автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Разработка метода автоматического метрологического контроля и коррекции выходного сигнала термокаталитического датчика шахтных стационарных метанометров

Российская академия наук Министерство энергетики России Национальный научный центр горного производства -Институт горного дела им.А.А. Скочинского.

>

I

На правах рукописи

' УДК 622.817

Сучков Алексей Анатольевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДА АВТОМАТИЧЕСКОГО МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ И КОРРЕКЦИИ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА ТЕРМОКАТАЛИТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА ШАХТНЫХСТАЦИОНАРНЫХ МЕТАНОМЕТРОВ.

Специальность 05.26.03 - «Пожарная и промышленная безопасность (горная промышленность)»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2003

Работа выполнена в ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского

Научный руководитель - кандидат технических наук Карпов Е.Ф.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Кудряшов В.В.

Ведущая организация - «Быковский завод средств логического

управления-Логика»

Защита состоится «03» декабря 2003 г. в 10 час.00 мин.

на заседании диссертационного Совета Д 222.004.02 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в ННЦ ГП - ИГД им. А.А.Скочинского.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ННЦ ГП - ИГД им. А.А.Скочинского.

Автореферат разослан « 50 » 0^1 _2003 г.

кандидат технических наук Попов В.В.

Ученый секретарь диссертационного Сове проф.д.т.н.

И.Г.Ищук

17<51

Общая характеристика работы.

Актуальность темы. Для непрерывного контроля содержания метана в горных выработках угольных шахт, в атмосфере зданий и сооружений, связанных с добычей, транспортированием и использованием природного газа, а также в нефтяной, нефтеперерабатывающей, химической и других отраслях промышленности, где в процессе производства возможно появление и скопление горючих газов и паров, наибольшее распространение получили газоанализаторы метана и других горючих газов и паров, основанные на термокаталитическом принципе с диффузионным подводом анализируемой газовой смеси и использованием чувствительных элементов пелисторного типа.

Эффективность применения газоанализаторов такого типа для предупреждения вспышек и взрывов метана в угольных шахтах в значительной мере определяется надежностью датчиков, которая зависит от частоты выполнения поверочных операций. Даже самые современные системы газового контроля рассчитаны на ручное выполнение поверочных операций непосредственно в месте установки датчиков.

Для условий газообильной шахты , когда количество точек контроля приближается к ста, учитывая также разветвленность сети горных выработок, для выполнения поверочных операций требуется значительная численность обслуживающего персонала.

Вручную выполняются как поверочные, так и регулировочные операции. Все это ведет к непроизводительным материальным расходам и затратам рабочего времени при эксплуатации. Поэтому необходима разработка такого метода метрологического контроля и коррекции выходного сигнала термокаталитического датчика шахтных стационарных метанометров, который обеспечивал бы возможность автоматического выполнения поверочных и регулировочных операций. Такого апробированного метода ни в отечественной, ни в зарубежной практике нет.

Целью диссертационной работы является разработка метода автоматического метрологического контроля выходного сигнала термокаталитического датчика метана, включающая

обоснование и выбор параметров и режимов работы, обеспечивающих реализацию метода. А также разработка методики автоматической коррекции выходного сигнала термокаталитического датчика шахтных метанометров, не требующего применения стандартных поверочных газовых смесей (ПГС) и чистого воздуха.

Другой целью является разработка алгоритма, регламентирующего реализацию указанного метода с помощью современных средств микропроцессорной техники.

Идея работы состоит в отказе от классической оценки выходного сигнала по его абсолютной величине и переход на измерение разницы сигналов в двух разнесенных по времени точках переходного процесса частичного выгорания метана на чувствительном элементе в реакционной камере датчика с ограниченным диффузионным доступом анализируемой метановоздушной смеси. Датчик при этом работает в динамическом режиме, где подача напряжения питания чередуется с паузами для выравнивания концентраций метана внутри рекционной камеры с окружающей атмосферой. Переход от статического метода измерения к динамическому позволяет не только судить о величине выходного сигнала , но и по характеристикам переходного процесса оценить качественно и количественно изменение чувствительности датчика, определить погрешность измерений и провести автоматическую коррекцию выходного сигнала, если значение погрешности превышает нормативное значение.

Методы исследований: аналитическое обобщение литературных и фондовых материалов, составление, решение и анализ дифференциальных уравнений математической модели газового баланса в реакционной камере, компьютерное моделирование, опытное физическое моделирование в лабораторных условиях.

Научные положения, защищаемые в работе:

метод автоматического метрологического контроля и коррекции выходного сигнала термокаталитического датчика метана шахтных метанометров, позволяющий непрерывно отслеживать погрешность измерений и провести автоматическую коррекцию выходного сигнала, если значение погрешности превышает нормативное значение;

?

выбранные и научно обоснованные параметры термокаталитического датчика и режимы его работы, обеспечивающие реализацию метода метрологического контроля и коррекции показаний чувствительного элемента без применения стандартных ПГС и чистого воздуха;

математическая модель датчика метана с ограниченным доступом метано-воздушной смеси в реакционную камеру;

алгоритм метода автоматического метрологического контроля и коррекции показаний датчика метана, находящегося в метано-воздушной смеси любой концентрации в пределах диапазона измерений, регламентирующий реализацию метода с помощью современных средств микропроцессорной техники;

экспериментальный образец шахтного метанометра, реализующий предложенный алгоритм контроля и автоматической коррекции показаний датчика метана, находящегося в метано-воздушной смеси любой концентрации в пределах диапазона измерений;

Достоверность научных положений обоснована сходимостью результатов аналитических и экспериментальных исследований, проведенных на лабораторных макетах.

Научная новизна. Впервые предложен метод получения информации о работоспособности и точности показаний датчика метана непосредственно во время измерения, с помощью метана, содержащегося в рудничной атмосфере, исключающий применение ПГС, чистого воздуха и каких-либо тестовых воздействий. Установлена взаимосвязь между параметрами переходного процесса газообмена в реакционной камере, соединенной с атмосферой калиброванным эквивалентным отверстием, и чувствительностью датчика. Разработан алгоритм коррекции выходного сигнала датчика, позволяющий определить истинную концентрацию метана в момент измерения.

Практическая ценность. Применение предложенного метода автоматического метрологического контроля и коррекции позволяет повысить надежность работы термокаталитических датчиков метана, за счет увеличения частоты поверочных операций, повышения

точности показаний, исключения ручного труда и связанного с ним субъективного фактора при поверочных и регулировочных работах, сократив при этом численность обслуживающего персонала.

Реализация работы. Положения работы использовались при создании лабораторного компьютерно-аппаратного макета термокаталитического датчика метана с непрерывным контролем и коррекцией чувствительности и экспериментального образца шахтного метанометра.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и получили положительную оценку на XIV научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «датчики и преобразователи информации и систем измерения, контроля и управления - датчик-2000», и на научном семинаре отделения рудничной аэрологии и борьбы с внезапными выбросами ИГД им. A.A. Скочинского.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 5 статей и получено положительное решение Федерального Института Промышленной Собственности (ФИПС) от 13 января 2003г. на выдачу патента РФ по заявке № 2001124017/28 (026100).

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов с выводами и заключениями на 110 страницах, содержит 35 рисунков, 6 таблиц, список используемой литературы из 40 наименований.

Содержание работы.

В первом разделе приведен анализ состояния газовой защиты в угольных шахтах, рассмотрены пути повышения ее эффективности, определены задачи и методы исследований.

Над проблемой газовой защиты угольных шахт работали такие известные ученые и исследователи как: А.А.Скочинский, А.Э.Петросян, В.С.Кравченко, И.В.Сергеев, Е.Ф.Карпов, Б.И.Басовский,В.В.Попов, В.Т.Маликов,И.И.Эренбург,М.Г.Гусев. Их достижения широко внедрены как в России, так и за ее пределами.

Известно, что истощение природных ресурсов заставляет непрерывно углублять угольные шахты. С углублением шахт наблюдается тенденция к увеличению метаноносности угольных пластов и газообильности выработок.Качество контроля содержания метана в шахтной атмосфере напрямую зависит от надежности и бесперебойной работы всех узлов системы газовой защиты, и в особенности от исправности первичных преобразователей, то есть датчиков метана. Дальнейшее совершенствование средств газовой защиты должно быть направлено на устранение недостатков и повышение надежности аппаратуры, которая в значительной мере зависит от частоты ее поверок, своевременности и точности настройки датчиков и замены неисправных блоков.

Вся серийно выпускаемая аппаратура АГЗ как в России, так и за ее пределами («Ольдам» Франция; «Дрегер», «Ауэр» ФРГ; «Сигер», «Трансмитон» Великобритания, «MSA» США) рассчитана на ручное выполнение поверочных операций. Процедура метрологической поверки, особенно для шахтных стационарных метанометров, достаточно трудоемка, связана с продувкой реакционной камеры датчиков стандартной поверочной газовой смесью (ПГС) и чистым воздухом. Все операции по метрологической поверке выполняются обслуживающим персоналом вручную, что приводит к значительным затратам рабочего времени, связанным с хождением по горным выработкам, протяженность которых в среднем на шахте составляет 50-60 км и проведением самой процедуры поверки. На каждой шахте численность персонала, обслуживающего системы контроля рудничной атмосферы составляет 10-20 человек. На поверочные операции задалживается не менее 50% рабочего времени обслуживающего персонала. Значительное время затрачивается также на устранение возникающих в процессе эксплуатации неисправностей, которые встречаются достаточно часто.

Таким образом, для увеличения надежности аппаратуры газовой защиты, упрощения обслуживания и повышения эффективности ее применения необходимо разработать методы автоматического метрологического контроля выходного сигнала стационарных датчиков метана.

В связи с дальнейшим развитием представлений о теплофизических процессах, происходящих в термокаталитическом датчике, а также расширением возможностей микропроцессорной техники и появлением на рынке однокристальных микроконтроллеров, которые могут встраиваться в каждый датчик, становится возможным и целесообразным разработать шахтный метанометр, который не только был бы способен осуществить метрологический контроль работоспособности датчика без применения ПГС и чистого воздуха, но и выполнить автоматическую коррекцию показаний в случае, если результаты контроля свидетельствуют о необходимости такого корректирования.

В разделе показано, что для осуществления такой разработки необходимо решить следующие задачи:

дать обоснования и выбрать параметры термокаталитического датчика и режимы его работы, обеспечивающие автоматический контроль и коррекцию показаний (в случае необходимости), без применения стандартных ПГС и чистого воздуха.

- составить математическую модель окисления и газообмена в датчике при реализации указанного метода, провести сравнительный анализ полученных результатов с данными эксперимента.

разработать алгоритм реализации автоматического метрологического контроля и коррекции показаний датчика метана, находящегося в метано-воздушной смеси любой концентрации в пределах диапазона измерений.

проанализировать влияние условий эксплуатации аппаратуры газовой защиты, приводящих к возникновению дополнительных погрешностей измерения. Показать, что при отсутствии аддитивной погрешности (сдвиг нуля), устранение любого из перечисленных выше влияний сводится к корректировке выходного сигнала датчика, то есть компенсации мультипликативной погрешности измерений.

обосновать допустимый уровень изменения чувствительности элемента, требующий проведения коррекции и частоту проведения метрологического контроля.

Во втором разделе обоснована перспективность развития приборов и систем, основанных на использовании термокаталитического способа измерения в динамическом режиме, рассмотрен и экспериментально проиллюстрирован интегральный принцип, на основании которого возможен переход к динамическим методам измерения. Составлены уравнения математической модели окисления и газообмена датчика, работающего в динамическом режиме, проведен сравнительный анализ полученных результатов с данными эксперимента.

Интегральный принцип гласит, что при полном выжигании метана в ограниченном объеме количество выделившегося тепла практически не зависит от изменения чувствительности термокаталитического элемента, которая влияет только на время измерения. Были проведены эксперименты, подтверждающие работоспособность принципа для рассматриваемого типа датчиков. Однако, до сих пор не удается разработать искробезопасную конструкцию клапана для периодического открывания и закрывания реакционной камеры, поэтому целесообразно было отказаться от решений, связанных с обеспечением полного выжигания метана.

Предлагается отказаться от классической схемы подключения датчика - моста Уитстона, как основного источника аддитивной погрешности измерений. В основу предлагаемого метода положены принципы динамического метода измерения, разработанного в институте Горного дела им. Скочинского в конце 90-х годов. Метод основан на получении информации о содержании метана по характеристикам переходного процесса, при частичном выжигании метана за счет ограниченного диффузионного поступления анализируемой метано-воздушной смеси в реакционную камеру через небольшое отверстие в ее стенке. Организация этого метода измерения требует циклического повторения переходного процесса, датчик при этом работает в динамическом режиме. Процесс диффузии описывается уравнением (1Ск/Л = - Д То (Са-Ск)/ Ь0У (1)

Процесс окисления метана уравнением: аск/ а! = - 2Д* Бк Кэ (Ск-Со)/ 0.5 1к V (2)

где Ск - концентр, метана в реакционной камере, в мольных долях;

Со - концентрация метана в середине канала, в мольных долях;

Д* - коэфф. диффузии метана при определяющ. температуре в, м2/с;

Бк - площадь сечения внутреннего канала чувствит. элемента, м2;

1к - длина внутреннего канала чувствительного элемента, м

кэ - коэффициент эффективной внутренней поверхности

чувствительного элемента;

V - объем реакционной камеры, м3;

Д - коэффициент диффузии метана в воздухе, м2/с;

Ро - площадь сечения калиброванного отверстия, м2;

Ьо - длина канала калиброванного отверстия к, м;

(Са - Ск) - градиент концентраций, обеспечивающий диффузионный

поток через калиброванное отверстие, в мольных долях.

При одновременном протекании процессов диффузионного поступления метана в камеру через калиброванное отверстие и выгорания его на чувствительном элементе внутри камеры, общее дифференциальное уравнение будет иметь вид:

-2Д*Рк*Кэ*Ск /0.51к*У - Д*Р0 *(Са-Ск)/Ь0*У (3)

где

А = М1Жэ в = №

ЬоУ

Показатель Со приравнен 0, так как введенный нами коэффициент Кэ позволяет учитывать реальную картину окисления.

После решения дифференциального уравнения и преобразований имеем:

Ск = Са[В/(А+В) + АеЧА+В),/(А+В)] (5)

Следует отметить, что уравнения (1-5) справедливы при длительности периода нагрева Тв значительно меньшей длительности периода диффузионной релаксации Тс, то есть Т0»ТЙ. В действительности, при используемых в настоящее время конструкциях чувствительных элементов реакционных камер и датчиков в целом , Т0 > Т9, но не настолько, чтобы величиной Тв

и

можно было пренебречь, поэтому для реальных условий при использовании формулы (5) необходимо учитывать значение Тй

На рис. 1 приведен пример реальной характеристики переходного процесса термокаталитического датчика с чувствительным элементом, размещенным внутри реакционной камеры, доступ анализируемой смеси в которую ограничен калиброванным отверстием. По оси абсцисс отложено время в секундах, по оси ординат величина сигнала в условных единицах (ниже по тексту и.В. или 8.В.). Кривую переходного процесса можно разбить на несколько участков: от 0 до И (0,3 - 0,4 сек.) - часть периода нагрева током (джоулево тепло); от 11 до И (0,4 - 0,6 сек.) - другая часть периода, связанная с дополнительным нагревом чувствительного элемента за счет теплоты реакции, 13- время установления газодинамического равновесия между поступлением метана в реакционную камеру и сгоранием его на чувствительном элементе. Участок кривой от 11 до \2 отражает не только процесс нагрева, но и начало диффузионного процесса, так как на этом участке начинается горение метана, нарушается равновесие концентраций внутри и снаружи камеры, и за счет градиента концентрации через калиброванное отверстие начинает поступать диффузионный поток.

Участок кривой от 12 до 1уст. (2-3 сек.) участок диффузионной релаксации.

о.з

т.е.

Рис. 1. Переходный процесс выгорания метана в реакционной камере.

На основании изложенного, в уравнение (5) вводят коррективы, то есть к длительности периода диффузионной релаксации прибавляют длительность нагрева, чтобы время 1у установившегося значения концентрации (Ск) в камере соответствовало текущему значению времени с начала цикла. Кроме того, учитывая, что при \2 значение концентрации метана в камере, равно 0,7-0,9 Са, в зависимости от параметров реакционной камеры и каталитической активности датчика, вводят коэффициент Кс. С учетом проведенных коррекций формула (5) примет вид :

Ск = КсСа[В/(А+В) + АеЧА+в)4 /(А+В)] (6)

Так как приведенные выше уравнения (1-6) описывают только протекание диффузионной релаксации, наиболее информативной с точки зрения получения сигнала пропорцианального Са (см. работу Карпов Е.Ф., Басовский Б.И., Попов В.В., Карпов А.В., 1977, с.14), сравнительный анализ экспериментальных данных с данными математической модели был проведен только начиная с И. Данные экспериментов сходятся с рассчитанными с достаточной для инженерных расчетов точностью см.табл 1, 2.

Таблица 1

Сравнение данных математической модели с данными эксперимента

Ск в долях от Са вв в долях от Бтах = Са

т, а=о,зб (1=0,43 (1=0,53 Откр (1=0,36 (1=0,43 (1=0,53, Откр.

с мм мм мм эл. мм мм мм Эл.

0,7 0,731 0,742 0,76 1 0,73 0,74 0,8 1

1 0,61 0,635 0,67 1 0,65 0,70 0,74 0,96

2 0,387 0,44 0,51 1 0,39 0,46 0,54 0,96

4 0,275 0,36 0,47 1 0,25 0,34 0,43 0,93

5 0,265 0,35 0,46 1 0,24 0,34 0,43 0,93

Таблица 2

Данные об относительной погрешности математической модели по отношению к эксперименту

Относительная погрешность, %

Т,с (1=0,36, й =0,43, (1=0,53, Откры-

мм мм мм тый эл.

0,7 0,1 од 5 0

1 6Д 9 9,4 4

2 0,7 4,3 5,5 7

4 9 5,5 8,5 7

5 9,4 2,8 6,5 7

где: Ск- концентрация метана в реакционной камере датчика.

Са- концентрация метана в анализируемой атмосфере.

(1- диаметр переходного эквивалентного калиброванного отверстия в

стенке реакционной камеры, мм.

Бв,= ив — выходной сигнал датчика во время эксперимента, мВ. Откр. эл. - чувствительный элемент с открытой реакционной камерой.

В результате описанной во втором разделе работы сделаны следующие выводы:

Проиллюстрирован интегральный принцип, лежащий в основе предлагаемого способа контроля и коррекции.

Получена аналитическая зависимость (математическая модель) изменения концентрации метана внутри реакционной камеры в период диффузионной релаксации, которая с достаточной для инженерных расчетов точностью подтверждается экспериментально.

Путем сравнения различных значений диаметра калиброванного отверстия в стенке реакционной камеры определенного объема, даны рекомендации по выбору параметров реакционной камеры и длительности измерительного цикла при переходе на динамический способ измерения.

Третий раздел посвящен разработке методик и алгоритмов определения величины мультипликативной составляющей

погрешности измерения и коррекции показаний термокаталитического датчика метана.

В разделе рассмотрено несколько методик вычисления мультипликативной составляющей погрешности измерения и проведения коррекции показаний термокаталитичекого датчика метана.

Для проверки работоспособности методик и выработки алгоритмов, был разработан компьютерно-аппаратный лабораторный стенд, где снижение каталитической активности достигалось работой датчика в среде, содержащей пары силикона, изменение сопротивления фильтра - изменением диаметра перепускных эквивалентных отверстий в реакционной камере. Временная диаграмма работы датчика и расчет необходимой коррекции реализовывался с помощью встраиваемого в компьютер программируемого АЦП фирмы ЬСАШ). На стенде датчик работал в предлагаемом динамическом режиме, при конструировании реакционной камеры учитывались рекомендации, выработанные в разделе 2.

Наиболее полной и математически обоснованной является методика использующая вычисление постоянной времени переходного процесса.

Для определения первоначальных характеристик устанавливаемого датчика, при различных концентрациях ПГС снимают градуировочную характеристику и вычисляют постоянную времени переходного процесса т. При этом значения сигналов, пропорциональных измеряемой концентрации метана, вычисляют как разницу между сигналами (разностный сигнал) в первой точке отсчета И] (выбирается через определенный отрезок времени после подачи импульса напряжения на ЧЭ, в начальной части переходного процесса выгорания метана, в самом начале зоны диффузионной релаксации,) и во второй точке отсчета и2 в момент, когда величина сигнала уменьшится на некоторое значение (например на 10-15 %). См. рис. 2

s,v

0,00

0,10

0,05

0,25

0,20

0,15

з! |Гз -

-i-1-1-1-1

U.

5 6 7

.. Ht, с

' з

S4

н

S1

Рис. 2. Выходной сигнал термокаталитического датчика (S3)-2.48% объемных долей СН4 до отравления, (S1) - 2,48% об. долей после отравления, (S4)-1.02% объемных долей СН4 до отравления, (S2) - 1.02% об. долей после отравления парами силикона.

Постоянную времени определяют по формуле:

где Х2 -1] = - разница во времени (мс) между отсчетами И] и и2; ио - установившееся значение сигнала в реакционной камере после окончания переходного процесса в момент времени 13, которое зависит от объема камеры, производительности (активности) чувствительного элемента и диаметра отверстия, через которое анализируемая смесь поступает в реакционную камеру.

Установленно, что в случае изменения чувствительности датчика, постоянная времени, изменяя свое абсолютное значение, остается одинаковой для разных концентраций метана. Это дает основание определять по значению постоянной времени изменение чувствительности, а соответственно и величину появившейся погрешности.

т

(7)

На основании изложенного, методика определения действительного значения концентрации метана С по измеренному ЛИ" - как разницы сигналов в двух фиксированных во времени точках кривой выгорания, будет иметь вид:

1. Получение градуировочных данных.

1.1. Выбирается эталонный датчик, обладающий средней для своего типа чувствительностью. Датчик помещается в стандартную реакционную камеру, соединенную с атмосферой, содержащей метан в пределах диапазона измерений, калиброванным отверстием. Снимается кривая выгорания и выбирается 11 и 12 (В зоне диффузионной релаксации, исходя из требований по разрешающей способности).

1.2. Замеряется И] в момент времени 11.

1.3. Замеряется и2 - в момент времени И

1.4. Замеряется и0 - установившееся значение сигнала, в момент 13.

1.5. Вычисляется Клр=(иги2)/ПГС - удельная чувствительность,

где ПГС - значение в % объемных долей метана поверочной газовой смеси, на которой производится градуировка.

1.6. Вычисляется постоянная времени т = ———у—

и2-и0

1.7. Значение времен И, 12, Кпр и постоянной времени заносятся в память.

2. Проведение измерений, метрологического контроля и коррекции.

Сразу после включения прибора, первые 10 циклов измерения на дисплей или экран выводится слово «Тест». Измерения, метрологический контроль и коррекция не производятся, так как в это время проходит термостабилизация датчика.

2.1 Замеряется И' 1 в момент времени И.

2.2 Замеряется и"2 - в момент времени 12

2.3 Замеряется ио' установившееся значение переходного процесса в 13'.

2.4 Вычисляется Ди" = и', - и"2, . Если Д1Г' равно О, что свидетельствует об отсутствии в анализируемой смеси метана, то коррекция не производится, на дисплей выводится О, в следующем цикле измерения работа начинается с пп.2.1.

2.5 Вычисляется постоянная времени

т'= (12-)/ 1п ((и', -ио')/ (и"2 - ио'))

2.6 Вычиляется корректирующий коэффициетнт Кк= х'] / т,

2.7 Вычисляется выходной сигнал в единицах концентрации

метана

С= Диск / Кпр=Д И" Кк / Кпр

Кпр- удельная чувствительность эталонного датчика.

2.8 Величина С выводится на дисплей или экран.

Экспериментальная проверка показала, что погрешность

проведенной коррекции составила 1.02%. см.табл. 3.

Недостатком этой методики является необходимость в каждом цикле измерений записывать значение и0, продлевая включение датчика до врем ени 13 установления газового равновесия в реакционной камере. Это приводит к неоправданному росту времени измерения, (для предлагаемой конструкции датчика время на одно измерение 13 секунд), что близко к максимально разрешенной инерционности измерения, регламентированной ГОСТ (15 с). Следует учесть, что с увеличением постоянной времени выгорания, время 13 установления газового равновесия будет также увеличиваться, что приводит к необходимости выбирать 13 аналитическим путем (отсутствие изменения выходного сигнала).

Была оценена возможность метода оценки изменения чувствительности датчика, не прибегая к определению постоянной времени. Такие решения особенно актуальны для использования в переносных приборах, где длительное включение напряжения питания датчика может привести к неоправданному увеличению энергопотребления и сокращению времени работы прибора без подзаряда.

Отличие состоит в замене отношения постоянных времени пропорциональным отношением временных отрезков, в течение которых разностный выходной сигнал изменяется на одинаковую относительную величину (например на 10%). Такое допущение будет верно, только если рассматриваемый участок переходного процесса

носит экспоненциальный характер. Введение такого приема позволило резко увеличить скорость получения измерительно-метрологической информации, сократить время активной работы чувствительного элемента (подачи напряжения питания), позволило перейти на съем измерительно-метрологической информации в каждом цикле измерения.

Для реализации этого приема на кривой переходного процесса выбирается участок, см. рис. 2, где экспоненциальный характер изменения сигнала выгорания, можно с достаточной степенью приближения заменить прямой линией (такое приближение выбирается экспериментально во время снятия градуировочных характеристик, а представительность прямолинейных участков изависит от соотношения объема камеры, диаметра отверстия, производительности чувствительного элемента).

На основании изложенного, методика определения действительного значения концентрации метана С по измеренному Ли" - как разницы сигналов в двух фиксированных во времени точках кривой выгорания, без вычисления постоянной времени, будет иметь вид:

1. Получение градуировочных данных.

1.1 Выбирается эталонный датчик, обладающий средней для своего типа чувствительностью (для выбранного чувствительного элемента - 25 мв на процент в мостовой схеме). Датчик помещается в стандартную реакционную камеру, соединенную с атмосферой калиброванным отверстием. Снимается кривая выгорания и выбирается 11 (в начале зоны диффузионной релаксации).

1.2 Замеряется и! в момент времени .

1.3 Замеряется время \2, исходя из требований и2 =0.911]

1.4 Вычисляется Кпр=(и1-и2)/ПГС - удельная чувствительность.

1.5 Вычисляется А1 = . заносится в память.

1.6 Значение времен 11, \2 и постоянной времени заносятся в память прибора и не изменяются в течении всего срока эксплуатации.

2. Проведение измерений метрологического контроля и коррекции.

Сразу после включения прибора, первые 10 циклов измерения на дисплей или экран выводится слово «Тест». Измерения, метрологический контроль и коррекция не производятся, так как в это время проходит термостабилизация датчика.

2.1 Замеряется и' 1 в момент времени 11.

2.2 Замеряется и"г - в момент времени

2.3 Вычисляется Д1Г' = и'х - и"2> . Если Ш" равно 0, что свидетельствует об отсутствии в анализируемой смеси метана, то коррекция не производится, на дисплей выводится 0, в следующем цикле измерения работа начинается с пп.2.1.

2.4 Замеряется VI, исходя из требований 1Г2 =0.9 и']

2.5 Вычисляется АЧ = ^-^Ди^ и'! - и2'

2.6 Вычисляется корректирующий коэффициент Кк=Д1' /А V,

Диск=Ди'Кк

2.7 Вычисляется выходной сигнал в единицах концентрации

метана

С= Диск / Кпр=Д и' Кк / Кпр

Кпр - удельная чувствительность эталонного датчика.

2.8 Величина С выводится на дисплей или экран.

Эксперименты показали, что погрешность проведенной

коррекции с применением этой методики составила 1.029%, что лишь на 0.1% больше аналогичной коррекции, проведенной с помощью вычисления постоянной времени переходного процесса. Это говорит о возможности проведения диагностических и коррекционных работ по приведенной в этом разделе методике. Данные для сравнения двух методик приведены в табл. 3.

Методиками предусмотрено, что проведенная таким образом коррекция будет справедлива как для снижения чувствительности (отравление катализатора, естественное старение и т.п.), так и для случая роста чувствительности (восстановление после работы в высоких концентрациях, после длительных перерывов в работе и ДР-)-

Данные, на основании которых производился отсчет регламентированных измерений, являются средним арифметическим ряда замеров выходного сигнала.

В разделе показано, что среднее арифметическое является состоятельной, несмещенной и эффективной оценкой, пригодной для описания истинного значения измеряемой величины.

Использование современной элементной базы и переход к применению микропроцессоров дает возможность проводить точечные замеры с высокой частотой, что позволяет считать измеряемую величину внутри некоторого интервала из п измерений неизменной. Тогда заменяя каждое замеренное значение на результат усреднения и сдвигая интервал на единицу времени, соответствующую частоте измерения, получим апроксимацию скользящим средним, где количество измерений внутри интервала -коэффициент скольжения.

Для сигналов рассматриваемого типа при частоте измерений 10 кГц максимальный коэффициент скольжения, не приводящий к искажению сигнала по времени, равен 10.

На рисунке 3 приведен участок выходного сигнала (переходного процесса) термокаталитического датчика, работающего в динамическом режиме - сигнал S1 и его скользящее среднее - S2. Расчеты проведены с применением компьютерной программы (база данных) QUATRO PRO.

В диссертации рассмотрены граничные по концентрации метана условия применения предлагаемой методики. Нижней границей, при которой необходимо проверить работоспособность методики, является концентрация 0.1 % объемных долей метана, что обусловлено требованиями по нормативной погрешности шахтных стационарных метанометров. Экспериментально установлено, что коррекция на этой концентрации позволяет обеспечить 3 % точность. Проведение коррекции при концентрации метана меньше 0.1% объемных долей метана затруднено из-за малой величины выходного сигнала и ограничений по разрешающей способности существующих АЦП.

Таблица 3

Сравнительные данные методики с определением постоянной времени и методики, основанной на анализе временных интервалов

алг. реж. вел. ПГС % СН4

1.02 2.48

Алгоритм с определением постоянной времени Градуировка (эталонный датчик) и, 0.1025 0.245

и2 0.09225 0.2205

11 1000 1000

12 1220 1220

X 986.5 986.5

Кпр 0.01 0.01

Измерение и коррекция (отравленный датчик) и', 0.085 0.2

и*2 0.0775 0.182

ДИ" 0.0075 0.018

т' 1345.3 1345.3

Кк 1.36371 1.36371

С 1.0228 2.4547

Погр 0.27% 1.02%

Алгоритм с анализом временных отрезков. Градуировка (эталонный датчик) И! 0.1025 0.245

и2 0.09225 0.2205

1000 1000

ъ 1220 1220

А t 220 220

Кпр 0.01 0.01

Измерение и коррекция (отравленный датчик) и', 0.085 0.2

и'2 0.0775 0.182

ли" 0.0075 0.018

А Г 300 300

Кк 1.3636 1.3636

С 1.0227 2.45448

Погр 0.26% 1.029%

t

Рис. 3 Выходной сигнал термокаталитического датчика метана Si и его скользящее среднее S2.

Коррекции, проводимые с концентрациями, близкими к 100% НКПР (5% объемных долей СНД позволяют получить точность 13%. Таким образом, можно сказать, что во всем регламентированном интервале измерения шахтных стационарных метанометров предлагаемые методики контроля и коррекции являются эффективными.

На базе методики разработан алгоритм и программный продукт, реализующий в одном измерительном цикле функции измерения, диагностики и коррекции показаний.

В четвертом разделе проанализировано влияние условий эксплуатации аппаратуры газовой защиты, приводящих к возникновению дополнительных погрешностей измерения.

По данным исследований (Попов В.В., 1980, с.34) наиболее вредными воздействиями на датчики метана, в горных условиях являются:

влияние увлажненной угольной и породной пыли, воздействие отравляющих примесей (каталитических ядов), содержащихся в рудничной атмосфере,

работа датчика в среде, содержащей высокие концентрации метана.

так называемый «человеческий фактор», то есть преднамеренные нарушения работоспособности

метанового датчика.

колебания влажности окружающей среды и атмосферного давления.

Влияние угольной и породной пыли приводит к увеличению сопротивления газообменного фильтра. Показано, что введение дополнительного сопротивления в виде калиброванного отверстия в стенке реакционной камеры способствует стабильности работы датчика, так как сопротивление фильтра диффузионному переносу метана в реакционную камеру датчика существенно меньше сопротивления калиброванного отверстия.

То есть незначительные изменения сопротивления фильтра вообще не сказываются на работе датчика. Если же сопротивление фильтра стало соизмеримо с сопротивлением отверстия, то при работе в предлагаемом динамическом режиме, в отличии от статического, выходной сигнал датчика будет расти. Возникающая в этом случае мультипликативная погрешность устраняется проведением коррекции, основанной на анализе изменения постоянной времени процесса.

Воздействие отравляющих компонентов (пары силиконовых соединений, сернистые соединения) сводится к снижению удельной каталитической активности датчика и уменьшению выходного сигнала. Удельная каталитическая активность входит в уравнение постоянной времени выгорания см. ур. (5), поэтому коррекция, основанная на анализе изменения постоянной времени, дает положительные результаты.

Выявлено, что в статическом режиме чувствительность датчика во время попадания в высокую концентрацию резко снижается, а после возвращения к нормальным условиям эксплуатации восстанавливается на 60-90% в зависимости от длительности газовой перегрузки. Известно, что это следствие так называемого эффекта зауглероживания каталитической поверхности

датчика, связанное с протеканием ряда реакций, идущих с недостатком кислорода, см. рис. 4.

<

Т(минуты)

Рис. 4. Выходной сигнал термокаталитического датчика метана при его работе в статическом режиме в 40% объемных долей СЬЦ. ( Зауглероживание).

При исследовании различных способов борьбы с образованием "коксика" при газовых перегрузках было установлено, что эффект зауглероживания значительно снижается при переходе от режима непрерывного процесса окисления на рабочем чувствительном элементе к динамическому режиму кратковременного контакта анализируемой метано-воздушной смеси с каталитически активной поверхностью, путем импульсного питания датчика. Определено, что для того, чтобы практически исключить образование «коксика», продолжительность кратковременного контакта, в течение которого происходит окисление метана и производится замер величины выходного сигнала, должна быть <3с, а время паузы между очередным импульсом, в зависимости от конфигурации, размеров и массы чувствительного элемента должно быть в 2-5 раз более, чем время контакта.

Суть такого поведения чувствительного элемента можно объяснить тем, что, в общем случае, при включении чувствительного элемента и нагреве его до рабочей температуры, реакция начинается на каталитически активной поверхности между адсорбированными молекулами метана и кислорода, затем переходит в объем пограничного слоя, достаточно прогретого джоулевым теплом. При этом при высоких концентрациях метана реакция идет с образованием сажи. В случае кратковременного включения чувствительного элемента реакция глубокого окисления происходит только на каталитически активной поверхности между адсорбированными молекулами кислорода и метана, пограничный слой не успел прогреться, термодинамическое равновесие не наступило, реакция не перешла в объем и разложение СН4 и СО с образованием С не происходит. См. рис. 5.

60

50

40

2 зо (О

20 10 0

0 2 4 6 8 10 Т(часы)

Рис. 5. Выходной сигнал термокаталитического датчика метана при его работе в динамическом режиме в 40% объемных долей метана (отсутствие зауглероживания).

Выявлено, что основные встречающиеся случаи преднамеренного нарушения работоспособности аппаратуры газового контроля сводятся к изменению сопротивления газообменного фильтра датчика, что равносильно ограничению доступа метановоздушной смеси к датчику:

В случае перемещения датчика в среду, не содержащую метан, или при полной изоляции датчика от атмосферы, проведение автоматического метрологического контроля неэффективно. Однако длительные нулевые показания должны вызвать внимание диспетчера, что делает такого рода вмешательство бессмысленным. Если же сопротивление газообменного фильтра увеличено незначительно, что является наиболее частым преднамеренным нарушением для датчиков, работающих в статическом режиме, то как уже указывалось в разделе 2, при переходе на предлагаемым метод измерения выходной сигнал датчика либо не изменится совсем, либо вырастет, вопреки ожиданиям нарушителей. В этом случае последующее применение автоматического метрологического контроля и коррекции сведет нарушение на нет.

Следует также отметить, что проведение подобной коррекции позволяет существенно снизить дополнительные погрешности измерения по влажности и давлению.

С переходом на динамический метод измерения, без применения мостовой измерительной схемы, становятся невозможными нарушения, связанные с разрегулированием 0.

Таким образом, рассмотрение всех часто встречающихся вредных воздействий условий эксплуатации, приводящих к возникновению дополнительных погрешностей измерения, показало возможность проведения контроля и коррекции выходного сигнала датчиков шахтных стационарных метанометров на основании анализа временных характеристик переходного процесса частичного выгорания метана в реакционной камере.

В пятом разделе обоснован допустимый уровень изменения чувствительности элемента, требующий проведения коррекции и выбрана частота проведения метрологического контроля.

На основании многолетнего опыта эксплуатации термокаталитических датчиков в аппаратуре АМТ-3 и комплексе «Метан» было рассмотрено несколько вариантов решения этой задачи, в результате был выбран следующий регламент получения контрольной метрологической информации и проведения коррекции чувствительности метановых датчиков:

1. Погрешность измерения концентрации метана вычисляется в каждом цикле измерения, что обуславливается простотой

программного обеспечения такого решения. Согласно результатам, приведенным в разделах 4.1, 4.2, за численное значение погрешности 8 можно принять выраженное в процентах отношение постоянных времени (нормативной и замеренной), или отношение временных интервалов, вычисленное по формуле: 5 = (1- т^/тО« 100% (8)

2. Результаты вычисления погрешности усредняются по формуле среднего арифметического 8 = 1/п Х§ .

3. Начиная с п =10, в каждом цикле измерений усредненная погрешность 8 сравнивается с значением 3%. В случае 8 > 3% проводится необходимая коррекция чувствительности датчика метана. Величина 3% обусловлена верхней границей измерений (3%) и разрешенной абсолютной погрешностью (0.1%).

Заключение.

На основании анализа литературных и фондовых материалов, теоретических и экспериментальных исследований в работе получены следующие результаты:

1. Показано, что применение методов и средств автоматического метрологического контроля и коррекции чувствительности датчиков метана способствует повышению надежности газоаналитической аппаратуры и снижению вероятности взрывов и вспышек метана. При этом также на 1/3 снижаются затраты на обслуживание систем аэрогазового контроля.

2. Для термокаталитических датчиков шахтных метанометров, работающих непрерывно в метановоздушной среде, разработан комбинированный метод функционирования, осуществляющий одновременно процессы измерения, определения величины погрешности и автоматической коррекции выходного сигнала при сверхнормативных значениях погрешности. Все процессы не требуют применения калиброванных ПГС.

3. Предложена и обоснована реализация метода, путем организации работы датчика диффузионного типа с ограниченными объемом реакционной камеры и доступом в нее анализируемой смеси в динамическом режиме (попеременное включение и выключение

напряжения питания). Непрерывно повторяющиеся единичные циклы длительностью не более 8 сек., включают в себя периоды импульса тока продолжительностью до 2 сек. и паузы-до беек.

4. Показано, что в период импульса тока переходный процесс, отражающий тепломассообмен внутри реакционной камеры, имеет три четко выраженных области, и только одна из них - область диффузионной релаксации - является информативной для определения истинного значения концентрации метана и величины погрешности измерений.

5. Составлена математическая модель процессов массопереноса в реакционной камере для области диффузионной релаксации. На основании уравнений математической модели разработана методика определения истинного значения концентрации метана и величины погрешности измерений по разностному выходному сигналу в фиксированных точках переходного процесса и изменению временных характеристик относительно нормированных значений, полученных при первичной калибровке.

6. На базе методики разработан алгоритм и программный продукт, реализующий в одном измерительном цикле функции измерения, диагностики и коррекции показаний. Современная микроэлектронная элементная база позволила существенно повысить точность измерения и устранить влияние электрических и тепловых шумов путем усреднения 10 замеров, проведенных с частотой 10 кГц.

7. Установлено, что погрешность измерения, определяемая согласно методу, является суммарной, отражающей значения как основной, так и всех дополнительных погрешностей, связанных с отравлением «ядовитыми» газами и парами, влиянием изменения параметров рудничной атмосферы, не санкционированными воздействиями на поступающий в датчик диффузионный поток анализируемой метано-воздушной смеси.

8. Выявлено, что современные процессоры позволяют вычислять значение погрешности в каждом цикле измерений. За величину, эквивалентную погрешности, при этом принимают выраженное в процентах отношение постоянных времени (замеренного и эталонного) или отношение временных интервалов, в зависимости от выбранного алгоритма вычисления. Чтобы избежать

неоправданно частых коррекций выходного сигнала, усредняется значение погрешности не менее 10 замеров.

Исходя из подготавливаемых к введению новых требований ГОСТ по абсолютной погрешности измерений (0.1%об.дол.СН4) и шкалы измерений (0-3%об.дол.СН4), пороговое значение погрешности, требующее проведения коррекции выходного сигнала - 3%.

9. Основные положения работы использованы при конструировании компьютерно-аппаратного стенда, на котором проводились приведенные в работе исследования, а также действующего макета шахтного метанометра, разработанного в НТЦ ИГД, осуществляющего непрерывный контроль и коррекцию выходного сигнала без применения ПГС и чистого воздуха. Лабораторные испытания макета дали положительные результаты.

10.Федеральный Институт Промышленной Собственности (ФИПС)признал разработанный метод изобретением (положительное решение по заявке N 2001124017/28 (026100) от 13.01.03.).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах автора:

1. Исследование термокаталитического датчика метана, работающего в динамическом режиме // ННЦ ГП - ИГД им. A.A. Скочинского // Рудничная аэрология и промышленная безопасность. -М.: Институт горного дела им. Скочинского, 2001. - №319. - С. 202 -213.

2. О работе термокаталитического датчика СН4 при высоких концентрациях метана //Науч. сообщ. ННЦ ГП - ИГД им. A.A. Скочинского // Рудничная аэрология и промышленная безопасность -М.: Институт горного дела им. Скочинского, 2000. - №315. - С. 118124. (в соавторстве с Е.Е.Карповым).

3. Исследование термокаталитических сенсоров горючих газов и паров, работающих в динамическом режиме. // Сенсор. - М.: AHO ИРИСЭН, 2001. - С.31- 42. (в соавторстве с Е.Ф.Карповым, Е.С.Харламочкиным).

4. Расширение информативности шахтных термокаталитических метанометров. //ННЦ ГП - ИГД им. A.A. Скочинского. - М., 2002. - Принято на депонирование № 6098 (в соавторстве с Е.Ф.Карповым, Е.Е.Карповым, Е.С.Харламочкиным).

5. Пути совершенствования шахтных термокаталитических метанометров // Сенсор. - М.: AHO ИРИСЭН, 2002, № 4. - С.23- 30. (в соавторстве с Е.Ф.Карповым, Е.Е.Карповым, Е.С.Харламочкиным).

4

Подписано в печать 20.10.2003.формат 60x90 /16. Печать цифровая. Бумага «Performer» Объем 1печ.л. Тираж 100экз.3аказ110 Отпечатано типография Московского Горного государственного университета Москва, Ленинский проспект д 6

*17 15 1

i

<г

Введение

1. Анализ состояния газовой защиты на угольных шахтах и других объектах промышленности . Пути повышения ее эффективности . Задачи и методика исследований.

1.1 Причины воспламенения метана и пути их предупреж- 12 дения . Аппаратура и методы борьбы с метаном в шахтах.

1.2 . Анализ существующих способов и средств контроля работоспособности средств автоматического контроля метана.

1.3 Цель задачи и методика исследований.

2. Разработка метода автоматического метрологического контроля и коррекции чувствительности стационарных датчиков метана.

2.1 Перспективные пути развития аппаратуры контроля метана.

2.2 Исследование термокаталитического датчика метана, работающего в динамическом режиме. ( составление математической модели)

3. Разработка методик и алгоритмов определения величины мультипликативной составляющей погрешности измерения и коррекции показаний термокаталитического датчика метана.

Экспериментальная проверка полученных результатов.

3.1 Методика определения величины мультипликативной составляющей основной погрешности измерения и проведения коррекции показаний термокаталитичекого датчика метана, использующая вычисление постоянной времени переходного процесса.

3.2 Методика определения величины мультипликативной составляющей основной погрешности измерения и проведения коррекции показаний термокаталитичекого датчика метана, без определения постоянной времени переходного процесса.

3.3 Математическая обработка данных полученных в результате экспериментов.

3.4 Ограничения по применению разработанных методик.

3.5 Разработка алгоритма проведения измерения , метрологического контроля и коррекции показаний метанометра, разработка функциональной схемы прибора реализующего алгоритм.

4. Анализ причин, приводящих к ухудшению работоспособности датчиков метана, эксплуатируемых в горных условиях.

4.1 Влияние увлажненной угольной и породной пыли на работу термокаталитического датчика метана.

4.2 Воздействие отравляющих примесей (каталитических ядов), содержащихся в рудничной атмосфере, на работу термокаталитического датчика метана.

4.3 Влияние среды содержащей высокие концентрации метана на работоспособность термокаталитического датчика метана.

4.4 Анализ преднамеренных нарушений работоспособности аппаратуры газовой защиты.

5. Обоснование частоты проведения контроля и уровня изменения чувствительности элемента необходимого для проведения коррекции.

Ф В настоящее время в России эксплуатируется около 100 шахт признанных опасными по выделению метана. Участившиеся за последние годы серьезные аварии, повлекшие гибель шахтеров, говорят о том, что оборудование, обеспечивающее безопасность работ на этих шахтах, либо морально устарело, либо просто физически изношено. Это обусловлено тем, что большое количество заводов и производств шахтной автоматики осталось на территории государств, входивших в состав бывшего СССР, а оставшиеся в России испытывают серьезные экономические трудности. Поскольку оснащение шахт импортным оборудованием - чрезвычайно дорогостоящая задача, особую актуальность приобретают разработки и решения, позволяющие достигнуть мирового уровня безопасности с помощью отечественной аппаратуры.

Одним из инструментов инженерно-технического контроля за f содержанием метана в шахтной атмосфере являются интерферометры типа ШИ-3 , ШИ-5, ШИ-10, ШИ-11, ШИ-12 (Чурилов А.А., Центарский | И.А., Роут Г.Н., Глазов Д.Д.,1993, с.177), основанные на оптическом ! принципе действия. Действительно, приборы этого класса имеют ряд достоинств: при эксплуатации нет необходимости в частой калибровке прибора, удобный диапазон измерений - от 0 % до 6% объемных долей метана (перекрывается нижний предел взрываемости метановоздушных смесей), а при концентрациях, превышающих 6% | объемной доли метана, интерферометры показывают так называемую "белую шкалу", что позволяет применять их не только в забоях и выработках, но и в куполах, пазухах и других местах скопления метана.

Основными же недостатками этой аппаратуры являются сравнительно крупные габариты и масса, субъективность зрительной оценки показаний, (интерфереционная картинка требует стабильного хорошего зрения), а также необходимость принудительной подачи анализируемых газовых смесей к прибору с помощью специальных пробоотборников. Оптические приборы требуют применения специальных фильтров для удаления из проб угольной пыли и прочих не измеряемых газовых компонентов, так как они пригодны только для анализа бинарных смесей, что неприемлемо для многих отраслей промышленности.

Все эти недостатки привели к тому, что для непрерывного контроля содержания метана в горных выработках угольных шахт, в атмосфере зданий и сооружений, связанных с добычей, транспортированием и использованием природного газа, а также в нефтяной, нефтеперерабатывающей, химической и других отраслях промышленности, где в процессе производства возможно появление и скопление горючих газов и паров, наибольшее распространение получили газоанализаторы метана и других горючих газов и паров, основанные на термокаталитическом принципе с диффузионным подводом анализируемой газовой смеси и использованием чувствительных элементов пелисторного типа.

Широкому распространению термокаталитических метанометров и газоанализаторов горючих газов и паров диффузионного типа с пелисторными чувствительными элементами способствовали простота конструкции датчика; высокая чувствительность и селективность к горючим газам и парам; возможность определения взрывоопасности среды, включающей сумму горючих газов и паров; малое потребление электрической энергии, простота обслуживания, более низкая стоимость по сравнению с приборами, основанными на других принципах действия.

Масштабность применения только шахтных термокаталитических метанометров может быть проиллюстрирована на примере угольной промышленности быв. СССР, где на 400 угольных шахтах, опасных по газу и пыли, постоянно в эксплуатации находилось более 25000 стационарных метанометров, около 80000 портативных переносных метанометров и более 160000 индивидуальных метанометров, встроенных в фару головных светильников (в среднем на каждой шахте эксплуатируется порядка 60-70 стационарных метанометров, около 200 портативных и 400 индивидуальных метанометров). Примерно такое же распространение получили шахтные метанометры построенные на термокаталитическом принципе во всех странах с развитой угольной промышленностью (Китай, Япония, США, Великобритания, ЮАР, Индия, Австралия, Польша и др.).

Наряду со многими преимуществами термокаталитических датчиков - они обладают также и рядом недостатков, связанных как с несовершенством технологий изготовления идентичных по своим характеристикам чувствительных элементов, так и неодинаковостью последующего поведения этих элементов во времени - одни более подвержены старению и постепенной потере чувствительности, другие при тех же условиях эксплуатации более стойки и сохраняют первоначальное значение чувствительности значительно дольше.

Другой недостаток, присущий в большей или меньшей степени всем катализаторам, связан с подверженностью их отравлениям и частичной или полной потере чувствительности при работе в атмосфере, содержащей "каталитические яды" (пары различных силиконовых соединений, сероводород, другие сернистые соединения и пр.). Так как в большинстве термокаталитических газоанализаторов используются мостовые измерительные схемы, то еще одним недостатком является "дрейф нуля".

Вследствие указанных недостатков, термокаталитические метанометры в процессе эксплуатации требуют достаточно частой периодической метрологической поверки, в процессе которой определяется аддитивная погрешность, обусловленная дрейфом "нуля" и мультипликативная погрешность, появляющаяся в результате изменения чувствительности (как правило, её снижения).

При превышении нормативных значений погрешностей производится соответствующая корректировка показаний. Процедура метрологической поверки, особенно для шахтных стационарных метанометров, достаточно трудоемка, связана с продувкой реакционной камеры датчиков стандартной поверочной газовой смесью (ПГС) и чистым воздухом, доставляемых к месту установки стационарных датчиков в специальных баллончиках или кислородных подушках. Все операции по метрологической поверке выполняются обслуживающим персоналом вручную, что приводит к значительным затратам рабочего времени, связанным с хождением по горным выработкам, протяженность которых в среднем на шахте составляет 50-60 км и проведением самой процедуры поверки. Следует также отметить, что калибровка с помощью ПГС требует дополнительных денежных затрат на приобретение соответствующего оборудования (баллончики, редукторы, кислородные подушки), периодическое заполнение баллончиков поверочными газовыми смесями и транспортировку их к пунктам централизованного приготовления ПГС.

На каждой шахте численность персонала, обслуживающего системы контроля рудничной атмосферы составляет 10-20 человек. Удельный вес стационарных метанометров в этих системах достаточно высок и, как правило, составляет 60-80%. На поверочные операции задалживаеся не менее 50% рабочего времени обслуживающего персонала.

Поэтому весьма актуальной является задача автоматизации контроля за чувствительностью датчиков стационарных шахтных метанометров , а также проведения автоматической коррекции их показаний , что позволило бы избежать дорогостоящих и трудоемких поверочных операций, исключить присутствие и участие в процедуре поверки обслуживающего персонала, что в свою очередь, во-первых исключает субъективный фактор, во-вторых высвобождает часть обслуживающего персонала, создавая значительный экономический эффект.

Попытки решить эту проблему неоднократно предпринимались во всех угледобывающих странах. К ним можно отнести такие разработки как: предлагаемый американской фирмой MSA вариант дистанционной калибровки аппаратуры, основанный на использовании размещенных в месте установки датчиков баллончиков с ПГС и чистым воздухом; разработанный в ИГД им. Скочинского в 80-е годы метод дистанционной комплексной проверки термокаталитического датчика, включающий определение погрешности измерения концентрации метана и отклонения нуля датчика с использованием метана, содержащегося в анализируемой атмосфере и т.п.

Однако ни один из перечисленных путей не решал проблему полностью, а по ряду технических и организационных причин серийное производство подобной аппаратуры не производилось.

Целью диссертационной работы является разработка метода автоматического метрологического контроля выходного сигнала термокаталитического датчика метана, включающая обоснование и выбор параметров и режимов работы, обеспечивающих реализацию метода. А также разработка способа автоматической коррекции выходного сигнала термокаталитического датчика шахтных метанометров, не требующего применения стандартных поверочных газовых смесей ( ПГС) и чистого воздуха.

Другой целью является разработка алгоритма, регламентирующего реализацию указанного метода с помощью современных средств микропроцессорной техники.

Идея работы состоит в отказе от классической оценки выходного сигнала по его абсолютной величине и переход на измерение разницы сигналов в двух разнесенных по времени точках переходного процесса частичного выгорания метана на чувствительном элементе в реакционной камере датчика с ограниченным диффузионным доступом анализируемой метановоздушной смеси. Переход от статического метода измерения к динамическому позволяет не только судить о величине выходного сигнала, но и по характеристикам переходного процесса оценить качественно и количественно изменение чувствительности датчика, определить погрешность измерений и провести автоматическую коррекцию выходного сигнала, если значение погрешности превышает нормативное значение.

Методы исследований: аналитическое обобщение литературных и фондовых материалов, составление, решение и анализ дифференциальных уравнений математической модели газового баланса в реакционной камере, компьютерное моделирование, опытное физическое моделирование в лабораторных условиях. Научные положения , защищаемые в работе: метод автоматического метрологического контроля и коррекции выходного сигнала термокаталитического датчика метана шахтных метанометров, позволяющий непрерывно отслеживать погрешность измерений и провести автоматическую коррекцию выходного сигнала, если значение погрешности превышает нормативное значение; выбранные и научно обоснованные параметры термокаталитического датчика и режимы его работы, обеспечивающие реализацию метода метрологического контроля и коррекции показаний чувствительного элемента без применения стандартных ПГС и чистого воздуха; математическая модель датчика метана с ограниченным доступом метано-воздушной смеси в реакционную камеру; алгоритм метода автоматического метрологического контроля и коррекции показаний датчика метана, находящегося в метано-воздушной смеси любой концентрации в пределах диапазона измерений, регламентирующий реализацию метода с помощью современных средств микропроцессорной техники; экспериментальный компьютерно-аппаратный образец шахтного метанометра, реализующий предложенный алгоритм контроля и автоматической коррекции показаний датчика метана, находящегося в метано-воздушной смеси любой концентрации в пределах диапазона измерений.

Достоверность научных положений обоснована сходимостью результатов аналитических и экспериментальных исследований, проведенных на лабораторных макетах .

Научная новизна. Впервые предложен метод получения информации о работоспособности и точности показаний датчика метана непосредственно во время измерения, с помощью метана, содержащегося в рудничной атмосфере, исключающий применение ПГС, чистого воздуха и каких - либо тестовых воздействий; установлена взаимосвязь между параметрами переходного процесса газообмена в реакционной камере, соединенной с атмосферой калиброванным эквивалентным отверстием, и чувствительностью датчика; разработан алгоритм коррекции выходного сигнала датчика, позволяющий определить истинную концентрацию метана в момент измерения.

Практическая ценность. Применение предложенного метода автоматического метрологического контроля и коррекции позволяет повысить надежность работы термокаталитических датчиков метана, за счет увеличения частоты поверочных операций, повышения точности показаний, исключения ручного труда и связанного с ним субъективного фактора при поверочных и регулировочных работах, сократив при этом численность обслуживающего персонала.

Реализация работы. Положения работы использовались при создании лабораторного компьютерно-аппаратного макета термокаталитического датчика метана с непрерывным контролем и коррекцией чувствительности.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и получили положительную оценку на XIV научно технической конференции с участием зарубежных специалистов «датчики и преобразователи информации и систем измерения, контроля и управления - датчик-2000» , на научном семинаре отделения рудничной аэрологии и борьбы с внезапными выбросами ИГД им. А.А. Скочинского.

Публикации. По результатам выполненых исследований опубликованно 5 статей, получено положительное решение Федерального Института Промышленной собственности (ФИПС) от 13 января 2003 года на выдачу патента РФ по заявке № 2001124017/28 (026100). и

Выводы:

На основании многолетнего опыта эксплуатации термокаталитических датчиков в аппаратуре АМТ -3 и комплексе «Метан», требований Российских стандартов к точности измерения шахтных стационарных метанометров и специфических особенностей предлагаемого алгоритма метрологического контроля и коррекции выходного сигнала термокаталитического датчика метана, выработан регламент получения контрольной информации и проведения коррекции чувствительности метановых датчиков.

Заключение.

На основании анализа литературных и фондовых материалов , теоретических и экспериментальных исследований в работе получены следующие результаты:

1. Показано , что применение методов и средств автоматического метрологического контроля и коррекции чувствительности датчиков метана способствует повышению надежности газоаналитической аппаратуры и снижению вероятности взрывов и вспышек метана. При этом также на 1/3 снижаются затраты на обслуживание систем аэрогазового контроля.

2. Для термокаталитических датчиков шахтных метанометров, работающих непрерывно в метановоздушной среде, разработан комбинированный метод функционирования, осуществляющий одновременно процессы измерения, определения величины погрешности, и автоматической коррекции выходного сигнала при сверхнормативных значениях погрешности. Все процессы не требуют применения калиброванных ПГС.

3. Предложена и обоснована реализация метода, путем организации работы датчика диффузионного типа с ограниченными объемом реакционной камеры и доступом в нее анализируемой смеси в динамическом режиме (попеременное включение и выключение напряжения питания). Непрерывно повторяющиеся единичные циклы длительностью не более 8 е., включают в себя периоды импульса тока продолжительностью до 2 с. и паузы-до 6с.

4. Показано, что в период импульса тока переходный процесс, отражающий тепломассообмен внутри реакционной камеры, имеет три четко выраженных области, и только одна из них - область диффузионной релаксации, является информативной для определения истинного значения концентрации метана и величины погрешности измерений.

5. Составлена математическая модель процессов массопереноса в реакционной камере для области диффузионной релаксации. На основании уравнений математической модели разработана методика определения истинного значения концентрации метана и величины погрешности измерений по разностному выходному сигналу в фиксированных точках переходного процесса и изменению временных характеристик относительно нормированных значений, полученных при первичной калибровке.

6. На базе методики разработан алгоритм и программный продукт, реализующий в одном измерительном цикле функции измерения, диагностики и коррекции показаний. Современная высокочастотная элементная база позволила существенно повысить точность измерения, устраняя влияние электрических и тепловых шумов путем усреднения 10 замеров проведенных с частотой ЮкГц.

7. Установлено, что погрешность измерения, определяемая согласно методу , является суммарной, отражающей значения как основной .так и всех дополнительных погрешностей, связанных с отравлением «ядовитыми» газами и парами; влиянием изменения параметров рудничной атмосферы; не санкционированными воздействиями на поступающий в датчик диффузионный поток анализируемой метано-воздушной смеси.

8. Выявлено, что современные процессоры позволяют вычислять значение погрешности в каждом цикле измерений. За величину, эквивалентную погрешности, при этом принимают выраженное в процентах отношение постоянных времени (замеренного и эталонного) или отношение временных интервалов, в зависимости от выбранного алгоритма вычисления. Чтобы избежать неоправданно частых коррекций выходного сигнала, усредняется значение погрешности не менее 10 замеров.

Исходя из новых требований ГОСТ по абсолютной погрешности измерений (0.1%об.дл.СН4) и шкалы измерений (0-3%об.дол.СН4), пороговое значение погрешности, требующее проведения коррекции выходного сигнала - 3%.

9. Основные положения работы использованы при конструировании компьютерно-аппаратного стенда, на котором проводились приведенные в работе исследования, а также действующего макета шахтного метанометра, разработанного в НТЦ ИГД .осуществляющего непрерывный контроль и коррекцию выходного сигнала без применения ПГС и чистого воздуха. Лабораторные испытания макета дали положительные результаты.

10. Федеральный Институт Промышленной Собственности (ФИПС)признал разработанный метод изобретением (положительное решение по заявке N 2001124017/28 (026100) от 13.01.03.).

1. Бабокин И.А., Вильчицкий В.В., Костарев А.П., Тимошенко А.Т. Бляхов И.А.( Кожанов Е.М., Маневич Ф.М. Сборник инструкций и других нормативных документов по технике безопасности для угольной промышленности. М.: Недра, 1978 . - 744с.

2. Бурдун Г.Д., Марков Б.Н. Основы метрологии // Учебное пособие для вузов . М.: Издательство стандартов, 1972 . - 312с.

3. Бурчаков А.С., Воробьев Б.М., Кузнецов К.К., Найдыш A.M., Некрасовский Я.Э., Лукьянов П.Ф., Борисов А.А. Технология подземной разработки пластовых месторождений полезных ископаемых . М.: Недра, 1969 . -711с.

4. Васильчук М П. Правила безопасности в угольных шахтах // РД 05 -94 95. - Самара : Самарский дом печати , 1995. - 242с.

5. Двайт Г. Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы. М.: Наука, 1977. - 224с.

6. Капелюшников Г.И., Колосюк В.П., Боброва Л. С. Приборы и защитные средства по технике безопасности. Справочник. М.: Недра , 1991. -255с.

7. Карпов Е.Ф. Физико-технические основы автоматической защиты от выделений метана. М.: Наука, 1981. - 183с.

8. Карпов Е.Ф., Биренберг И.Э., Басовский Б.И., Попов В.В. Способ диагностического контроля термокаталитического датчика // Патент США № 4.314.475 от 09.02.1982.

9. Карпов Е.Ф., Биренберг И.Э., Басовский Б.И. Автоматическая газовая защита и контроль рудничной атмосферы . М.: Недра, 1984. -285с.

10. Карпов Е.Ф., Басовский Б.И. Контроль проветривания и дегазации в угольных шахтах. М.: Недра, 1994. -335с.

11. Карпов Е.Ф., Харламочкин ЕС., Карпов Е.Е.( Сучков А.А. Исследование термокаталитических сенсоров горючих газов и паров , работающих в динамическом режиме. // Сенсор. М.: АНО ИРИСЭН, 2001. -С.31-42.

12. Лидин Г.Д. Дегазация угольных шахт // Справочник по рудничной вентиляции. М.: Недра , 1977. - С.19 - 25.

13. Марголис А.Я. Гетерогенное каталитическое окисление углеводородов. М.: Наука , 1972 .

14. Мясников А.А, Носик М.И., Бугримов В.И. Улучшение газового режима угольных шахт. Кемерово: Кемеровское книжное издательство, 1977. - 128с.

15. Мясников А.А., Стариков С.П., Чикунов В.И. Предупреждение взрывов газа и пыли в угольных шахтах. М.: Недра, 1985. - 205с.

16. Петросян А.Э. К вопросу о зависимости газового давления в пластах угля от глубины их залегания // Проблемы рудничной аэрологии. М.: Издательство АН СССР, 1963г. - С.98 -106.

17. Петросян А.Э., Сергеев И.В. Метод расчета газообильности выработок при применении выемочных агрегатов // Проблемы рудничной аэрологии. М.: Издательство АН СССР, 1963. - С.107-112.

18. Попов В.В. Исследование и разработка способа поверки средств газовой защиты в угольных шахтах: Дис. . канд. техн. наук. М., 1980. -163с.

19. Попов В.В. Исследование и разработка способа поверки средств газовой защиты в угольных шахтах: Автореферат дис. . канд. техн. наук. М., 1980.-18с.

20. Правила безопасности в угольных и сланцевых шахтах. М.: Недра, 1986. - 400с.

21. Правила безопасности в угольных шахтах.// РД 05-94-95 -М.: Недра, 1995 -350с.

22. Равич М.Б. Топливо и эффективность его использования. М.: Наука, 1971. -357с.

23. Руководство по оборудованию и эксплуатации многофункционального информационно-управляющего комплекса «Микон 1Р». Екатеринбург, 1997. - 107с.

24. Сергеев И.В. К расчету газообильности подготовительных выработок // Проблемы рудничной аэрологии. М.: Издательство АН СССР, 1963 г. - С.117-121.

25. Соболев Г.Г. Горноспасательное дело. М.: Недра, 1972. - 359с.

26. Ушаков К.З. Справочник по рудничной вентиляции. М.: Недра, 1977. -327с.

27. Чурилов А.А. Центарский И.А., Роут Г.Н., Глазов Д.Д. Горнорабочий очистного забоя угольной шахты // Справочник рабочего. М.: Недра, 1993. -235с.

28. MSA , Automatic standardiser for methan monitors // Mine Safety Appliances Company ,-Pittsbyrg. Pennsilvania, USA, 1979, 15 March -44pp.