Разработка метода автоматического метрологического контроля и коррекции выходного сигнала термокаталитического датчика шахтных стационарных метанометров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.26.03, кандидат технических наук Сучков, Алексей Анатольевич

• Сучков, Алексей Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сучков, Алексей Анатольевич

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка метода автоматического метрологического контроля и коррекции выходного сигнала термокаталитического датчика шахтных стационарных метанометров»

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

Заключение диссертации по теме «Пожарная и промышленная безопасность (по отраслям)», Сучков, Алексей Анатольевич

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.).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сучков, Алексей Анатольевич, 2003 год

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.