книги из ГПНТБ / Местер, И. М. Автоматизация контроля и регулирования рудничного проветривания

Рис. III.4. Зависимость диапазона измерения скоростей датчиком ЭТА-10-Ш от диаметра насадков

Рис. III.5. Широкодиапазонный электротермоанемометр ЭТА-10-Ш:

а приемное устройство с измерительным мостом; б — стабилизатор тока моста

при которых обеспечивается минимальный разбаланс моста при различной температуре окружающего воздуха.

Измерение скоростей воздуха в пределах 0,15—20,0 м/сек осу­ ществляли с помощью четырех сменных насадков:

Градуировку ЭТА-Ю-Ш производили в аэродинамической трубе завода Гидрометприбор. Градуировочные кривые датчика ЭТА-Ю-Ш показаны на рис. III.8. Постоянная времени ЭТА-Ю-Ш составляет

Рис. III.8. Градуировочные статические характеристики ЭТА-Ю-Ш

100—120 сек. Длительные производственные испытания ДСДВ ЭТА-Ю-Ш показали его хорошие эксплуатационные качества и на­ дежность в работе. ЭТА-Ю-Ш является одним из основных элементов общешахтной автоматизированной системы контроля и управления проветриванием Дегтярского рудника. В настоящее время изгото­ влена опытная партия из 100 датчиков этого типа в корпусах повы­ шенной надежности.

154

Из зарубежных датчиков, основанных на термоанемометрическом принципе, наибольшую известность получил датчик «Вентор», раз­ работанный отделом физических исследований института горного дела в Эссен-Край (ФРГ) [83]. Конструкция датчика предложена фирмой «Майхак».

Интересны исследования, проведенные по выяснению влияния изменений параметров рудничного воздуха на показания датчика. Установлено, что помехи частично взаимно компенсируются. Так, например, при изменении содержания водяного пара в воздухе в сто­ рону увеличения на 3% в связи с изменением температуры насыще­ ния с 15 до 32° С суммарная ошибка составит всего 1%. Получен важный вывод, что при нормальных производственных условиях ошибкой, вызываемой различным составом воздуха (в том числе и газовым), можно пренебречь, французской фирмой «Cerchar» совместно с западногерманской фирмой «Dreger» разработана единая общешахтная телеметрическая система для контроля скорости дви­ жения воздуха и концентрации метана в 40 точках с использованием датчика «Вентор».

Датчики, основанные на измерении времени прохождения воздушным потоком определенного расстояния

Этот тип датчиков, позволяющий определять скорость воздушного потока по скорости движения какой-либо метки, включает и ультра­ звуковые анемометры.

Внастоящее время предложено много способов создания меток

впотоках жидкостей и газов. Основными из них являются: искровая

ионизация; ионизация радиоактивными изотопами; впрыскивание

впоток порций среды, отличающейся от основной по составу, свой­ ствам или состоянию; намагничивание потока. Однако датчики переноса меток малопригодны для непрерывного измерения скоро­ сти движения воздуха в горных выработках. Несомненный интерес представляют ультразвуковые датчики для контроля средней ско­ рости воздуха в выработках. Большинство приборов для измерения скорости движения воздуха фиксирует ее значение в одной точке потока, после чего осуществляется пересчет на среднюю скорость движения воздуха по сечению выработки. Ультразвуковые приборы позволяют измерять среднюю скорость движения воздуха по ширине выработки, которая близка к средней скорости движения воздуха по сечению, что увеличивает точность измерения.

Работы по созданию ультразвукового расходомера проводились

вДГИ и Киевском институте автоматики. Ультразвуковой датчик института автоматики для измерения скорости движения воздуха типа «Уран» состоит из двух магнитострикционных ультразвуковых излучателей, двух приемников и измерительного блока. Датчик позволяет измерять как величину, так и направление движения

155

блок. Измерительный блок может быть установлен на расстоянии до 100 м от излучателей и приемников. Одновременно электрический выходной сигнал может быть передан по системе телеизмерения к диспетчеру. Опытно-промышленный образец расходомера был испытан на шахте № 1 им. Артема в Криворожском бассейне. Ис­ пытания подтвердили хорошую работоспособность датчика.

Датчики, основанные на измерении физических параметров системы «чувствительный элемент — воздушный поток»

Известно несколько схем для определения скорости движения воздуха, основанных на изменении подвижности ионов, рассеивании луча лазера твердыми частицами и др.

Величина ионизационного потока зависит кроме скорости воз­ духа от его температуры и давления, влажности и химического со­ става, которые изменяют подвижность ионов и степень их рекомби­ нации. Все это приводит к погрешности измерения скорости воздуха до ±10 -г- 15%. В последнее время в Чехословакии 177] разработан ионизационный измеритель скорости потока, в котором радиоактив­ ным источником является прометий-147. Датчик имеет очень высокую чувствительность — 0,05 м/сек. Измеритель выпускается как в нор­ мальном, так и во взрывобезопасном исполнении.

Известен также лазерный измеритель скорости движения воздуха [87]. Датчик позволяет измерять скорость движения воздуха в диа­ пазоне от 0,01 мм/сек до 1000 м/сек.

При определении количества воздуха, проходящего по выработ­ кам, важное значение для большинства автоматических датчиков имеет вопрос установления коэффициента привязки скорости воз­ душного потока, измеренной в точке установки приемного устрой­ ства датчика, к средней скорости по сечению. Исследованиями [88] установлено, что для измерения средней скорости воздуха в выработ­ ках с равномерной по всему периметру шероховатостью приемное устройство ДСДВ целесообразно располагать на расстояниях h =

— 0,7 R; 0,65 Н\ 0,65 Н; 0,73 Н; 0,38 Н от центра по оси соответст­ венно в выработках круглой, прямоугольной, квадратной, трапеце­ идальной и сводчатой форм сечения, где R — радиус выработки, Н — половина высоты выработки в свету крепи. Большинство выра­ боток рудников и шахт имеет сводчатую и трапецеидальную формы сечения.

Полученная экспериментально точка 0,38 Н для выработок свод­ чатой формы сечения практически не пригодна для установки при­ емного устройства ДСДВ из-за движения транспорта и людей.

Точка 0,73 Н для выработок трапецеидальной формы сечения более удобна для установки приемного устройства ДСДВ, однако на практике возможны случаи, когда приемное устройство ДСДВ приходится располагать в другой точке. Экспериментальное опре­ деление точки средней скорости в сечении представляет определенные

156

трудности. При расположении приемного устройства ДСДВ в про­ извольной точке сечения необходимо установить, как будет изменять­ ся коэффициент привязки скорости, измеренной в точке сечения, к средней скорости по всему сечению. Для этого рассмотрим следу­ ющие уравнения:

где V — скорость движения воздуха в произвольной точке сечения, м/сек; ѵср — средняя скорость движения воздуха, м/сек; а — ко­ эффициент аэродинамического сопротивления выработки, кг/м3; ß — статистическая постоянная, равная 0,0032—0,0038; В и С — постоян­ ные коэффициенты; Кп — коэффициент привязки.

Уравнение (III.5) получено В. Н. Ворониным для выработок круглой формы сечения, а (III.6) — для трапецеидальной [88].

Разделив (III.7) на (III.5) и на (III.6), получим

и

А'П= / ( а , ß, R

(III.8)

*„ = /(«, ß, В, С).

Отсюда следует, что К п зависит от коэффициента аэродинамиче­ ского сопротивления выработки а, а также от места расположения приемного устройства ДСДВ в выработке и не зависит от средней скорости движения воздуха и формы выработки.

Так как с течением времени а меняется незначительно, то, следо­ вательно, коэффициент привязки будет оставаться величиной по­ стоянной при различных режимах воздушного потока в данной выработке. Проведенные исследования при различных режимах воздушного потока в горных выработках показали, что колебания значения К п не превышают ±3% . Количество воздуха, проходящего по выработке, измеренное датчиком ЭТА-10-ПІ, определяется по формуле

выработки, м2; п — номер насадка (1, 2, 4, 8 — соответственно диа­ пазонам 2,5; 5,0; 10,0; 20,0 м/сек).

Суммарная предельная погрешность измерения автоматическими

157

Погрешность датчика может быть определена по формуле

Погрешность ед определяется при градуировке датчика. Погреш­ ность метода зависит от ряда факторов и выражается формулой

колебаниями абсолютного барометрического давления и температу­

где Кпср — средний коэффициент привязки для режимов воздуш­ ного потока; т — число режимов.

в точке установки приемного устройства ДСДВ. Поэтому измерять поперечное сечение выработок следует с максимально возможной точностьюОднако указанная погрешность будет величиной постоян­ ной, независимой от режима воздушной струи. В результате произ­ водственных экспериментов установлено, что суммарная предельная погрешность измерения количества воздуха в горных выработках датчиками ЭТА-10-ІП составляет ±10%, что достаточно для практи­ ческих целей. Среднеквадратичная погрешность в этом случае будет составлять около ±6%. Размещать ДСДВ в вентиляционных сетях рудников и шахт следует в соответствии с производственной необ­ ходимостью.

158

§ 11. СРЕДСТВА АВТОМАТИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ОКИСИ УГЛЕРОДА В РУДНИЧНОМ ВОЗДУХЕ

Датчик для непрерывного дистанционного определения концент­ рации окиси углерода (СО) в рудничной атмосфере является источ­ ником важнейшей информации, на основании которой принимают решения о допуске людей в забои и выработки после производства взрывных работ. Огромное значение имеет также непрерывный кон­ троль содержания СО в пожароопасных участках, отработанном и обрушенном пространстве, в очистных выработках при выпуске замагазинированной руды и в целом ряде других мест. Большинство несчастных случаев при нарушении вентиляционного режима про­ исходит из-за отравлений СО (угарным газом). В настоящее время контроль рудничного воздуха на СО производится бойцами военизиро­ ванных горноспасательных частей (ВГСЧ), работающими в изолиру­ ющих кислородных респираторах, или экспресс-анализаторами ГХ-4 (при оперативном контроле состава воздуха в забоях). Если после контроля ВГСЧ необходим последующий анализ проб воздуха в хи­ мической лаборатории, на что затрачивается значительное время и что зачастую никак не отвечает требованиям оперативного упра­ вления производством, то контроль с помощью экспресс-анализато­ ров нередко связан с опасностью отравления, так как человек должен войти в среду, где производится анализ. Отсюда ясно, насколько актуален для горной промышленности непрерывный дистанционный контроль содержания СО в рудничной атмосфере с помощью автома­ тических датчиков, устанавливаемых в соответствующих точках шах­ ты. Наряду с датчиком скорости движения воздуха датчик на СО является одним из основных элементов автоматизированной системы контроля и управления проветриванием для большинства рудников цветной и черной металлургии и подготовительных забоев угольных шахт. Однако создание автоматического датчика на СО представляет собой довольно сложную задачу, обусловленную необходимостью анализа микроконцентраций весьма инертного газа при наличии ряда мешающих факторов (газы, высокая влажность и др.).

К автоматическому газоанализатору на СО предъявляют следу­ ющие требования: предел измерения должен составлять 0—0,01% СО (при содержании 0,008% СО в рудничном воздухе допускается вход людей в забои); основная погрешность не должна превышать 0,0010—0,0015% СО; время запаздывания показаний с момента изменения концентрации на входном штуцере должно быть мини­ мальным; необходимы просасывающее и газоочистительное устрой­ ства, обеспечение автоматической записи показаний, а также устрой­ ство, осуществляющее сигнализацию при появлении концентрации СО в воздухе, превышающей норму; газоанализатор должен быть снабжен устройством, обеспечивающим дистанционный непрерывный контроль целостности газовой линии, по которой транспортируется анализируемая газовая смесь из точки отбора пробыКонтроль ра­ боты газоанализатора и его обслуживание необходимо производить

159

не чаще одного раза в неделю; отдельные блоки не должны весить более 20 кг.

Кратко рассмотрим существующие методы и средства, пригодные для автоматического анализа концентрации окиси углерода. Все датчики можно разделить на три большие группы:

1)датчики: основанные на методе поглощения окисью углерода лучистой энергии в инфракрасной области спектра;

2)датчики, основанные на предварительном химическом преоб­ разовании окиси углерода в другие химические соединения или на реакции восстановления благородных металлов из их солей;

3)датчики, основанные на методе каталитического сжигания окиси углерода до двуокиси углерода.

Датчики, основанные на методе поглощения окисью углерода лучистой энергии в инфракрасной области спектра

Определенные частоты собственных колебаний атомов, ионов или отдельных структурных групп в молекуле, а также их вращение обусловливают механизм поглощения энергии излучения газами в инфракрасной области спектра. Газы, молекулы которых состоят из двух или больше атомов или ионов, за исключением кислорода (0 2), азота (ІЧ2) и водорода (Н2), обладают способностью поглощать излучение в инфракрасной области спектра. Газы, состоящие из отдельных атомов, не поглощают энергии инфракрасной радиации. Степень поглощения излучения тем или иным газом зависит от длины волны, падающей на слой газа радиации, что и определяет возмож­ ность селективного анализа газов оптико-акустическим методом. Газ, поглощающий инфракрасную радиацию в замкнутом объеме, повышает свою температуру и соответственно давление, которые пре­ образуются в электрическую величину. На этом принципе в Специаль­ ном конструкторском бюро аналитического приборостроения АН

СССР (СКВ АП АН СССР) разработан ряд автоматических газоана­ лизаторов для непрерывного определения различных газов в газовых смесях, в том числе для определения малых концентраций окиси углерода, двуокиси углерода или метана в газовых смесях, содержа­ щих такие газы как азот, кислород, водород и инертные газы, типа ОА 5501 и для больших концентраций окиси углерода типа ОА 2109 [90].

Газоанализатор ОА 5501 позволяет измерять следующие концент­ рации СО в % по объему: 0—0,05; 0—0,1; 0—0,2; 0—0,5. Погрешность для предела 0—0,05% составляет ±10%, для остальных пределов

Газоанализатор может выдавать сигнал о заданном значении концентрации. Газоанализатор должен устанавливаться во взрывобезопасном помещении с температурой воздуха от -f5 до -f350 р;

160

и относительной влажностью до 80%, содержание пыли в газовой смеси не должно превышать 1 мг/м3. Недостаточность пределов изме­ рения (самый низкий 0—0,05%), отсутствие фильтров для очистки газовой смеси от пыли, невозможность дистанционного отбора проб (давление не более 40 н/м2) и ограничение по влажности обусло­

вливают сложность применения газоанализатора в рудничных усло­ виях.

Газоанализатор ОА 2109 рассчитан на пределы измерения СО в % по объему: 0—1; 0—2; 0—5; 0—10; 0—20; 0—30; 0—70 или

0—100 с основной погрешностью ±2,5%. Остальные технические данные и условия применения газоанализатора ОА 2109 подобны ОА 5501. Использование ОА 2109 в рудничных условиях еще более ограничено. Аналогичные газоанализаторы выпускаются в зарубеж­

сравнению с известной двухлучевой системой заключается, во-пер­ вых, в устойчивости нуля, так как какие-либо изменения источника излучения или состояния пути инфралучей проявляются в обеих составляющих в одинаковой степени и, во-вторых, достигается более высокая селективность по отношению к газовым примесям.

Газоанализатор «Унор» рассчитан на два предела: 0,0—0,03 и 0,0—0,3% СО. Питание прибора осуществляется от сети перемен­ ного тока напряжением 220 в. Потребляемая газоанализатором мощ­ ность 50 ва. Выход усилителя 0,0—5 или 0,0—10 мв. Масса газо­ анализатора без самописца около 25 кг.

Производственными испытаниями установлено, что погрешность, вносимая примесями газов, влаги и пыли, содержащихся в руднич­ ном воздухе, весьма мала, что позволяет отказаться от предваритель­ ной обработки воздуха, в частности от осушения его. Керамический и мембранный фильтры достаточно надежно защищают камеры от попадания пыли. Обслуживание прибора фактически сводится к еже­ месячной проверке места нуля и чувствительности.

Газоанализатор «Урас-2» предназначен для непрерывного изме­ рения содержания окиси углерода, двуокиси углерода, сернистого ангидрида, водяного пара, окиси азота. Прибор имеет диапазон 0,0—0,005 об. % СО. Питание прибора осуществляется от сети пере­ менного тока напряжением 220 или 110 в. Выходной сигнал 0—20 ма. Предельно допустимая температура среды ~j-45° С.

Газоанализатор «Инфралит-Ех» (рис. III.9) предназначен для непрерывного измерения содержания газов в воздухе в % по объему:

СО 0,0-0,05; С 02 0,0-0,01; N 02 0,0-0,01; СН4 0,0-0,05; С2Н„