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

Гравиметрический метод

Сущность метода заключается в автоматическом отборе проб воздуха, осаждении пыли па чашку весов, определении ее массы и регистрации сигнала на месте или дистанционно. Для осаждения пыли используют циклопы, электропреципитаторы и электромагниты. В качестве взвешивающих устройств применяют поплавковые, коромысловые и гидравлические кольцевые весы. Однако из-за низкой

в которых используется контактно-электрическое взаимодействие твердых тел. Из этих датчиков наиболее известен конитест — про­ точное устройство, состоящее из завихрителя (направляющих лопа­ стей) и чувствительного элемента, изолированного от заземленного металлического корпуса, являющегося одновременно электростати­ ческим экраномЧувствительный элемент изготовляют из полупро­ водникового материала с электронной или дырочной проводимостью и оформляют в виде прямого цилиндра или загнутой под углом трубки. При прохождении пыльного воздуха через конитест поток приобретает вращательное движение, что обусловливает относ частиц пыли к стенкам чувствительного элемента. Тип проводимости мате­ риала пыли и чувствительного элемента определяет величину и знак заряда как частиц пыли, так и чувствительного элемента. Чувст­ вительность конитеста весьма существенно зависит от влажности, физических и химических свойств пыли.

В СССР [94] и в ФРГ [95] были разработаны контактно-электриче­ ские датчики, отличающиеся от конитеста и сходные по конструк­ ции и принципу действия. В датчике [94] в поток пылегазовой смеси помещен проволочный электрод диаметром 0,15 мм, имеющий метал­ лическое острие. Недостатки конитеста свойственны и этим датчикам.

Контактно-электрическое взаимодействие частиц пыли исполь­ зовано в датчике ЦНИГРИ [96]. Электронный пылемер ЭПЦ, раз­ работанный группой сотрудников ЦНИГРИ под руководством доц., канд. техн. наук В. А. Сипягина, позволяет определять запылен­ ность воздуха в диапазоне 0,2—100 мг/м3 и имеет два диапазона: 0 -1 0 и 0—100 мг/м3.

Принцип действия ЭПЦ основан на измерении флуктуаций элек­ трического заряда пылинок, проходящих мимо изолированного от пылегазового потока сигнального электрода. Э. д. с., наведенная на сигнальный электрод и имеющая характер шума, усиливается электронным усилителем переменного тока, обеспечивающим ста­ бильность нуля датчика, интегрируется и затем может быть передана

173

по линиям связи или зарегистрирована показывающими или само­ пишущими приборами.

Приемное устройство ЭПЦ, состоящее из головки и электромет­ рического каскада, соединяется с основным блоком ЭПЦ пятижиль­ ным кабелем и резиновым шлангом, служащим для прососа пылевоз­ душной смеси через канал головки. Электронный усилитель (ЭУ) выполнен на транзисторах. На выходе ЭУ импульсы детектируются, подаются на интегрирующую цепочку с большой постоянной вре­ мени и регистрируются стрелочным показывающим прибором М-24. Одновременно показывающий прибор служит для контроля источ­ ников питания, коэффициента усиления и разряжения в отсасы­ вающей системе. Для непрерывной работы через головку ЭПЦ с по­ мощью пробудителя расхода ПР-3 должно просасываться 6—7 л/мин

Рис. III.14. Градуировоч­ ные графики ЭПЦ на пылях различного минерало­

при разряжении не менее 53,3 кн/м2. Для сглаживания пульсаций и обеспечения возможности использования ЭПЦ как переносного пылемера в корпус измерительного блока встроен ресивер объемом 1,3 л. Внутри ресивера установлен анероидно-реостатный датчик МДД, с помощью которого измеряется разрежение в ресивере. Ручным вакуумным насосом объемом 125 см3 можно создать в реси­ вере разрежение до 53,3 кн/м2, что обеспечивает просос запыленного воздуха через головку ЭПЦ с постоянной скоростью в течение 5 сек. Этого времени достаточно, чтобы по максимальному отклонению стрелки показывающего прибора зафиксировать измеренное значение запыленности воздуха. В переносном варианте пылемера источником питания служат четыре элемента ЗСЛ-ЗО общим напряжением 6 в и емкостью 30 а -ч, что обеспечивает непрерывную работу ЭПЦ в течение 150 ч. Масса ЭПЦ без побудителя расхода и самопишущего прибора составляет около 9 кг.

Влияние минералогического состава пыли на чувствительность ЭПЦ показано на рис. III.14, из которого видно, что по чувствитель­ ности датчика пыль подразделяется на ряд групп. В группу с оди­ наковой чувствительностью может попадать пыль, образующаяся

174

при разрушении совершенно различных пород и руд. Это объяс­ няется тем, что многие горные породы и руды имеют в своем составе одинаковые минералы и поэтому пыль, образующаяся при их раз­ рушении, может иметь примерно одинаковый минералогический состав. Пыль различных минералов, имеющая одинаковые электри­ ческие свойства, будет регистрироваться датчиком также одина­ ково. Это имеет важное значение при градуировке датчика.

Результаты исследований влияния дисперсности пыли на чув­ ствительность ЭПЦ (двух групп пылей различных по влиянию минера­ логического состава на чувствительность) приведены в табл. III.1.

Т а б л и ц а III.1

1 Концентрация пыли в воздухе, при которой стрелка измерительного прибора откло­ няется на всю шкалу.

Как видно из таблицы, дисперсность пыли влияет на чувстви­ тельность ЭПЦ в значительно меньшей степени, чем ее минералоги­ ческий состав. При этом уменьшение чувствительности укладывается в основную погрешность датчика (±15%).

Учитывая, что влажность рудничного воздуха оказывает суще­ ственное влияние как на физические свойства аэрозолей, так и на свойства материалов, из которых изготовлены головка и сам датчик, было исследовано действие высокой относительной влажности на работу пылемера.

Влияние водяного тумана на работу электронного пылемера ЭПЦ видно из диаграммной записи показаний датчика в одной из серий опытов (рис. III.15). Исследования проводили на одной и той же кварцевой пыли. Равномерность подачи пыли в камеру обеспечивали пылевым дозатором ЦНИГРИ. Относительная влажность воздуха при подаче тумана в камеру составляла 98% при температуре 20— 24° С. Из диаграммы видно, что водяной туман хорошо регистри­ руется ЭПЦ, причем чувствительность датчика к водяному туману выше, чем к пыли. Снижение чувствительности ЭПЦ к пыли при периодической подаче тумана заметно уже в начале опыта (участок 4). Сигнал от пыли, регистрируемый в периоды прекращения подачи

175

176

постоянной е в электрическом поле напряженностью Е0, опре­ деляется выражением [97]

Рн = ппе = 4яе0Е0( і + 2 ) d \ (III.19)

где 80 — электростатическая размерная постоянная, равная 885 • 10“І2;

Величина диэлектрической постоянной е для большинства про­ мышленных пылей находится в пределах 2 < е < 4, поэтому коэффи-

циент ^1 -ф 2 --j колеблетсяв пределах 1,5—2, что обусловливает

сравнительно слабую зависимость заряда пыли от ее физико-химиче­ ского состава.

Согласно [98], в результате термического перемещения ионов газа

Анализ экспериментальных данных показывает, что для частиц ІО'6 <Г а <ф ІО"7 м величину заряда следует,вычислить с учетом как ударной электризации (III.19), так и электризации вследствие тер­ мического движения ионов (III.20). На основе метода электризации частиц пыли в электрическом поле в СССР и за рубежом разработан ряд оригинальных конструкций измерителей запыленности газов и воздуха [99, 100].

Преимуществами данного метода являются: наличие разработан­ ной теории, позволяющей рассчитывать чувствительность и другие параметры датчика; сравнительно малая зависимость чувствитель­ ности датчика по сравнению с контактно-электрическим методом от физико-химического состава пыли.

Недостатками метода являются необходимость иметь источник высокого напряжения и значительное влияние дисперсности на вели­ чину сигнала.

По техническому заданию и при участии ЦНИГРИ во ВНИИАчермете разработан измеритель запыленности ИЗ-014, в котором исполь­ зован метод электризации частиц пыли в электрическом поле пере­ менного тока высокого напряжения [101].

Принцип действия ИЗ-014 понятен из рис. III.16. К острию элек­ трода А и концу электрода Б приложено высокое напряжение пере­ менного тока (электроды подсоединены к клеммам вторичной обмотки

высоковольтного трансформатора ВТ). Средняя точка высоковольтной обмотки трансформатора заземлена. Пылегазовую смесь пропускают через зону электродов А и Б, которая называется зоной электризации. Частицы пыли приобретают заряд, величина которого для каждой частицы зависит от ее размера, а также от величины и направления вектора напряженности поля. Таким образом, на некотором расстоя­ нии от острия коронирующего электрода возникает знако­ переменный заряд (изменя­ ющийся с частотой, равной частоте напряжения, прило­ женного к трансформатору).

Для обнаружения этого заряда на трубку В надет металличе­ ский цилиндр Г, на который наводится заряд, равный за­ ряду объема, охватываемого

Установлено, что величина заряда, охватываемого сигнальным электродом, не зависит от скорости пылегазового потока, что позво­ ляет не включать в комплект измерителя регулятор или, по крайней

мере, расходомер — непременные элементы измерителей запылен­ ности газовых сред.

Исследовано также влияние размеров частиц на величину чув­ ствительности датчика, связь между которыми определяется соотно-

где п — весовая концентрация пыли; уп — плотность пыли. Установлено, что чувствительность датчика к пыли, размеры ча­

стиц которой а <С 0,1 мк, намного выше его чувствительности к пыли,

178

датчика сбора информации в узловых точках рудника для управления проветриванием по пылевому фактору и управления пылеулавлива­ ющими средствами и устройствами (электрофильтры, водяные завесы

И др.).

Фотоэлектрический метод

Фотоэлектрический метод измерения запыленности воздуха от­ носится к числу наиболее изученных и широко распространенных методов.

Величина сигнала фотоэлектрических измерителей существенно зависит от дисперсности пыли, а также от коэффициентов преломле­ ния и отражения дисперсной средыЧувствительность фотоэлектри­ ческих пылемеров является довольно низкой. Однако благодаря своей простоте они получили распространение в СССР и за рубежом в ос­ новном в качестве индикаторов со 100%-ной шкалой и как измери­ тели большой запыленности в угольных шахтах ФПГ-6, ФГ-1, ФЭКП-1, ФКП-2, ИПМ-1. Оригинальный прибор, основанный на фотометрическом методе и построенный по двухлучевой дифферен­ циальной схеме, разработан в Новочеркасском политехническом ин­ ституте. В последнее время появилось сообщение о разработке фирмой

«Weather-Measure Corp. Sacramento» (США) портативного пылевого индикатора АР-3 на батарейном питании, основанного на принципе рассеяния света пылью, взвешенной в воздухе. Формирование сиг­ нала осуществляется фотоумножителем. Индикатор измеряет кон­ центрацию пыли в пределах 0,01—500 мг/м3 при дисперсности 0— 20 мк. Возможно получение показаний за 1 мин или более продол­ жительный период времени. Через датчик просасывается 10 л/мин-

Радиоизотопный метод

Впервые сообщения о применении ядерного излучения для изме­ рения запыленности газов появились в 1958 г. в СССР и затем в США [102].

Принцип действия датчиков основан на измерении интенсивности радиоактивного излучения, проходящего через пылевой препарат. В качестве радиоактивного излучения применяется в основном ß- и a -излучение.

Важным преимуществом таких пылемеров является независи­ мость их показаний от дисперсного и минералогического состава пыли. Точность измерения достаточно высока и составляет ±5 — -к ±15 %. Недостатком подобных датчиков является необходимость надежной защиты источника излучения и принятия мер для исклю­ чения влияния на показания загрязнения защитных окон перед излучателем и детектором.

В ФРГ фирмой «Frieseke & Hoepfner» серийно выпускаются пыле­

меры с использованием ß-излучения. Подобные пылемеры применяют в США и ГДР.

180

В СССР наибольшую известность получили, разработанный во ВНИИАчермет измеритель концентрации пыли ИКІІ [96] и перенос­ ный пылемер ИЗ В-1.

На рис. И1.19 показана блок-схема измерителя концентрации пыли ИКП-5343.

Прибор проградуирован на предел 0—50 мг/м3. Точность работы датчика ±5% , масса измерителя около 100 кг.

Производственные испытания ИКІІ, проведенные в течение девяти месяцев на горизонтах 250 и 310 м Дегтярского рудника, показали,,

ке могут служить датчиками сбора информации в автоматизи­ рованных системах контроля и регулирования проветривания.

Аэродинамический, инерционный, пневматический, конденсаторный и акустический методы

Эти методы здесь не рассматриваются, так как из-за низкой чув­ ствительности, существенного влияния мешающих факторов, слож­ ности реализации или недостаточной разработанности метода они не могут быть применены для непрерывного автоматического измере­ ния запыленности рудничного воздуха.

Выбор точки установки датчика измерения запыленности воздуха

При автоматизации контроля запыленности рудничного воздуха важное значение имеет вопрос правильного выбора точки установки приемного устройства ДПВ в выработке, так как необходимо

181.

регистрировать осреднеішую по сечению и длине выработки (в рабочей зоне) концентрацию пыли. Рассмотрим распределение концентрации пыли по сечению выработки [103].

Концентрация пыли в точке П и средняя концентрация по сече­ нию выработки Пср связаны соотношением

Важно установить, как изменяется коэффициент поля концент­ рации Кп в зависимости от дисперсности пыли и скорости воздуш­ ного потока.

Проведенными исследованиями [104] установлено, что на распре­ деление аэрозоля в выработке в основном влияет турбулентная диф­

где ѵпІІ — количество пыли, проходящей в единицу времени сверху вниз через единичную площадку; рп — скорость падения частиц;

К т — количество пыли, прошедшее через эту же площадку в об­

ратном направлении благодаря турбулентной диффузии; Кт— коэффициент турбулентной диффузии частиц; h — высота точки измеренной концентрации над почвой выработки, получаем

Принимая во внимание, что в горных выработках на расстоянии ■5d3K (d3K — эквивалентный диаметр) от источника пылеобразования в воздухе находится 95—99% пыли диаметром 2 мк и ниже, считаем, что средняя скорость падения частиц, подсчитанная по формуле Стокса, приблизительно равна 10-4 м/сек, а Кт= 0,002 м2/сек,

тогда отношение будет равно 0,05 (при R = 50 000). Лт

Учитывая изложенное, формулу (III.24) можно записать в виде:

Подсчитывая по формуле (III.25) значения Кп для различных точек сечения выработки по высоте, находим, что для данных усло­ вий значения Кп незначительно отличаются от единицы, т. е. кон­ центрация пыли размером до 2 мк распределяется в сечении выра­ ботки равномерно.

182