CC BY
13
УДК 622.807:517 А.С. Ярош
ФГУП ННЦ-ГП ИГД им. А.А. Скочинского
Разработка математического алгоритма расчета концентрации
пыли для прибора ПКА-01
Приведены результаты исследований, на основе которых разработан математический алгоритм расчета концентрации пыли для 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 по следующим причинам:
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 ООО «Горный-ЦОТ» был предложен способ измерения запыленности, исключающий все вышеприведенные эксплуатационные недостатки, который основан на определении аэродинамического сопротивления фильтрующего элемента за счет падения объемного расхода прокачиваемой пробы запыленного воздуха. В качестве фильтрующего элемента после проведенных исследований была выбрана специальная фильтровальная бумага, обладающая следующими свойствами:
высокой эффективностью задержки пыли;
однородностью по плотности (т.е. вес единицы площади изменяется в небольших пределах);
вариацией скорости фильтрации воздуха через чистый фильтр не более 25 %; чувствительностью фильтрующего элемента к запылению (падение аэродинамического сопротивления и скорости фильтрации не менее чем на 20 %).
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 снижается расход воздуха через датчик расхода. Значение цифрового сигнала с датчика уменьшается, и при достижении экспериментально установленного фиксированного значения (ДАЦП) прибор отключается. Встроенный микропроцессор регистрирует показания 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:
0,24 • т4047 •ААЦП Спка = 1000 •--V- ■ (1)
где СПКА - измеренная прибором запыленность воздуха, мг/м3;
ААЦП - изменение значения сигнала аналого-цифрового преобразователя датчика (константа, определенная экспериментально);
Vвn. - объем прокачанного за время измерения воздуха, л; т - приведенная масса фильтра, мг.
Однако в процессе стендовых испытаний установлено, что скорость фильтрации воздуха через чистый фильтр, обусловленная качеством фильтровальной бумаги, изменяется достаточно в широком диапазоне от 9,5 до 15,5 л/мин. В связи с этим достичь требуемой погрешности измерения 20% не представлялось возможным. Установлено, что начальное значение скорости фильтрации значительно влияет на величину навески фильтра, которая и определяет величину погрешности измерения.
Для определения погрешности измерений при различных начальных скоростях фильтрации фильтрующего элемента были проведены исследования на испытательном стенде для поверки измерителей массовой концентрации пыли и скорости воздушного потока УПП - 1 (сертификат RUE.31.001A № 10573), который представляет собой аэродинамическую трубу, оснащенную пылевой камерой с вытяжным вентилятором. На стенде установлен дозатор пыли, равномерно подающий пыль в пылевую камеру, центробежное воздухо-протяжное устройство со встроенным фильтродержателем, а также необходимая аппаратура для измерения сопротивления фильтрующего элемента и расхода воздуха. Для исследований была выбрана угольная пыль марки Г фракцией до 150 мкм, а также породная пыль (алевролит) той же крупности. Время измерения составляло 5 мин. Количество проведенных измерений - более 1000. Результаты исследований (средние значения погрешности измерений для фиксированной величины скорости фильтрации воздуха через фильтр) приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Погрешность измерений при различных начальных скоростях фильтрации
№ пп. Запыленность воздуха, мг/м3 Начальная скорость фильтрации, л/мин Привес фильтра, мг Погрешность измерения (средняя), %
1 10,5 0,51 42
2 11,5 0,64 -29
3 50±5 12,5 0,83 -8
4 13,5 0,98 9
5 14,5 1,10 22
6 15,5 1,19 32
7 10,5 1,24 -27
8 11,5 1,45 -12
9 100±10 12,5 1,56 -5
10 13,5 1,78 8
11 14,5 2,11 27
12 15,5 2,33 39
13 10,5 3,61 -29
14 11,5 4,18 -19
15 300±30 12,5 4,74 -7
16 13,5 5,35 6
17 14,5 6,45 27
18 15,5 6,93 37
19 10,5 6,99 -29
20 11,5 7,41 -24
21 600±50 12,5 9,04 -8
22 13,5 10,41 6
23 14,5 11,87 21
24 15,5 13,08 33
В результате проведенных исследований установлено, что наибольшая погрешность измерения во всех диапазонах концентрации пыли наблюдалась в диапазонах скоростей фильтрации до 12 л/мин и более 13,5 л/мин. В связи с этим было принято решение разбить диапазон алгоритмического расчета измеряемой концентрации пыли на три уровня: 0-12, 12-13,5 и более 13,5 л/мин. Статистическая обработка результатов исследований позволила установить коэффициенты для каждого уровня расчета концентрации, который в общем виде осуществляется по следующей зависимости:
„ 0,24 • т•ААЦП
СПКА = I000---- , (2)
п.в
где Ь=0,5 для начальной скорости фильтрации до 12 л/мин;
Ь=0,47 для начальной скорости фильтрации в диапазоне от 12 до 13,5 л/мин;
Ь=0,44 для начальной скорости фильтрации более 13,5 л/мин.
Выбор необходимой и достаточной величины сопротивления фильтра по мере его запыления (т.е. обеспечение представительности навески) определялся по изменению значения сигнала аналого-цифрового преобразователя датчика (ДАЦП). Установлено, что при ДАЦП>100
погрешность измерения превышает установленные пределы при запыленности более 450 мг/м3. Это вызвало необходимость проведения дополнительных исследований по определению оптимального значения аэродинамического сопротивления, в результате которых определено, что минимизация погрешности измерения во всем диапазоне 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%, с другой - сократить максимальную продолжительность измерения, необходимую для корректного проведения измерения (получения достаточной для анализа величины навески), до 180 с.
Таким образом, в момент включения прибора в режим измерения автоматически определяется начальная скорость фильтрации фильтра и после достижения величины падения аэродинамического сопротивления ААЦП=35 процессор прибора автоматически рассчитывает значение запыленности по одной из трех кривых по формуле (2) и выводит его на информационное табло.
Прибор прошел стендовые, шахтные испытания, внесен в Госреестр средств измерений и широко эксплуатируется на шахтах Кузбасса.
