CC BY
24
III. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ БЕЗОПАСНОСТИ ГОРНЫХ РАБОТ TECHNOLOGICAL QUESTIONS OF MINING WORK SAFETY
УДК 536.521: 614.841.45
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРА С ОПТИЧЕСКИМИ ЗАТВОРАМИ
В статье описаны методы экспериментального определения некоторых параметров оптико-электронного прибора с оптическими затворами: времени обнаружения очага взрыва и показателя визирования. Эксперименты проводятся с использованием экспериментальной установки для проведения взрывов. Приведены результаты определения параметров времени обнаружения очага взрыва и показателя визирования оптико-электронного прибора с оптическими затворами.
Ключевые слова: ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРИБОР, НАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА, ОЧАГ ВЗРЫВА, ВРЕМЯ ОБНАРУЖЕНИЯ, ПОКАЗАТЕЛЬ ВИЗИРОВАНИЯ
I ВВЕДЕНИЕ
Одним из наиболее опасных проявлений техногенных катастроф являются пожары и взрывы пылега-зовых горючих смесей с воздухом. На промышленных объектах с пожаро-и взрывоопасной средой возможно возникновение аварийных ситуаций с человеческими жертвами, материальными потерями и разрушениями.
На кафедре методов и средств измерений и автоматизации (МСИА) Бийского технологического института ФГБОУ ВО «АлтГТУ им. И.И. Ползунова» разрабатываются оптико-электронные приборы (ОЭП) для автоматических систем взрывопо-давления, основной областью применения которых являются угольные шахты [1,2]. Актуальной задачей является проведение натурных испытаний разработанных приборов с целью определения их технических параметров в условиях, близких к реальным условиям эксплуатации.
При проектировании и тестировании ОЭП обнаружения взрыва возникает необходимость их проверки не только в лабораторных условиях, но и в условиях, близких к реальным условиям эксплуатации.
Это возможно лишь при проведении экспериментальных взрывов пыле-газовоздушной смеси, соответствующей потенциальному охраняемому объекту. Поскольку проведение экспериментальных взрывов на реальных охраняемых объектах является нереализуемой задачей, в мировой практике подобные исследования проводят на экспериментальных установках. На сегодняшний день на кафедре МСИА БТИ АлтГТУ разработана и изготовлена установка для проведения экспериментальных взрывов пылегазовоздушных смесей [3,4].
Целью работы является экспериментальное исследование времени обнаружения очага взрыва оптико-электронным прибором с оптическими затворами [5], а также показателя визирования ОЭП.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие частные задачи:
- разработать метод определения времени обнаружения очага взрыва;
- разработать метод определения показателя визирования ОЭП обнаружения взрыва;
- провести серию эксперимен-
Е. В. Сыпин
канд. техн. наук, доцент, профессор кафедры Бийского технологического института (филиала) ФГБОУ ВО «АлтГТУ им. И.И. Ползунова»
Г. В. Леонов
д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой Бийского технологического института (филиала) ФГБОУ ВО «АлтГТУ им. И.И. Ползунова»
Рисунок 1 - Функциональная схема экспериментальной установки: 1 - исследуемый ОЭП; 2 - реакционный сосуд установки; 3-10, 12-36 - измерительные датчики; 11 - система воспламенения; 37 -
ресивер; 38 - смеситель; 39 - блок управления.
тов для определения времени обнаружения очага взрыва и показателя визирования ОЭП.
II ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
На рисунке 1 представлена функциональная схема [6] экспериментальной установки для проведения взрывов пылегазовоздушных смесей
Поджигание пылегазовоздушной
смеси осуществляется в нижней части реакционного сосуда [7], исследуемый ОЭП (поз. 1) устанавливается в верхней части. В зависимости от вида проводимого эксперимента в качестве измерительных датчиков 3-10 могут использоваться датчики температуры или потока излучения. Измерительные датчики 12-36, представляющие собой датчики потока излучения, устанавливаются в нижней крышке реакционного сосуда и предназначены для определения формы фронта очага взрыва. Блок управления 39 выполняет следующие функции [8]:
- предварительное усиление и фильтрация сигналов с измерительных датчиков;
- аналогово-цифровое преобразование входных сигналов;
- управление подачей сигнала на запуск системы воспламенения 11;
- регистрация и обработка измерительной
информации [9];
- синхронизация работы функциональных блоков системы [10].
Для синхронизации работы и последующей обработки информации сигнал с системы воспламенения поступает на блок управления. Необходимая рабочая пылегазовоздушная смесь подготавливается в смесителе 38, после она подается в ресивер 37 для достижения требуемого давления.
При проведении натурных испытаний ОЭП для обнаружения взрыва необходимо измерять время обнаружения очага взрыва в условиях, близких к реальным условиям эксплуатации [11]. Определение времени обнаружения на установке для проведения экспериментальных взрывов заключается в определении разности между моментом инициации взрыва устройством воспламенения и моментом возникновения импульса на выходе сигнализации о наличии очага возгорания исследуемого прибора. При таком методе время обнаружения зависит от условий проведения экспериментальных взрывов, влияющих на скорость развития очага возгорания на ранней стадии.
Для экспериментального определения времени обнаружения очага возгорания необходимо установить источник воспламенения
78
и исследуемый прибор и осуществить не менее пяти экспериментальных взрывов с регистрацией сигналов устройства воспламенения и выходного сигнала исследуемого ОЭП, не изменяя условий эксперимента. Для визуального наблюдения процесса развития взрыва в верхнюю крышку реакционного сосуда необходимо установить скоростную видеокамеру [12], сфокусировав ее на источнике воспламенения. Обработка результатов экспериментов заключается в выполнении следующих действий:
1. Определение разности между моментом инициации взрыва устройством воспламенения и моментом возникновения импульса на выходе сигнализации о наличии очага возгорания
t„ L
t для каждого
исследуемого ОЭПК эксперимента.
2. Вычисление выборочного среднего значения [13] как наилучшей оценки истинного значения t ■ на основе полученной
сраб
ограниченной статистической выборки:
- 1 М
* = N § (1)
3. Вычисление опытного среднеквадрати-ческого отклонения а: _
ст< ='
N (N -1)
(2)
4. Определение табличного значения коэффициента Стьюдента га и нахождение абсолютной погрешности [14] при доверительной вероятности Р = 0,95 по числу проведенных измерений N
. (3)
На рисунке 2 представлены характеристики устройства воспламенения и выходной сигнал
исследуемого ОЭП, полученные в одном из экспериментов при концентрации угольной пыли 200 г/м3.
В результате анализа скоростной видеосъемки процесса развития взрыва измерены значения диаметра очага взрыва в процессе его развития на ранней стадии. В таблице 1 представлены результаты измерений при различной концентрации угольной пыли в реакционном сосуде экспериментальной установки. Полужирным начертанием выделены размеры очага взрыва в момент его обнаружения прибором и в момент выработки прибором выходного сигнала об обнаружении.
В результате проведения экспериментов выявлено, что диаметр очага взрыва, при котором прибор устойчиво срабатывает, составляет примерно 170 мм. Указанное значение получено на расстоянии 2 м от очага возгорания до прибора. Диаметр очага, при котором прибор устойчиво срабатывает, определяется показателем визирования, зная который можно определить диаметр очага на любом расстоянии от прибора. Максимальная скорость развития взрыва на экспериментальной установке зарегистрирована при концентрации угольной пыли, составляющей 200 г/м3. При этом за время, необходимое прибору на выработку выходного сигнала, очаг возгорания увеличивается в диаметре примерно на 30 мм.
При использовании пирометра в качестве ОЭП для обнаружения взрыва важным параметром является показатель визирования. Согласно ГОСТ 28243-96 [15] показатель визирования - это отношение минимального диаметра круга в плоскости излучателя,
Рисунок 2 - Экспериментальные характеристики при определении времени обнаружения очага взрыва: 1 - выходной сигнал исследуемого ОЭП; 2 - сигнал устройства воспламенения
79
1=1
Таблица 1 - Диаметр очага взрыва в зависимости от времени развития взрыва и концентрации
угольной пыли (мм)
Концентрация угольной пыли, г/м3 Время, мс Время обнаружения, мс
2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 25
0 0 15 30 50 75 90 105 115 130 145 49±2
100 0 30 70 120 140 150 170 180 200 230 22±2
200 0 40 80 130 150 170 185 200 230 260 20±2
перпендикулярной к оптической оси пирометра, к расстоянию от плоскости излучателя до переднего среза объектива. В данном случае под диаметром круга подразумевается минимальный, но достаточный диаметр сечения очага возгорания для измерения температуры пирометром в пределах допускаемой основной погрешности.
Определение показателя визирования осуществляется одновременно с определением времени обнаружения очага возгорания в результате сопоставления времени обнаружения прибором очага взрыва и линейного размера очага, полученного в результате анализа скоростной видеосъемки процесса развития взрыва. По кадрам видеосъемки также можно определить форму и диаметр фронта пламени на ранней стадии развития взрыва.
Расчёт показателя визирования ОЭП для обнаружения очага взрыва при данном способе определения зависит от скорости распространения фронта пламени, поскольку за промежуток времени между моментом регистрации прибором очага взрыва и моментом выработки прибором выходного сигнала размер очага взрыва увеличивается. Для измерения показателя визирования прибора необходимо определить линейный размер фронта пламени в момент времени, определяемый следующим выражением:
t б =t -t о
оон вых срао
(4)
где Гвьх - момент выработки прибором сигнала об обнаружении возгорания;
- быстродействие прибора, измеренное в
срао
лабораторных условиях.
Время Гсраб включает быстродействие фотодиодов, составляющее не более 3 мкс, кото-
рым можно пренебречь при определении показателя визирования.
Показатель визирования (ПВ) на основе полученных экспериментальных данных рассчитывается по следующей формуле:
™ " Т (5)
где D - диаметр очага взрыва на ранней стадии в момент времени to6H, мм; L - расстояние между устройством воспламенения и объективом исследуемого ОЭП, мм.
По результатам проведения серии измерений показателя визирования в условиях, близких к реальным условиям эксплуатации, при обнаружении очага взрыва на экспериментальной установке, показатель визирования прибора составил ПВ = 1:12 при доверительной вероятности 95%.
III ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате выполнения работы разработаны методы экспериментального определения времени обнаружения очага взрыва и показателя визирования оптико-электронного прибора с использованием экспериментальной установки для проведения взрывов пылегазвоздушных смесей. В результате проведения серии экспериментальных взрывов определены следующие параметры ОЭП:
- диаметр очага взрыва, при котором ОЭП устойчиво срабатывает: 170 мм;
- время обнаружения очага взрыва: 2049 мс (при увеличении концентрации угольной пыли в горючей смеси время обнаружения уменьшается);
- показатель визирования ОЭП обнаружения взрыва: 1:12.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Миханошина, Ю.Л. Проектирование интеллектуальной автоматической системы точечного адаптивного пожаротушения / Ю.Л. Миханошина, Е.В. Сыпин // Южно-Сибирский научный вестник. -2013. - № 2. - С. 108-111.
2. Сидоренко, А.И. Методы повышения точности определения координат пирометрическим датчиком с полевой диафрагмой / А.И. Сидоренко, А.Н. Павлов, Е.В. Сыпин // Южно-Сибирский научный вестник. - 2013. - № 2. - С. 112-116.
80
3. Sidorenko, A.I. Automated Control System of Experimental Unit For Exercise of Dust-Gas-Air Mixture Explosions / A.I. Sidorenko, I.S. Zorin, A.N. Pavlov, E.V. Sypin // 14th International conference of young specialists on micro/nanotechnologies and electron devices EDM 2013: Proceedings. - Novosibirsk: NSTU, 2013. - P.249-252.
4. Sidorenko A.I. Plant for Research of Parameters of Optoelectronic Detectors for Detection of DustGas-Air Mixture Explosions / A.I. Sidorenko, A.N. Pavlov, E.V. Sypin // International conference and seminar on micro/nanotechnologies and electron devices EDM'2011: Conference proceedings. - Novosibirsk: NSTU, 2011. - P.339-342.
5. Сидоренко, А.И. Оптическая система координатного пирометрического датчика обнаружения очага возгорания с оптическими затворами / А.И. Сидоренко, А.Н. Павлов, Е.В. Сыпин // Южно-сибирский научный вестник. - 2012. - №2 (2). - С.161-164.
6. ГОСТ 21.404-85 Автоматизация технологических процессов. Обозначения условные приборов и средств автоматизации в схемах. - М.: ИПК Издательство стандартов, 1985.
7. Мамаев, В.И. Предупреждение взрывов пылеметановоздушных смесей / В.И. Мамаев. - М.: Недра, 1990. - 159 с.
8. Клюев, А.С. Проектирование систем автоматизации технологических процессов: справочное пособие / А.С. Клюев - М.: Высшая школа, 1990 -318с.
9. ОВЕН. Оборудование для автоматизации [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://www. owen.ru/
10. ООО «Л КАРД». Индустриальные системы управления и сбора данных [Электронный ресурс].
- Режим доступа: http://www.lcard.ru/
11. Шаровар, Ф.И. Методы раннего обнаружения загораний / Ф.И. Шаровар. - М.: Стройиздат, 1988. - 336 с.
12. FASTVIDEO Оборудование для скоростной съемки. Скоростная камера Fastvideo-400 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.fastvideo.ru/products/vga/fv400.htm
13. Дробот П.Н. Теория ошибок и обработка результатов измерений: учеб. Пособие / П.Н. Дробот.
- Томск: Изд-во Томск. гос. ун-та систем упр. и радиоэлектроники, 2011. - 84 с.
14. Сергеев, А.Г. Метрология: учебник / А.Г. Сергеев. М.: Логос, 2005. - 272 с.
15. ГОСТ 28243-96 Пирометры. Общие технические требования. - М.: ИПК Издательство стандартов, 2003. - 8 с.
OPTOELECTRONIC DEVICES WITH
OPTICAL SHUTTERS PARAMETERS
EXPERIMENTAL EVALUATION
Sidorenko A. I., Sypin Ye. V., Leonov G. V.
The article describes some optoelectronic Сидоренко Антон Игоревич
device with optical shutters parameters experimental e-mail: sai@bti.secna.ru
identification methods: time of explosion spot
detection and sighting index. The experiments Сыпин Евгений Викторович
were conducted using the experimental apparatus e-mail: sev@bti.secna.ru
for carrying out the explosions. The results of
determining the explosion spot detection time Леонов Геннадий Валентинович
parameters and optoelectronic device with optical e-mail: leonov@bti.secna.ru
shutters sighting index are given.
Key words: OPTOELECTRONIC DEVICE,
ON-SITE TESTS, EXPERIMENTAL EVALUATION,
EXPLOSION SPOT, DETECTION TIME, SIGHTING
INDEX
