ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 6
1 Обзор методов измерения концентрации метана 8
1.1 Термокаталитический метод 8
1.2 Полупроводниковый метод 9
1.3 Обзор существующих аналогов 11
1.4 Вывод 12
1.5 постановка задачи 13
2 Структурная схема измерительного канала 14
3 Элементы измерительного канала 16
3.1 Первичный измерительный преобразователь 17
3.2 Принцип работы датчика 18
3.3 Нормирующие устройство 20
3.4 Аналогово-цифровой преобразователь 21
3.5 Цепь измерения тока 25
4 Вибір елементної бази 28
4.1Архитектура усилителя 28
4.2 Мікроконтролер 29
Введение
У нашій країні єдиний паливний ресурс яким ми володіємо достатньою мірою є кам'яне вугілля. За даними досліджень при сьогоднішніх темпах видобутку вугілля існує запас на 300 років.
Кам'яне вугілля є гарним джерелом енергії, а так само необхідним елементом хімічної промисловості та металургії. Так як пряме спалювання вугілля в ТЕЦ призводить до високих показників викиду забруднюючих речовин має сенс використовувати технологію, яку використовували в ПАР під час ембарго, зрідження вугілля. Так для виробництва 1т нафти потрібно 2-3 т вугілля.
Основною проблемою видобутку вугілля в Украні є глибина заляганія вугільних шарів. На відміну від Росії де в деяких місцях видобуток проходить кар'єрним способом. Шахтний спосіб видобутку має ряд недоліків. Найголовнішим є небезпека у вигляді обвалень і викидів метану.
Із збільшенням глибини розробок вугілля зростає газоносність виробок, збільшується інтенсивність і частота газодинамічних проявів, що в свою чергу пов'язане з підвищенням небезпеки при веденні гірських робіт. Отже, в таких умовах зростає необхідність у переоснащенні вугільних шахт безперервно діючими засобами автоматичного контролю концентрації газових компонент. Основною причиною аварій, пожеж, вибухів та інших нещасних випадків в угольношахтной промисловості являеться раптова поява в атмосфері метану. Природа вугільних родовищ така, що при високій глибині залягання вугільних порід повишаеться ймовірність залягання незайманих лінз метану вугільних пластів, вони формується в результаті біохімічних і фізичних процесів в ході перетворення рослинного матеріалу на вугілля.
Загрози, що виникають під час викидів метану, дуже часто мають летальний характер. Це можуть бути ушкодження внаслідок вибухової хвилі, обвалу в результаті вибуху або пожежі, отруєння метаном.
Небезпечною особливістю метану є відсутність можливості детектувати метан органолептично.
У зв'язку з посиленням контролю за правилами безпеки в гірничодобувний галузі та наказом від 1 грудня 2011 р. N 678 про затвердження Положення про аерогазового контролю у вугільних шахтах з'явилася необхідність у вирішенні завдання аерогазового контролю. Цей документ буде основним нормативним документом при проектуванні вимірювального каналу.
Основні пункти Положення в частині каналів вимірювання метану наведено окремо (додаток 1).
Дана робота присвячена вирішенню завдання побудови та розрахунку вимірювального каналу вимірювання концентрації метану в складі контролера збору телеметричної інформації. Але принципи побудови можуть бути використані і в інших вимірювальних приладах: персональних газоанализаторах, метан-реле (пристрій, що відключає обладнання при перевищенні рівня порогу концентрації метану), до 2,5% з похибкою 0,2%.
1 Огляд методів вимірювання концентрації метану
Методи вимірювання концентрації метану
Існує кілька спосіб вимірювань концетрации метану.
1.1Термокаталітіческій метод
Основним методом вимірювання низьких концентрації метану в атмосфері являеться використання термокондуктометрический датчика. Даний датчик має достатню точність при малих габаритах і простоті використання.
Принцип роботи перетворювача заснований на зміні опору провідника в залежності від теплопровідності суміші газів. Теплопровідність газових сумішей, що складаються з газів, що не вступають у реакцію один з одним, приблизно дорівнює середньому арифметичному їх состовляющих. Для бінарних сумішей
* формула * методи і засоби вимірювання з 147 *
У качастве провідника зазвичай вибирається та платинова зволікання.
Пристрій датчика виглядає як показано рис 1
Рис.1 пристрій газоаналізатора:
1 - проволока, 2 – камера
Проволка 1, закрепленная в камере 2, обтекаеться исследуемой смесью теплопроводность которой изменяетсья в зависимости от состава.
Погрешности термокаталитических газоанализаторов.
Для уменьшения погрешности газоанализаторов нужно стремиться к тому, чтобы тепловое равновесие проволки в камере определялось в основном теплопроводности смеси, остальные виды теплообмена должны быть сведены к минимуму. Потери на лучеиспускания и теплопроводность самой проволки исключаються выбором размеров проволки.
Потери на конвекцию, которую можно учесть градуировкой, если скорость газа постоянна. Если же скорость газа не являеться постоянной величиной, то возникают погрешности которые нормированы в ТТХ датчиков.
Данная погрешность может быть сведена к нулю если газ в камеру попадает вследствии диффузии. Изготавливают датчики обычно в спареном виде один в открытой камере, второй в запаянной и тем самым второй датчик являеться компенсирующим устройством, а также облегчает включения датчика в мостовую схему.
1.2 Полупроводниковый метод
Одна из фирм выпускающаая датчики конценртации газов в атмосфере
(фирма figaro), продукция которой широко представлена в книге Г. Виглеба Датчики устройствои и применение Москва «Мир»1989. Это датчики серии TGS.
Датчики типа TGS состоят изкерамической трубочки которая нагревается изнутри тонкой проволкой. Снаружи на трубочку нанесен активный слой с электродами. Весь датчик защищен проволочной сеткой из нержавеющей стали от механических повреждений.
Принцип работы
Датчик нагреваеться напряжением Vн до температуры выше 200 оС.
Напряжение питания Vc обусловливает падение напряжения VRl на нагрузочном резисторе RL , при чем величина VRl зависит от изменяющегося тока датчика IS.
Рис.1.2
Рассмотрим датчик TGS842.
Чувствительным элементом в этом датчике являеться полупроводник (SnO2)
Датчик имеет удобный и просто конструктив. Выполнен ввиде цилиндра с тремя контактами. Общие габариты 17х18 мм. Датчик обладает высокой чувствительностью к метану а так же высокой селективностью так как нечувствителен к парам алкоголя. Чувствительность градуируеться в промежутке 1000 3000 ppm, и задается ввиде отношения сопротивления при обьемной доле метана 1000 ppm и 3000 ppm. Датчик требует периодической калибровки так как значение сопротивления отличаеться в пределах от 3 до 15 кОм. Точность также выражается через стабильность отношения сопротивления. Этот коэффициент в данном для значения 3500 равен 0,55 плюс минус 0,5 что дает нам точность чуть меньше чем 0,1. Но данный датчик нам не походит так как его характеристика пробразования не градуирована в области 2,5% обьемных долей метана.