CC BY
122
------------------------------- © М.В. Хиврин, С.С. Кубрин, Е.М. Гамарц,
В.Б. Раменский, 2011
УДК 681.586.74
М.В. Хиврин, С.С. Кубрин, Е.М. Гамарц, В.Б. Раменский
ПОВЫШЕНИЕ ДОСТОВЕРНОСТИ ИНФОРМАЦИИ О СОСТОЯНИИ РУДНИЧНОЙ А ТМОСФЕРЫ С ПОМОЩЬЮ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО ВЗРЫВОЗАЩИЩЕННОГО ГАЗОАНАЛИЗА ТОРА
Изложены результаты исследований и разработки шахтного газоанализатора, предназначенного для контроля состава рудничной атмосферы в нормальных условиях и при аварийной ситуации.
Ключевые слова: рудничная атмосфера, газоанализатор, шахта, взрывоопасность воздушной среды.
Достоверный и оперативный анализ состава атмосферы в горных выработках важен как с точки зрения опасности вдыхаемых газов для здоровья, так и с точки зрения взрывоопасности воздушной среды. Этот анализ необходим и в обычных условиях работы шахты, и, в особенности, в аварийных ситуациях.
В соответствии с правилами безопасности на угольных шахтах состав атмосферы в горных выработках нормируется по следующим газовым компонентам: метан (СН4), диоксид углерода (СО2), водород (Н2), а также монооксид углерода (СО), оксид и диоксид азота (NO, NO2), сернистый ангидрид (SO2), сероводород (H2S) [1]
В аварийной ситуации (пожар, взрыв) состав рудничной атмосферы может в значительной степени отличаться от обычного. Например, концентрация кислорода может уменьшаться до 2 %, а концентрация других газов может увеличиться: углекислого газа до 8 %, метана до 30 %, окиси углерода до 12 %, водорода до10 %. Смесь этих газов в определенных сочетаниях может быть взрывчата и, при избыточной концентрации кислорода рассчитывается в соответствии с классическим уравнением Ле Шателье [2]:
Хсн4 А 5 + Хсо Д 12,5 + Хш А 4 > 1
Степень опасности и взрывоопасности рудничной атмосферы можно оперативно оценить с помощью малогабаритного газоанализатора, измеряющего основные газовые компоненты СН4, О2, Н2, СО, СО2.
В настоящее время в России и за рубежом разработаны многокомпонентные взрывозащищенные переносные и портативные приборы-газоанализаторы. Однако они предназначены, в основном, для измерения параметров рудничной атмосферы, находящихся в допустимых пределах.
Например, газоанализатор ORION plus фирмы MSA измеряет СН4, СО2, О2, СО, H2S; газоанализатор ТХ6522 компании TROLEX может измерять СН4, СО, О2, H2S; газоанализатор МХ 2100 фирмы OLDHAM измеряет СН4, СО2, О2, СО, Н2 [3, 4, 5] Достоверность измеряемых этими приборами параметров в значительной степени зависит от применяемых первичных преобразователей.
До недавнего времени в качестве первичных преобразователей в шахтных портативных газоанализаторах в канале измерения метана применялись термохимические (0-5 % СН4) и термокондуктометрические (5-30 % СН4) чувствительные элементы; для измерения Н2 (0-5 %) термокондуктометрические и электрохимические сенсоры, а для измерения О2 (0-21 %), СО (0-200 ррт) электрохимические сенсоры.
Термокондуктометрический метод основан на зависимости теплопроводности газовой смеси от концентрации газовых компонентов. Коэффициэнты теплопроводности метановоздушной смеси Хсм, метана Хм и воздуха Хв связаны соответствующей зависимостью в уравнении [6]
^см = С м ^м + (1+СмЯв
где См - концентрация метана
Это уравнение справедливо для смеси метана с воздухом.
Сухой атмосферный воздух содержит около 78 % азота, 21 % кислорода, 0,9 % аргона, 0,03 % углекислого газа, а также микроконцентрации неона, гелия, метана, криптона, водорода, окислов азота и ксенона.
Коэффициенты теплопроводности Х(10-3 Вт/м) отдельных газовых компонентов при температуре 300К и нормальном атмосферном давлении имеют значительный разброс значений[7]: воздух - 26,2; кислород - 26,7; углекислый газ - 16,6; азот -25,7; водород - 183; монооксид углерода - 24,9; метан - 34,2.
Следовательно, при чрезвычайных ситуациях, когда концентрация этих газовых компонентов в рудничной атмосфере может изменяться в широких пределах, погрешность измерения термокондуктометрическими преобразователями за счет плохой избирательности будет значительно превышать допустимые пределы.
Принцип действия термохимических первичных преобразователей основан на использовании процесса каталитического окисления метана на рабочем элементе и, следовательно, показания таких датчиков зависят от процентного содержания кислорода в рудничной атмосфере.
В качестве электрохимических газовых сенсоров в малогабаритных газоанализаторах используются первичные преобразователи на твердых электролитах: потенциометрические мембранные, импедансные и амперометрические. Все серийно выпускающиеся электрохимические сенсоры обладают различной чувствительностью, зависимостью параметров от температуры, различным быстродействием. Особенностью этих сенсоров является перекрестная чувствительность к другим газам. Несмотря на это они широко применяются в малогабаритных газоанализаторах для измерения концентрации токсичных газов.
В последнее время для измерения СН4 и СО2 все чаще применяются оптические инфракрасные сенсоры, которые обладают рядом существенных преимуществ, в том числе высокой избирательностью и долговечностью, обеспечивают стабильность и надежность работы в среде с низким содержанием кислорода [8].
Многокомпонентные шахтные газоанализаторы являются одним из важных средств обеспечения безопасности, и должны обеспечивать высокую достоверность измерений параметров рудничной атмосферы, которые могут меняться в широких пределах от нормальных значений до аварийных. Поэтому к первичным преобразователям должны предъявляться особые требования, основными из которых являются:
• высокая достоверность измерения отдельных газовых компонентов рудничной атмосферы;
• надежная работа в атмосфере с низким содержанием кислорода;
• высокая селективность и чувствительность;
• низкая перекрестная чувствительность (или её отсутствие);
• низкая погрешность измерений в широком диапазоне концентраций;
• высокая перегрузочная способность;
• низкая энергоемкость.
Эти требования были взяты за основу при выборе сенсоров для измерительных каналов разработанного многофункционального многокомпонентного газоанализатора (МГ), предназначенного для работы как в автономном режиме так и в составе мобильной локальной системы оперативного контроля рудничной атмосферы.
МГ имеет два оптических датчика для измерения концентрации углеводородов (калибровка по метану), один оптический датчик углекислого газа и три электрохимических датчика (СО, Н2, О2).
Комплексное измерение концентрации пяти газов в одном малогабаритном переносном многокомпонентном газоанализаторе имеет ряд особенностей, которые необходимо учитывать при реализации схемных, конструктивных и программных решений в приборе.
Измерение концентрации монооксида углерода и водорода в промышленных образцах малогабаритных газоанализаторов в подавляющем большинстве случаев осуществляется с помощью электрохимических датчиков. Однако, при необходимости одновременного измерения этих газов в одном приборе возникает проблема, заключающаяся в перекрестной чувствительности электрохимических сенсоров, т.е. чувствительности сенсоров не только к «своему», но и к другим газам.
В нашем случае перекрестной чувствительностью к водороду обладает электрохимический сенсор, измеряющий монооксид углерода. Присутствие 100 ppm (0,0001 % об.) водорода в анализируемой пробе воздуха воспринимается обычным сенсором СО как 70 ppm (81 мг/м3) монооксида углерода.
Фирма «General Monitors» приводит данные по перекрестной чувствительности электрохимических сенсоров для различных газов [9], которые подтверждают сильное влияние Н2 на электрохимический сенсор СО.
Решением проблемы совместного измерения водорода и моноксида углерода может быть использование инфракрасных оптических селективных сенсоров, в основе работы которых лежит соотношение Бугера Ламберта [10]:
- к (X) I I = Io ■ е
где Io - интенсивность падающего ИК потока излучения в спектральном диапазоне AX, I - интенсивность светового потока на выходе кюветы, длиной I, к(Х) - коэффициент поглощения оптического излучения газом, концентрация которого определяется прибором.
Из приведенного соотношения очевидно, что поглощение излучения, и, следовательно, концентрация газа в оптической кювете тем больше, чем выше коэффициент к (X) и длина кюветы (I).
Измерение концентрации водорода этим методом затруднительно, т.к. коэффициент поглощения к (X) для водорода в инфракрасном диапазоне крайне мал. Моно-
оксид углерода имеет наиболее сильную полосу поглощения в инфракрасной области спектра с длиной волны около 4,7 мкм.
Для оценки возможности реализации инфракрасного датчика СО проведен сравнительный анализ с реализованным инфракрасным датчиком СО2, длина волны которого соответствует линии поглощения 4,3 мкм, что позволяет использовать ту же элементную базу ИК техники (излучатели, фотоприемники, интерференционные фильтры).
Дистанция измерений I находится в обратно пропорциональной зависимости от коэффициентов поглощения измеряемых газов.
Для углекислого газа (СО2) и угарного газа (СО) это соответствует уравнениям: т (СО2) = ехр (-к1 • 11) т (СО) = ехр (-к2 • 12)
где т = — - коэффициент пропускания измеряемого газа; к1,к2 - коэффициенты
поглощения измеряемых газов соответственно СО2, СО;
Отсюда дистанцию измерений для СО можно определить из соотношения: т = 12/11 = к1/к2
если 11 = 10 см, к1 = 0,19, к2 = 0,002, то 12 = к1 • 11 / к2 = 950 см.
Таким образом, при измерении угарного газа (СО) для обеспечения такого же отношения сигнал/шум, как и при измерении углекислого газа (СО2) на лабораторном макете прибора с 11=10 см, необходимо использование кюветы с дистанцией измерения, равной 950 см.
Исходя из конструктивных и общих габаритных соображений, а также для упрощения расчета, дистанция измерения выбрана равной 12 = 960 см, а длина оптического устройства равной L = 32 см.Тогда количество прохождений светового пучка в многопроходной кювете между зеркалами будет определено из выражения N = = 30, что практически трудно реализуемо.
Проведенные экспериментальные и теоретические исследования показали принципиальную возможность реализации оптических датчиков СО в стационарных приборах, имеющих достаточно большие габариты. Учитывая это, можно сделать реализация инфракрасного датчика СО в малогабаритном МГ, затруднительна на имеющейся в настоящее время элементной базе оптоэлектроники.
Использование малогабаритных электрохимических сенсоров позволяет разработать малогабаритный прибор, но возникает проблема получения достоверной информации из-за перекрестной чувствительности электрохимических преобразователей.
Рис. 1
При использовании электрохимических сенсоров СО возможна программная компенсация перекрестной чувствительности. Для этого необходимо контролировать концентрацию водорода, и по ее значению вводить поправку в показания канала «СО». Такой алгоритм позволяет одновременно измерять концентрацию СО и Н2 одним многокомпонентным газоанализатором. В случае отсутствия стабильности возможно блокировать работу канала «СО» при концентрации водорода выше 0,01 % об. доли. При такой концентрации водорода погрешность от нее в канале «СО» не превысит предельно допустимого значения 4,3 ppm (5 мг/м3). Программа корректировки показаний канала «СО» должна различать реальное присутствие водорода в атмосфере от аппаратного смещения нуля у водородного сенсора, т.к. в противном случае возможна ложная блокировка канала «СО».
На рис. 1 показана блок-схема алгоритма программной обработки результатов измерений в каналах оксида углерода и водорода.
Если водород не обнаружен (Н2 = 0), то текущая концентрация оксида углерода СО выводится на индикацию без корректировки.
Если водород обнаружен (Н2 > 0), то вычисляется его вклад в реакцию сенсора оксида углерода через коэффициент перекрестной чувствительности - К ■ Н2. Если этот вклад меньше или равен показаниям сенсора оксида углерода, то производится коррекция данных, и результат выводится на индикацию.
Если суммарные показания сенсора оксида углерода меньше, чем приведенные к его выходу показания водородного датчика, то считается, что произошло смещение нуля в канале водорода, и канал СО блокируется.
Предельная разрешающая способность измерительной части канала Н2 определяется разрядностью АЦП и динамическим диапазоном выходного сигнала сенсора Н2. При 12-разрядном АЦП и максимальном выходном напряжении 1В (5 %об.) разрешение составит 0,003 % об.
Реальное разрешение будет несколько хуже из-за шумов в измерительном канале и сенсоре. Для уменьшения влияния шумов при необходимости можно использовать программные средства обработки, например, усреднение.
МГ может использоваться как в составе локальной системы контроля и сигнализации опасности и взрывоопасности шахтной атмосферы, так и автономно. Конструктивно МГ выполнен в виде переносного прибора (рис. 2).
Конструкция корпуса МГ обеспечивает возможность доступа к газовым датчикам для выполнения чистки или ремонта.
В МГ использованы два типа газовых датчиков:
- инфракрасные оптические датчики метана (СН4) и диоксида углерода (СО2);
- электрохимические датчики на кислород (О2,), моноксид углерода (СО) и водород (Н2) (производства «А^аБеш» и «Оксоний»).
В оптических датчиках для увеличения стабильности нуля, а также для компенсации возможного влияния влаги, пыли и других факторов используется автоком-пенсационная двухлучевая оптическая схема, в которой измеряется интенсивность двух лучей, проходящих по одному и тому же оптическому пути, причем, длина волны одного (измерительного) луча находится в области поглощения, а другого (опорного) - в области прозрачности определяемого газа.
Для компенсации влияния температуры и процессов старения фотоприемников и излучателей, используемых в датчике, в оптическую схему вводятся еще два луча, не проходящих сквозь анализируемый газ. В конструкцию оптических датчиков введено сферическое зеркало, позволившее при том же оптическом пути в два раза уменьшить габариты датчика.
Датчики обеспечивают одновременное измерение пяти газов в диапазонах концентраций, указанных в табл. 1
Функциональная схема многокомпонентного газоанализатора представлена на рис. 3.
Мобильная система оперативного контроля рудничной атмосферы состоит из соединенных посредством стандартного канала связи двух идентичных по конструкции и программному обеспечению многоканальных газоанализаторов МГ. При соединении МГ, один из них выполняет функцию базового
Таблица 1
Диапазоны измерения и пределы допускаемой основной погрешности
Измеряемый параметр Концентрация, об.д. %, Основная погрешность измерения
атмосферы ppm абсолютная относительная, %
Метан (0,1 - 5)% + (0,1 + 0,04 Сх)% -
(5 - 30)% +3% -
Диоксид углерода (0 - 2)% + (0,1 + 0,04 Сх)% -
(2 - 25)% - +10
Водород (0 - 4)% + (0,1 + 0,04 Сх)% -
Монооксид углерода (0-20)мг/м3 (0 - 16) ррт , + 5 мг/м3 -
(20-125)мг/м3 (16 - 100) ррт - + 25
Кислород (0,1 - 21)% + (0,4 + 0,02 Сх)% -
Сх - значение концентрации определяемого компонента на входе газоанализатора
блока управления (MASTER), а второй - выносного датчика (SLAVE). Информационно базовый блок и выносной датчик объединены через стандартный канал связи RS-485. Многоканальные газоанализаторы МГ могут быть использованы как автономные переносные приборы с временем работы при нормальных условиях от полностью заряженного встроенного источника питания не менее 16 часов.
Многокомпонентные газоанализаторы в локальной мобильной системе оперативного контроля обеспечивают измерение параметров рудничной атмосферы автоматически или по команде. Результаты измерений должны записываться в память устройства с возможностью воспроизведения каждого записанного измерения на собственном цифровом индикаторе или по запросу передаваться в виде стандартного сигнала RS-485.
Алгоритм работы системы показан на рис. 4.
В функции базового блока (MASTER) входит:
• запрос вывод показаний выносного (SLAVE) датчика на дисплей базового;
• выдача световой и звуковой сигнализации при превышении концентраций в месте размещения выносных датчиков пороговых значений;
• периодическая прокачка объема датчиков (забор пробы) атмосферным воздухом и измерение концентрации метана, углекислого газа, кислорода, угарного газа, а также измерение температуры и давления окружающей среды;
• выработка световых и звуковых сигналов при превышении пороговых уровней концентраций;
• имеет нормально разомкнутые «сухие» контакты реле, замыкающиеся при превышении пороговых уровней концентрации;
В функции выносного датчика (SLAVE) входят:
• периодическая прокачка объема датчиков (забор пробы) атмосферным воздухом и измерение концентрации метана, углекислого газа, кислорода, водорода, угарного газа, а также измерение температуры и давления окружающей среды;
Рис. 3
Компр. I Фильтр
• индикация результатов измерения на собственном индикаторе;
• выработка световых и звуковых сигналов при превышении пороговых уровней;
• имеет нормально разомкнутые «сухие» контакты реле, замыкающиеся при превышении пороговых уровней концентрации;
• передача по запросу по стандартному каналу связи RS-485 текущих показаний на базовый блок.
------------------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Правила безопасности в угольных
шахтах ПБ 05-б18-03 изд. НГЦ Гостехнадзора, 2004.
2. Клебанов Ф.С. Воздух в шахте.
"Имидж-Сет" М. 1995.
3. Проспект фирмы MSA, 2007, www.
msa - russia.ru / production.
4. Проспект компании Trolex, 2007,
www.promtex.ru/ catalogue/trolex;
5. Проспект фирмы OLDHAM, 2008,
http://www. intes. spb.ru
6. Карпов Е.Ф., Биренберг И.Э. Aвтома-тическая газовая защита и контроль
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ----------
рудничной атмосферы. Москва, «Недра» 1984.
7. Физические величины. Справочник. Москва, ЭАИ, 1991.
8. Гамарц Е.М., Крылов В.А. Оптические газоанализаторы для безопасных технологий .Петербургский журнал "Электроника" № 1 2003.
9. Проспект фирмы General Monitors.
10. Бреслер П.И. Оптические абсорбционные газоанализаторы и их применение "Энергия", Ленинград, 1980. ШИ
Хиврин Михаил Васильевич - кандидат технических наук, [email protected] Кубрин Сергей Сергеевич - доктор технических наук, ГИПРОУГЛЕАВТОМАТИЗАЦИЯ.
Гамарц Е.М., Раменский В.Б. - МЕТЕО.
О Т Р Е Д А К Ц И И
В Горном информационно-аналитическом бюллетене № 4, 2011 г. допущены опечатки:
Страница Напечатано Следует читать
1б5 © А.М. Мухаметшин, А.Г. Болгаров © А.М. Мухаметшин, С.В. Поршнев
1б5 А.М. Мухаметшин, А.Г. Болгаров Разработка и применение геоинфор-мационных систем для контроля состояния объектов строительства. А.М. Мухаметшин, С.В. Поршнев Разработка и применение геоинфор-мационных систем для контроля состояния объектов строительства
172 Болгаров А.Г. - Уральский государственный технический университет (УПИ). Поршнев С.В. - доктор технических наук, зав. кафедрой, Уральский федеральный университет им. Первого президента России Б.Н. Ельцина, академик Акадении информатизации образования.
179 Болгаров А.Г. - Уральский государственный технический университет (УПИ) Болгаров А.Г. - генеральный дирек-тор НПП «ИГИС»
