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

В лабораторных условиях была проведена экспериментальная проверка полученного вывода, по результатам которой построены графики (рис. III.20). Теоретические и экспериментальные данные имеют хорошее совпадение (коэффициент вариации простого среднего отклонения АѴ = 3,2% и стандарта отклонения Ѵа = 4,5%).

При содержании в воздухе пыли размером 2—10 мк равномер­ ность распределения концентрации нарушается, при этом максимум

концентрации пыли по длине выработки, учитывающая распре­

где П — запыленность рудничного воздуха на расстоянии L от на­ чального сечения; П0 t — запыленность воздуха в начальном сече­ нии; К — коэффициент осаждения; L — расстояние от начального сечения до рассматриваемого; R — гидравлический радиус выработки; / — функция безразмерного параметра; ѵср — средняя скорость воз­ душного потока в выработке; vs — средняя скорость падения (ви­ тания) пылинок.

Эта зависимость проверена в условиях угольных шахт. Найдено,, что для пластов пологого залегания К = 0,1667.

В ЦНИГРИ кандидатами техн. наук Е- И- Черновой и Б. В. Хрониным были проведены исследования по определению коэффициента

183

184

Анализируя полученные данные и графики, можно сделать выводг что ДИВ можно устанавливать на расстоянии 10—30 м от источ­ ника пылеобразования практически в любой точке сечения. При таком удалении от источника пылеобразования скорость движения воздуха на К влияет весьма незначительно (коэффициент вариации значении К составляет 6—7%) и соотношение фракций почти не меняется. Однако, зная концентрацию пыли в начальном сече­ нии (2 м от источника), измеренную автоматическим ДПВ, с учетом (III.22), а также (III.26) и (III.28), можно определить среднюю кон­ центрацию в любом сечении на любом расстоянии от источника пы­ леобразования, что, однако, связано с дополнительными расчетами.

§ 13. СРЕДСТВА АВТОМАТИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ КИСЛОРОДА В РУДНИЧНОМ ВОЗДУХЕ

Существует множество рудников (особенно медноколчеданных) и угольных шахт, в выработки которых выделяется обескислорожен­ ный воздух (обогащенный азотом N2 и двуокисью углерода С 02). Отмечены случаи быстрого снижения содержания кислорода в воз­ духе очистных и подготовительных выработок до 1—2% по объему при прекращении проветривания. Как известно, при содержании кислорода в воздухе 12% атмосфера становится смертельно опасной. Выделение воздуха с пониженным содержанием кислорода проис­ ходит в основном из выработанных и обрушенных пространств в ре­ зультате окисления потерянного полезного ископаемого и деревян­ ной крепи, бактериальных процессов, процессов разложения кар­ бонатных пород кислыми водами и т. д. Выделение обескислорожен­ ного воздуха связано также с наличием пожарных участков, древних выработок, трещин и геологических нарушений. Кроме того, в ре­ зультате производства взрывов, работы машин и механизмов, дея­ тельности людей, окисления полезного ископаемого, вмещающих пород и крепи воздух, поступающий в выработки, непрерывно теряет кислород, хотя менее значительно, чем при выделениях обескислоро­ женного воздуха из выработанных и обрушенных пространств, пожарных участков и кислотно-бактериальном разложении руд и по­ род. Зарегистрировано немало несчастных случаев из-за попадания людей в выработки с пониженным содержанием кислорода в воздухе. В настоящее время причины и характер снижения содержания кисло­ рода в воздухе рудников и шахт достаточно хорошо изучены.

Существующий способ контроля рудничного воздуха в выработ­ ках, опасных по снижению содержания кислорода, заключается в отборе проб воздуха в резиновые камеры с последующим химиче­ ским анализом в лаборатории. Пробы воздуха отбирают бойцы ВГСЧ в кислородных изолирующих респираторах, что, как уже отмечалось выше, не отвечает требованиям оперативного управле­ ния производством. Кроме того, этот метод не позволяет своевре­ менно выявить выработки, в которых происходит постепенное сни­ жение содержания кислорода даже при работающей вентиляции.

185

Работами, выполненными в ЦНИГРИ [105], доказана необходи­ мость непрерывного автоматического контроля содержания кисло­ рода в воздухе горных выработок. Специфическими требованиями, предъявляемыми к датчику для непрерывного дистанционного изме­ рения процентного содержания кислорода в рудничном воздухе, являются следующие.

Датчик концентрации кислорода (ДКК) должен иметь пределы измерения 0 —21% 0 2 (при этом погрешность не должна превышать ±0,5% 0 2); должен иметь выносное приемное устройство, позволя­ ющее производить забор проб воздуха на расстоянии не менее 150 м от точки установки основного анализирующего блока ДКК; обладать

определения содержания кислорода в рудничном воздухе. Принцип действия газоанализатора МН-5122М основан на ис­

пользовании термомагнитной конвекции анализируемого воздуха, которая обусловлена свойствами молекул кислорода. Это свойство кислорода отличает его от всех остальных компонентов анализируе­ мого воздуха. Магнитные свойства кислорода (магнитная восприим­ чивость, убывают с повышением температуры. Поэтому, если нагретый проводник (чувствительный элемент), непрерывно омываемый кисло­ родсодержащей газовой смесью, поместить в магнитное поле, моле­ кулы кислорода, нагреваясь у поверхности проводника, будут час­ тично терять свои магнитные свойства и выталкиваться «холодными» молекулами, которые, в свою очередь, будут нагреваться и выталки­ ваться новыми порциями «холодных» молекул. Так возникают кон­ векционные потоки, т. е. термомагнитная конвекция. При изменении интенсивности термомагнитной конвекции, зависящей от содержа­ ния кислорода в анализируемом воздухе, меняется теплоотдача нагретого проводника и, следовательно, его температура и электри­ ческое сопротивление. Поэтому по величине сопротивления чувстви­ тельного элемента можно судить о содержании кислорода в анали­ зируемом воздухе.

186

В качестве измерительной схемы в газоанализаторе использована компенсационно-мостовая схема (рис. III.23). Основными элемен­ тами схемы являются рабочий / и сравнительный I I мосты. После­ довательно с рабочим и сравнительным мостами включены дополни­ тельные мосты, предназначенные для компенсации влияния измене­ ний температуры окружающей среды на показания газоанализатора (на рисунке не показаны).

Конструктивно газоанализатор МН-5122М выполнен по блоч­ ному принципу и скомпонован в двух металлических ящиках.

На рис. III.24 показана блок-схема газоанализатора МН-5122М-

1

Рис. III.24. Блок-схема газоанализатора МН-5122М:

Блок распределения газа РБ предназначен для поочередного» отбора анализируемого воздуха из восьми точек. Переключение точек производится автоматически или вручную. Продолжительность отбора из одной точки при автоматическом переключении 3 мин. Точка, из которой производится отбор анализируемого воздуха,, высвечивается на лицевой панели РБ. Из РБ анализируемый воздух поступает по газопроводу в основной блок газоанализатора. Блок РБ выпускается также на четыре точки контроля.

Приемник является основным блоком газоанализатора. Главным узлом приемника является магнитный датчик, состоящий из каркаса, магнитной системы и держателей с чувствительными элементами.

В каркасе датчика расположены камеры рабочего и сравнитель­ ного мостов.

Электронный показывающий блок предназначен для отсчета содержания кислорода в анализируемом воздухе в процентах по объему. Блок имеет устройство, замыкающее и размыкающее

187

■специальные контакты для управления средствами сигнализации и регулирования в обслуживаемых точках. Основными узлами элект­ ронного показывающего блока являются: показывающий прибор,

ЗУ, РД и РХ.

Блок совпадения служит для блокировки включения средств сиг­ нализации или регулирования в любой из обслуживаемых газоана­ лизатором точках, если в них обнаружено недопустимое содержание кислорода. Средства сигнализации или регулирования остаются включенными до очередного отбора проб рудничного воздуха в этих

Рис. III.25. Диаграмма неустаношівшихся газодинамических процессов:

а — снижения концентрации; б — повышения концентрации

точках, т. е. в течение всего цикла обегания. Если за время цикла обегания в точках с недопустимым содержанием кислорода норма не была достигнута, то средства сигнализации или регулирования остаются включенными на следующий цикл.

Анализируемый воздух вследствие работы одной из воздуходувок поступает в газоанализатор, предварительно пройдя через отстойник и специальные матерчатые фильтры. После блока распределения часть анализируемого воздуха попадает в приемник, а остальная часть — сбрасывается по байпасному газопроводу в атмосферу. Требуемый расход анализируемого воздуха устанавливается по ротаметру с регулирующим вентилем.

Для записи показаний на диаграммную ленту (рис. III.25) приме­ няли самопишущий малогабаритный прибор Н-340. Газоанализатор имеет шкалу кислорода 0—25%. Основная погрешность ±0,5% по

188

объему (цена деления 0,5% кислорода по объему). Газоанализатор начинает реагировать в каждой точке через 30 сек после подключения. Расход воздуха через датчик составляет 0,7 л/мин, производитель­ ность воздуходувок 2,8—3,0 л/мин. Масса газоанализатора 78 кг. Исполнение — вибростойкое, ударопрочное, антикоррозионное, водо­ защищенное. Для проведения производственных испытаний пять газо­ анализаторов МН-5122М в разное время были установлены в различ­ ных точках Дегтярского рудника. Всего контролировали более 30 точек. Для правильного выбора необходимого диаметра и длины

1 — откаточный полевой штрек; г — вентиляционный полевой штрек; 3 — полевой восстающий; 4 — подэтажиые квершлаги; 5 — рудоспуск; 6 — вос­ стающие; 7 — слоевой штрек; 8 — заходка; 9 — газоанализатор

воздухоподводящих трубок были проведены исследования, резуль­ таты которых отражены на диаграмме (см. рис. ШЛО). Газоанализа­ торы МІІ-5122 и МН-5122М были установлены на Дегтярском руднике для непрерывного дистанционного автоматического контроля содер­ жания кислорода в воздухе тупиковых нарезных и очистных выра­ боток, а также в воздухе отработанного и обрушенного пространства через скважины. Опыт эксплуатации показывает, что наиболее целе­ сообразно кислородные газоанализаторы устанавливать на полевом откаточном штреке. При этом значительно облегчается обслужива­ ние и наиболее просто достигается возможность контроля одним устройством содержания кислорода в шести — восьми точках.

На рис. III.26 показана схема установки газоанализатора МН-5122М на полевом откаточном штреке. При осуществлении непре­ рывного дистанционного контроля содержания кислорода в воздухе

189

очень важно правильно расположить концы импульсных воз­ духоподводящих трубок в пространстве выработки. Исследованиями установлено, что концентрация кислорода распределяется в сечении выработок неравномерно: она выше в верхней и ниже в нижней части выработки.

Установлено также, что конец импульсной трубки следует рас­ полагать на расстоянии 5—10 м от конца нагнетательного вентиля­ ционного трубопровода на высоте 0,5—0,75 м от почвы выработки. Регистрация более низкого содержания кислорода будет служить дополнительной гарантией безопасности.

Рис. II1.27. Кривая распределения случайных ошибок определения содержания кислорода в рудничном воз­ духе газоанализатором МН-5122М

Для проверки точности работы газоанализаторов в рудничных условиях необходимо сопоставление их показаний с результатами химического анализа.

В течение 1963—1965 гг. были получены многочисленные данные, которые затем обработаны с помощью методов математической ста­ тистики. Установлено, что А = 0,25 и о = 0,316, т. е. а ^ 1,25Л, поэтому можно считать, что ошибки распределяются в вариацион­ ном ряду по нормальному закону.

Распределение частот случайных ошибок приведено в табл. III.2 и показано на рис. III.27.

Допустимая абсолютная ошибка измерения содержания кисло­

в воздухе газоанализатором; ехим — абсолютная ошибка измерения содержания кислорода в воздухе химическим методом.

190

Ошибка ехнм составляет ±0,1 % кислорода по объему, егаз, согласно технической характеристике, составляет ±0,5% кислорода по объему.

В ГДР народное предприятие «Юнкалор» выпускает газоанали­ затор на кислород «Пермолит-Ех» (рис. III.28), работающий по тому же принципу и предназначенный для автоматического измерения и контроля концентрации процентного содержания кислорода. Газоанализатор может быть проградуирован практически на любые пределы содержания кислорода в воздухе, в частности 0—21% 0 2.

«Пермолит» изготовляют двух типов — нормального для неагрес­ сивных газов и коррозионно-устойчивого для агрессивных газов, в нормальном и взрывобезопасном исполнении. Основной блок «Пермолита» состоит из трех узлов: измерительной системы с термостатом; полупроводникового стабилизатора напряжения и регулятора

191

температуры; устройства управления с показывающим прибором. Все узлы выполнены сменными.

«Пермолит» выпускают для настенного и щитового монтажа. Дополнительно к прибору изготовляют отдельно: различные элект­ ронные самопишущие показывающие и регулирующие приборы, элек­ трические холодильники для охлаждения горючего газа или воздуха, трехили шестиканальные переключатели газа для поочередного отбора проб из нескольких точек, регулирующие вентили, побуди­ тели расхода типа бескривошипного насоса и другие вспомогатель­ ные устройства. Масса основного блока 26 кг, рабочее напряжение 220 в частотой 50 (60) гц, потребляемая мощность 70 ва. Требуемый расход анализируемого газа 0,5—1,0 л/мин, расход газа в основном блоке «Пермолита» 0,3 л/мин, давление газа 101,3—106,8 кн/м2, допустимая температура окружающего воздуха 5—40° С. Время запуска примерно 2 ч. Интервал времени, в течение которого показа­ ния превышают 95% амплитудного значения, составляет 27 сек. Погрешность ±2% от верхнего предела шкалы.

Оригинальную конструкцию портативного газоанализатора на кислород ОА 200 изготовляет американская фирма «Biomarine Industries» [106]. Прибор не требует перезарядки и на его показа­ ния не оказывают влияния примеси углекислого газа и высокая влажность воздуха. В ОА 200 предусмотрена автоматическая ком­ пенсация температуры в диапазоне 0—40° С. Газоанализатор можно применять в атмосфере, содержащей горючие и взрывчатые газы, а также в условиях запыленности и задымленности. Предусмотрена возможность подключения газоанализатора к системам телеконтроля и телеизмеренияМасса прибора примерно 2 кг.

§14. ДАТЧИКИ АВТОМАТИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ

ИКОНТРОЛЯ КОНЦЕНТРАЦИИ МЕТАНА

Методы расчета, схемы и конструкции автоматических датчиков концентрации метана подробно описаны в специальной литературе

[107, 108].

Здесь будут рассмотрены лишь общие принципы действия и основ­ ные особенности наиболее широко применяемых в настоящее время в СССР и за рубежом датчиков для систем централизованного конт­ роля.

Специфические физико-химические свойства метана обусловли­ вают возможность применения трех основных методов автоматизации процесса измерения метана.

Метод, основанный на измерении оптического поглощения (инфра­ красного излучения), позволяет достичь высокого быстродействия (доли секунды), но он применим лишь для специфических условий шахт, опасных по внезапным выбросам, из-за сложности, больших габаритов и низкой надежности датчиков.

Метод теплопроводности основан на изменении температуры и, следовательно, сопротивления нагретого термочувствительного эле­

192