджувану середу, за характеристиками якого оцінюється дисперсність і концентрація аерозолю. На відміну від оптичних методів, турбідиметрично метод використовує 2 джерела випромінювання (один в області видимого спектру, а інший або в області ІЧ-випромінювання, або з іншого довжиною хвилі).

Довжини хвиль використовуваного випромінювання визначаються виходячи з параметра Мі [6]

Формула 2

Основною перевагою турбідиметрично методів є їх висока чутливість.

Даний аналіз дозволяє рекомендувати два види датчиків для апаратури контролю запиленості повітря: 

4. Обгрунтування структурної схеми системи контролю концентрації пилу

 Система, заснована на цьому методі, буде мати високу точність і дозволить реєструвати частинки діаметром від десятків нанометрів, також буде володіти високою швидкістю вимірювань і не потребує людського втручання, тобто буде повністю автоматизована.

 Чутливий елемент датчика виробляє первинний сигнал, величина якого недостатня, а форма не завжди дозволяє передавати його без спотворення на скільки-небудь значну відстань. Тому необхідною частиною датчика є первинний перетворювач сигналу, який у найбільш простому випадку (наприклад, при оптичному методі вимірювання з безперервним первинним сигналом) виробляє посилення сигналу. У ряді випадків необхідно проводити також перетворення сигналу за відносно складною програмою. 

На основі аналізу обраного методу була запропонована наступна схема вимірювального каналу концентрації пилу (малюнок 2). Структурна схема містить джерело випромінювання 1 (у нашому випадку це світловипромінювальний діод), далі потік світла проходить через оптичний канал (2), де світло поглинається залежно від концентрації пилу CП, її дисперсності D і відстані між джерелом і приймачем випромінювання. Далі розсіяний потік потрапляє у вікно приймача випромінювання (3) і передається в аналоговий блок, де відбувається попереднє посилення і нормування сигналу. Після аналогового блоку сигнал потрапляє в цифровий блок, де оцифровується за допомогою АЦП і обробляється засобами мікроконтролера.

Рисунок 2 – Cтруктурная схема электронної системи контролю запиленності у вугільних шахтах

Рисунок 2 — 1- Джерело випромінювання; 2 - оптичний канал; 3 - приймач випромінювання; 4 - попередній підсилювач; 5 - нормуючий підсилювач;

Висновки

  1. Висновки Були проаналізовані методи контролю концентрації пилу у вугільних шахтах, в результаті чого був вибраний і обгрунтований турбідиметрично метод, тому що він дозволяє визначати концентрацію пилу з високою точністю, високою швидкодією і без участі людини, а також дозволяє додатково визначити дисперсність пилової середовища. Даний метод дозволить створити математичну модель, яка буде враховувати вплив дестабілізуючих факторів (температура, вологість тощо)
  2.  Був обгрунтований вибір турбідиметрично методу
  3.  Була запропонована структурна схема, що враховує особливості обраного турбідиметрично методу.

Перелік посилань

  1. Архипов В.А., Аэрозольные системы и их влияние на жизнедеятельность: Учебное пособие./ Архипов В.А., Шереметьева У.М.// Томск: Издательство Томского государственного педагогического университета, 2007. – 136 с.
  2. Сенкевич О.В.Физико-химические методы анализа рудничного воздуха / О.В. Синкевич, Н.В. Долецкая, В.Ф. Курченко// М.: Углетехиздат.1957 – 425 с.
  3. Петунин П.М., Борьба с угольной и породной пылью в шахтах / Петунин П.М., Гродель Г.С., Жиляев Н.И. и др. // М.: Недра-2-е изд., перераб. и доп., 1981. – 271 с.
  4. Шевцов Н.Р. Взрывозащита горных выработок (курс лекций): Учебное пособие для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – Донецк: ДонНТУ, 2002. – 280 с.
  5. НПАОП 10.0-1.01-10 "Правила безпеки у вугільних шахтах".
  6. Ващенко В.И. Пыль угольных шахт. / В.И. Ващенко, А.К. Носач, В.В. Яворович. // Вести Донецкого горного института, 2011. – Выпуск 11. – С. 35-44.
  7. Предупреждение и локализация взрывов в подземных условиях / А.Е. Умнов, А.С. Голик, Д.Ю. Палеев и др. — М.: Недра, 1990. — 286 с.
  8. Качан В.Н. Предупреждение взрывов угольной пыли в глубоких шахтах / В.Н. Качан,В.И. Саранчук, А.Т. Данилов. — К.: Техника, 1990. — 120 с... Збірник інструкцій до правил безпеки у вугільних шахтах: в т. — К.: Основа, 1996. – Т 1.— 425 с.
  9. Збірник інструкцій до правил безпеки у вугільних шахтах: в т. — К.: Основа, 1996. – Т 1.— 425 с.
  10. student.zoomru.ru [Электронный ресурс]: Турбидиметрия и нефелометрия – Электронные данные. – Режим доступа: http://student.zoomru.ru/him/turbidimetriya-i-nefelometriya-ponyatie-i/184993.1504944.s1.html Дата доступа: май 2013. – Загл. с экрана.