CC BY
17
УДК 622.511
М.С. Попов, С.И. Голоскоков, Д.В. Ботвенко
ОАО «НЦ ВостНИИ» Я.С. Ворошилов
ООО «Горный ЦОТ»
Исследование влияния влажности, вещественного и дисперсного составов пылевого аэрозоля на показания прибора ПКА-01
Приведены результаты исследования влияния влажности, вещественного и дисперсного составов пылевого аэрозоля на показания прибора ПКА-01
В настоящее время в мировой практике для измерения концентрации пыли в воздухе подземных выработок угольных шахт используются средства измерения, основанные на различных физических методах. Однако специфика контроля запыленности воздуха в угольных шахтах России обусловила ситуацию, когда приборы контроля пылевой обстановки не нашли широкого применения в силу ряда причин: необходимости калибровки для каждого источника пылевыделения (оптические приборы), сложности утилизации отработанных элементов (радиоизотопные), необходимости взвешивания фильтров, предполагающей наличие дополнительного аналитического оборудования (прямой весовой метод измерения).
В связи с этим после проведения детального анализа существующих способов и средств контроля запыленности сотрудниками ООО «Горный ЦОТ» был предложен способ измерения запыленности, исключающий все приведенные выше эксплуатационные недостатки, который основан на определении аэродинамического сопротивления фильтрующего элемента за счет падения объемного расхода прокачиваемой пробы запыленного воздуха.
После детальной конструкторской проработки был изготовлен экспериментальный образец прибора контроля запыленности ПКА-01, принцип действия которого заключается в следующем. Через фильтрующий элемент с помощью центробежного вентилятора прокачивается запыленный воздух, который поступает в рабочее пространство датчика расхода. Оседающая на фильтр пыль приводит к увеличению аэродинамического сопротивления (падению скорости фильтрации воздуха через фильтр), тем самым снижая расход воздуха через датчик расхода. Значение цифрового сигнала с датчика уменьшается, и при достижении экспериментально установленного фиксированного значения (ДАЦП) прибор отключается. Встроенный микропроцессор регистрирует показа-
ния датчика расхода воздуха, величину падения скорости фильтрации, время измерения и рассчитывает по специальному алгоритму запыленность воздуха.
Первоначально разработанный алгоритм расчета концентрации пыли был максимально упрощен и велся по единой экспериментальной кривой. Однако было установлено, что скорость фильтрации воздуха через чистый фильтр изменяется в достаточно широком диапазоне - от 6,5 до 15,5 л/мин. В связи с этим достичь требуемой погрешности измерения 20 % не представлялось возможным. Исследования экспериментального образца проводились на установке УПП-1. Для исследований была выбрана угольная пыль марки Г фракцией до 100 мкм и породная пыль (алевролит) той же крупности. Время измерения составляло 5 мин. Количество проведенных измерений - более 2500. Выборочные результаты исследований (средние значения) приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Влияние начальной скорости фильтрации на погрешность измерений
Запыленность воздуха, мг/м3 Начальная скорость фильтрации, л/мин Привес фильтра, мг Погрешность измерения, %
50±5 10,5 0,51 42
11,5 0,64 -29
12,5 0,83 -8
13,5 0,98 9
14,5 1,10 22
15,5 1,19 32
600±50 10,5 6,99 -29
11,5 7,41 -24
12,5 9,04 -8
13,5 10,41 6
14,5 11,87 21
15,5 13,08 33
Погрешность измерения изменяется в широком диапазоне от -29 до 42 % для различного начального аэродинамического сопротивления фильтра. Это делает необходимым разработку специального алгоритма расчета концентрации пыли в зависимости от начальной скорости фильтрации.
Наибольшая погрешность измерения во всех диапазонах концентрации пыли наблюдалась при скорости фильтрации 6-12 л/мин и более 13,5 л/мин. В связи с этим диапазон алгоритмического расчета измеряемой концентрации пыли разбит на три уровня: 6-12; 12-13,5 и более 13,5 л/мин. В результате статистической обработки данных установлены коэффициенты для каждого диапазона, что позволило производить расчет концентрации, который в общем виде выражается следующей зависимостью:
, 0,24 • т- • МЦП с пка = 1000 • ----, (1)
п.в
где СПКА - измеренная прибором запыленность воздуха, мг/м3;
ДАЦП - изменение значения сигнала аналого-цифрового преобразователя датчика; -в.п. - объем прокачанного за время измерения воздуха, л;
т - приведенная масса фильтра, мг;
¿=0,5 для начальной скорости фильтрации до 12 л/мин; ¿=0,47 для диапазона от 12 до 13,5 л/мин; ¿=0,44 для начальной скорости фильтрации более 13,5 л/мин.
Выбор необходимой и достаточной величины конечного значения сопротивления фильтра по мере его запыления (т.е. обеспечение представительности навески) определялся по изменению значения сигнала аналого-цифрового преобразователя датчика (ДАЦП). Регистрировались следующие показатели: вес чистого фильтра (т1г мг), привес фильтра (Ат, мг), вес запыленного фильтра (т2, мг), начальная скорость фильтрации воздуха через чистый фильтр (л/мин), ДАЦП, значение запыленности воздуха, измеренное прибором (СПКА, мг/м3), продолжительность измерения (с), суммарный расход воздуха через фильтр за время измерения (л), расчетное значение запыленности воздуха (С мг/м3), погрешность измерения (3, %). Расчетное значение запыленности воздуха в пылевой камере определялось по формуле:
„ 1000 Ат
С, =-. (2)
г V
в.п.
3
Погрешность измерения в диапазоне концентрации пыли в воздухе до 100 мг/м (приведенная погрешность 3п) рассчитывалась по формуле (3), а при запыленности более 100 мг/м3 (относительная погрешность 3отн.) по формуле (4):
С - С
^ ПУЛ ^ V п , ,, ,
(3)
о = -ПКА ^ . 100
100
С - С
^ пт/л
(4)
О = -ПКА ^ . 100
Сг
В процессе проведения исследований установлено, что погрешность измерений в определенных граничных условиях не зависит от структуры пылевого аэрозоля. Результаты проведенных исследований приведены выборочно (средние значения) и только для пыли, приготовленной из угля марки Д (таблица 2).
Установлено, что при ДАЦП>75 погрешность измерения превышает установленные пределы особенно часто при запыленности более 450 мг/м3. Вероятное объяснение данного факта может быть в том, что большие значения ДАЦП неизбежно приводят к увеличению продолжительности измерения и, как следствие, к росту суммарного расхода воздуха и предельному запылению фильтровальной бумаги, при котором обнаруживается неоднозначность изменения ДАЦП. Значения ДАЦП<35 также приводят к увеличению погрешности измерения, особенно явно при запыленности менее 150 мг/м3, что объясняется малыми навесками пыли на фильтрах. Это вызвало необходимость проведения дополнительных исследований по определению оптимального значения аэродинамического сопротивления, в результате которых определено, что минимизация погрешности измерения с учетом всего диапазона запыленности воздуха достигается в диапазоне 35<ДАЦП<50. Так как прибор ПКА-01 должен обеспечивать оперативность получения результатов, а значение ДАЦП напрямую обусловливает время измерений, в расчетный алгоритм было включено фиксированное значение ДАЦП=35. Это позволило, с одной стороны, уменьшить погрешность измерения до необходимой величины 20 %, а с другой - сократить максимальную продолжи-
тельность измерения, необходимую для корректного проведения измерения (получения достаточной для анализа величины навески), до 180 с.
Таблица 2- Результаты определения оптимального значения ДАЦП
Ат, мг Vв.п, л Продолжи -тельность измерения, с ДАЦП Сг, мг/м3 Спка, мг/м3 д, %
Пыль угольная марки Д крупностью менее 100 мкм
5,2 3,1 19 100 1677,4 1091,5 -34,9
4,6 11,2 62 410,7 670,3 63,2
1,7 38,4 219 44,3 87,3 23
3,9 2,9 20 75 1344,8 1698,9 25,6
3,1 8,7 52 356,3 270,3 -24,2
1,1 39,3 203 28 11,5 -16,5
3,2 2,4 15 50 1333,3 1112,8 -16,5
2,0 9,3 46 215,1 207,9 -3,3
1,4 12,6 67 111,1 109,6 -1,4
2,9 2,1 12 35 1381 1370,5 -0,8
1,7 5,3 17 320,8 342,1 6,6
0,4 18,6 120 21,5 27,6 6,1
2,0 1,2 10 25 1666,7 2090,6 25,4
0,7 10,3 48 68 99,2 31,2
0,4 18,2 91 22 47,1 -25,1
Таким образом, в момент включения прибора в режим измерения автоматически определяется начальная скорость фильтрации фильтра, и после достижения величины падения аэродинамического сопротивления ДАЦП=35 процессор прибора автоматически рассчитывает значение запыленности по одной из трех кривых по формуле (1) и выводит его на информационное табло.
В ходе исследований при разработке прибора контроля запыленности ПКА-01 было высказано предположение о том, что вещественный и дисперсный составы существенно влияют на аэродинамические характеристики фильтрующего элемента. Исследования проводились на угольной пыли марок Д, Ж, Г, К, породной пыли алевролита, смеси песчаника и алевролита, а также смеси угольной и породной пыли. При этом для исследований готовилась пыль разных фракций: 0-45; 0-100; 0-200 мкм.
Как отмечено выше, алгоритм расчета запыленности в разработанном приборе выстроен таким образом, что окончание измерения может регистрироваться двумя способами. В первом способе ограничено время измерения 180 с, при этом автоматически считывается значение ДАЦП (величина падения аэродинамического сопротивления), которое и принимается для расчета концентрации пыли в формуле (1). Реализация этого способа необходима для измерения низкой запыленности воздуха. Во втором способе, когда запыленность воздуха существенно выше ПДК,
отсутствует необходимость столь продолжительного измерения, достаточно регистрировать достижение фиксированного значения ДАЦП. Для оценки влияния вещественного и дисперсного составов на изменение аэродинамических характеристик необходимо, таким образом, контролировать один из двух параметров: либо время измерения, либо величину ДАЦП при запылении фильтра пылью разных марок углей или пород и различного дисперсного состава. Создать стабильную концентрацию грубодисперсной пыли в воздухе установки не представляется возможным. В любом случае крупные фракции достаточно быстро оседают, поэтому обеспечить достоверность и точность исследований по контролю величины ДАЦП представляется проблематичным. Исходя из этих соображений, основным контролируемым показателем на данном этапе исследований было выбрано время измерения. Усредненные результаты исследований приведены в таблице 3.
Таблица 3 - Влияние вещественного и дисперсного составов пыли на время измерения
Тип пыли Концентрация пыли, мг/м3 Время измерения, с / погрешность измерения, %, для пыли фракции, мкм
< 45 < 100 < 200
Угольная марки Ж 2-100 112/ 6,7 110/ 5,2 111/ 6,4
300-500 21/ 7,1 20/ 5,1 21/ 7,8
700-1000 14/ 4,5 14/ 4,2 14/ 5,1
Угольная марки Г 2-100 113/ 3,8 113/ 5,7 112/ 6,2
300-500 23/ 4,1 24/ 5,6 25/ 3,8
700-1000 11/ 7,8 11/ 7,1 12/ 5,6
Пыль алевролита 2-100 112/ 5,6 116/ 5,8 111/ 4,2
300-500 23/ 7,8 25/ 5,6 23/ 7,1
700-1000 12/ 4,2 13/ 5,6 13/ 4,5
Пыль песчаника 2-100 110/ 4,8 114/ 3,7 112/ 5,1
300-500 22/ 3,9 23/ 4,1 24/ 3,8
700-1000 13/ 5,2 11/ 4,6 12/ 5,0
Угольная марки Д + пыль аргиллита 2-100 113/ 7,8 114/ 6,2 113/ 6,4
300-500 21/ 3,2 21/ 3,9 25/ 3,5
700-1000 12/ 4,1 13/ 5,8 12/ 5,6
Анализ полученных данных свидетельствует о том, что вариации времени измерения в зависимости от вещественного и дисперсного составов витающей пыли незначительны, т.е. величина привеса пыли на фильтре связана функционально только со временем измерения. Следовательно, скорость падения аэродинамического сопротивления не связана с вещественным и дисперсным составами пыли в границах установленных параметров разработанного способа. Иначе говоря, изменение аэродинамического сопротивления при запылении фильтра, характеризуемое падением величины сигнала аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) в пределах
35<ДАЦП<50, минимизирует влияние вещественного и дисперсного составов осадочных горных пород в пределах допустимой погрешности.
Проведенные исследования по влиянию вещественного и дисперсного составов витающей пыли на погрешность показаний прибора позволили установить, что вариации и относительной, и приведенной погрешностей не носят характера закономерности и скорее обусловлены погрешностью весового метода. Приведенная погрешность для диапазона значений концентрации пыли 2100 мг/м3 установлена в пределах ±0,1-15,0 %. Относительная погрешность для значений запыленности воздуха более 100 мг/м3 - ±0,7-19,0 %.
Для установления влияния влажности на сопротивление фильтра были проведены испытания в специальной пылевой герметичной камере. Создавалась определенная влажность Н при заданной температуре воздуха Т, регистрировались количество воздуха Q, которое прокачивалось через фильтр за время измерений 1, начальная масса чистого фильтра и периодически (с интервалом 300 с) контролировалась масса фильтра после очередного измерения скорости фильтрации.
Результаты исследований приведены в таблице 4.
Таблица 4 - Влияние влажности на аэродинамическое сопротивление фильтра
Шь мг Ш2, мг 1 мин Н, % Q, дм3/мин Т, 0С
81,2 83,5 4 0,3 13,8 21,6
81,3 83,5 10 87 13,8 5
81,3 83,2 15 73 13,8 21,9
81,3 83,4 20 79 13,8 35
81,3 83,7 30 90 13,8 22,0
Установлено, что скорость фильтрации с увеличением температуры и влажности воздуха практически не изменяется. При данном алгоритме расчета концентрации пыли в разработанном приборе это однозначно свидетельствует о том, что влияние температуры и влажности запыленного воздуха не увеличивает погрешность измерения. Следовательно, точность измерений в граничных условиях разработанного способа не зависит от температуры и влажности запыленного воздуха.
Проведенный комплекс работ позволил организовать серийное производство прибора ПКА-01. По результатам проведенных испытаний получено разрешение Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору на применение в рудниках и угольных шахтах, в том числе опасных по газу и пыли. Прибор ПКА-01 внесен в Госреестр средств измерений. Получен сертификат соответствия Органа по сертификации взрывозащищенного электрооборудования. В настоящее время на угольных предприятиях Кузбасса эксплуатируется более 300 приборов.
