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

мента в зависимости от теплопроводности метано-воздушной смеси, зависящей от концентрации в ней метана. Преимущество этого метода — возможность измерения концентрации в широком диапа­ зоне (0—100% СН4), основной недостаток — значительная зависи­ мость показаний датчика от давления, температуры и содержания в среде углекислого газа и паров воды. Датчики, основанные на этом принципе, нашли применение в основном на угольных шахтах Японии. В японских метаномерах в качестве чувствительных эле­ ментов используют термисторы, а для снижения погрешности изме­ рения до 0,2% СІІ4 применяют специальные методы температурной компенсации и предварительной очистки газовой смеси от угле­ кислого газа и паров воды.

Метод термокаталитического детектирования метана, получив­ ший наибольшее распространение в мировой практике при создании автоматизированных систем контроля метана, основан на эффекте сгорания метана на нагретом рабочем элементе датчика и соответст­ вующем повышении его температуры, пропорциональном содержа­ нию метана в смеси. Этот метод применим для сравнительно узкого диапазона измерений (0—10% СН4), так как эффект сжигания зави­ сит от содержания кислорода в смеси.

Несмотря на некоторые особенности, все термокаталитические датчики в конструктивном отношении выполнены как однокамерные, а в схемном — с использованием дифференциально-мостового прин­ ципа измерения.

Для компенсации влияния других горючих компонентов газовой смеси и таких параметров, как температура, влажность, давление, пыль ит. д., воспринимающий узел датчика выполнен из двух чувст­ вительных элементов, помещаемых в общую проточную камеру: рабочего, на котором происходит сгорание метана, и компенса­ ционного (идентичного рабочему), на котором сжигания не проис­ ходит.

По принципу действия датчики концентрации метана (ДКМ) делят на две группы — с косвенным подогревом и совмещенные. В датчиках первого типа для сжигания метана предусматривают специальный нагревательный элемент, а для измерения темпера­ туры — измерительный термочувствительный элемент. К этой группе относится воспринимающий элемент ДКМ аппаратуры АМТ-2.

В датчиках второго типа функции нагрева и измерения совме­ щены в одном элементе. По этому принципу выполнены, например, ДКМ аппаратуры АМТ-3 и французской телеметрической аппара­ туры института «Cerchar».

В зависимости от материала чувствительного элемента ДКМ так­ же делятся на два класса. К первому классу относятся ДКМ со сплошными элементами, выполненными из металлического катали­ затора, например платины. ДКМ этой группы отличаются высокой температурой нагрева воспринимающего элемента (750—900° С).

Ко второму классу относятся низкотемпературные (350—450° С) чувствительные элементы, у которых беспламенное сжигание метана

происходит на мелкодисперсном катализаторе (платинопалладиевом, платинородиевом и др.). ДКМ этого класса более долговечны, так как платиновый элемент выгорает значительно быстрее, чем порош­ ковый катализатор, но имеют меньшую точность измерения из-за сложности изготовления мелкодисперсных катализаторов в точном соответствии с рецептурой и постепенного изменения их свойств.

Наиболее характерным представителем термокаталитических ДКМ с совмещенными воспринимающими элементами из сплошного ката­ лизатора являются датчики французской телеметрической аппара­ туры института «Cerchar» [109]. Рабочий и компенсационный эле­ менты (спирали) датчика размещены в общей цилиндрической ка­ мере и включены в противоположные плечи измерительной мостовой схемы. Каждый элемент выполнен в виде спирали внешним диа­ метром 0,3 мм, навитой из платиновой проволоки диаметром 80 мк. Рабочая спираль нагревается до 900° С, а компенсационный элемент, выполненный из этой же проволоки, не нагревается до критической температуры, при которой происходит сжигание метана, благодаря большей теплоотдачи спирали, наматываемой с меньшей плотностью и меньшим числом витков.

Цилиндрическая реакционная камера датчика снизу защищена мелкоячеистой проволочной сеткой и окружена пакетом кольце­ образных пластин, служащих механической защитой, а также допол­ нительной защитой против выброса пламени. Воздухообмен в камере через пластинчатую защиту осуществляется благодаря естественной циркуляции воздуха, т. е. без внешнего побудителя расхода. Сиг­ нал, снимаемый с диагонали измерительного моста датчика, обусло­ вливается нарушением его равновесия при сгорании метана, посту­ пающего в реакционную камеру на рабочей спирали и пропорцио­ нален в пределах небольшого (0—3% СН4) диапазона измерений его концентрации.

Так как платиновая спираль при непрерывном нагреве имеет небольшой срок службы, воспринимающий элемент датчика рас­ считан на кратковременные периодические включения, что и опре­ делило техническую реализацию телеметрической системы контроля концентрации метана. При импульсном режиме работы спирали нагреваются до высокой температуры, поэтому большое значение, кроме случайной ошибки, приобретают такие параметры, как систе­ матическая ошибка (смещение нуля), долговечность и потеря чувстви­ тельности датчика.

Наибольшее суммарное отклонение показаний датчика за 10 дней работы составляет примерно 4% верхнего предела измерений, сред­ нее отклонение нулевой точки — 0,095%.

Смещение нулевой точки во времени носит параболический харак­ тер, т. е. в начале эксплуатации оно растет незначительно, а к концу срока эксплуатации — возрастает резко, превышая среднее значение. Скорость смещения нулевой точки значительно возрастает с увели­ чением концентрации метана в атмосфере, окружающей датчик. Как показывает практика эксплуатации, датчики целесообразно

194

еженедельно регулировать, тогда даже к концу гарантийного срока их эксплуатации погрешность измерений в интервале 0—3% СП4 не превышает ±0,1% СП4.

Срок службы чувствительных элементов зависит также от изме­ ряемой концентрации метана, обусловленной различной степенью испарения платины с поверхности спирали. Так, при работе в чис­ том воздухе спирали работают до 8 месяцев (76 импульсных циклов измерений), а при концентрации 1,2% СН4 срок службы датчиков уменьшается до 5 месяцев.

Чувствительность датчиков понижается также с течением вре­ мени при эксплуатации из-за внутренних структурных изменений в спиралях.

Инерционность датчиков составляет не более 2 мин в неподвиж­ ной среде.

Дальнейшим совершенствованием ДКМ у нас в стране явилась новая разработка институтов ИГД им. А. А. Скочинского, Гипроуглеавтоматизация, МакНИИ и Автоматуглерудпром (АМТ-3), представляющая собой унифицированную миниатюрную термо­ группу, рассчитанную на применение как в переносной, так и в ста­ ционарной аппаратуре. В отличие от термогруппы аппаратуры АМТ-2 новая термогруппа, примененная в аппаратуре АМТ-3, а также в переносных индикаторах метана СМП-1 и СШ-1, отно­ сится ко второй группе второго класса, т. е. нагрев и измерение сов­ мещены в одном нагревательном элементе, что позволило сократить потребляемую мощность и уменьшить габариты ДКМ.

Так как полное линейное термическое сопротивление тепло­ передачи больше при наружном расположении термоэлемента, то в рассматриваемой термогруппе в отличие от термогруппы АМТ-2 нагревательно-измерительная спираль намотана снаружи на ци­ линдрики из окиси алюминия, один из которых (рабочий элемент) покрыт платинопалладиевым катализатором.

Погрешность отечественных ДКМ [107] не превышает ±0,2% СН4 за семь дней непрерывной работы, что в два раза больше погреш­ ности ДКМ аппаратуры «Cerchar», однако долговечность термогрупп в десятки раз превышает долговечность французских платиновых термогрупп.

Инерционность (приблизительно ЗТД) ДКМ аппаратуры АМТ-2 и АМТ-3 не превышает 1 мин. При этом следует отметить, что посто­ янная времени Тя ДКМ является переменной и зависит от скорости

Дальнейшее совершенствование отечественных ДКМ осущест­ вляется в двух направлениях. В конструктивном отношении наме­ чается дальнейшее уменьшение размеров и потребляемой мощности. Для этого разработчики термогруппы АМТ-3 исследуют сверхми­ ниатюрный точечный термочувствительный элемент, у которого

нагревательно-измерительная спираль «заливается» мелкодисперсной основой, содержащей катализатор (у рабочего элемента), либо не име­ ющей катализатора (у компенсационного элемента).

Такой элемент с герметизированной спиралью должен иметь повышенную долговечность и механическую прочность, однако по­ грешность измерения во многом зависит от качества приготовления катализатора и изготовления термогруппы в целом.

В схемном отношении появление миниатюрных термогрупп ДИМ позволит резко повысить достоверность измерений и автоматизиро­ вать контроль исправности ДКМ благодаря введению структурной избыточности, т. е. применению нескольких ДКМ для .каждой контролируемой точки.

§ 15. СРЕДСТВА АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ РУДНИЧНОГО ВОЗДУХА И ПОРОД

Контроль температуры воздуха и пород в шахтах и рудниках осуществляют: при наблюдениях за пожароопасными зонами и уча­ стками с целью предупреждения и профилактики эндогенных пожа­ ров; в шахтных стволах на входящей струе для автоматизации ра­ боты калориферных установок, обеспечивающих подогрев воздуха в зимний период; в камерах для электрических машин и распредели­ тельных устройств, где температура воздуха согласно ПБ не должна превышать температуру воздуха в прилегающих выработках более, чем на 5° С; на глубоких горизонтах при работе установок кондицио­ нирования воздуха и других точках.

Для контроля температуры воздуха и пород на Дегтярском руд­ нике ЦНИГРИ использованы электронные самопишущие и регули­ рующие многоточечные мосты и потенциометры МС-1 и ПС-1 с пре­ делом измерения 0—100° С и точностью ±0,5% в комплекте с мед­ ными термометрами сопротивления ТСМ-Х, а также многоточечные (на 6 и 12 точек) электронные показывающие приборы ЭМВ-2. Эти приборы, длительное время применяемые для контроля за пожар­ ным состоянием отработанного и обрушенного пространств, в ряде случаев позволили получить значительную экономию благодаря тому, что не применяли дорогостоящие плановые проиливания глинопульпой отдельных участков.

Для автоматизации калориферных установок институтом Автоматгормаш разработан датчик РТК-2 с искробезопасными цепями контроля температуры воздуха в стволе шахты. В качестве чувстви­ тельного элемента в автоматическом импульсном регулирующем устройстве РТК-2 используются терморезисторы ММТ-12 и КМТ-12, размещаемые в защитном корпусе.

Аппарат регулирования состоит из показывающего прибора — микроамперметра, двух исполнительных реле (нижнего и верхнего температурного уровней) с блокинг-генераторами и стабилизирован­ ного блока питания, заключенных в корпус. Показывающий прибор служит для настройки и проверки пределов регулирования. У дис­

196

петчера устанавливают второй прибор — для дистанционного конт­ роля температуры в шахтном стволе. Датчик устанавливают в стволе шахты на глубине 40—60 м и соединяют с аппаратом регулирования, установленным в здании калориферной установки, четырехжилыіым кабелем с сечением жил не менее 1,5 мм2.

Диапазон измеряемой и регулируемой температуры —2 + 10°С, погрешность измерения ±0,2° С, погрешность регулирования 1° С.

§ 16. УСТРОЙСТВА ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА ПО ГОРНЫМ ВЫРАБОТКАМ

Все средства внутришахтного регулирования количества воздуха в выработках по характеру их действия в рудничной вентиляцион­ ной сети можно разделить на две большие группы: «положитель­ ные», уменьшающие сопротивление отдельных ветвей, и «отрица­ тельные», соответственно увеличивающие.

Применяют также комбинированное регулирование, сочетающее средства обеих групп.

К первой группе регулирующих устройств относятся подземные вспомогательные вентиляторы (ГІВВ) с регулируемой на ходу про­ изводительностью и устройства типа эжекторов.

Ко второй группе относятся различные дроссельные регулиру­ ющие устройства, воздушные и водяные завесы.

Автоматическое регулирование проветривания рудников и шахт с помощью ПВВ, размещенных соответствующим образом в вентиля­ ционной сети [10, 12], может быть применено только при высокой надежности всей системы автоматического управления как при нор­ мальных, так и при аварийных режимах работы. Остановка ПВВ, работающего с перемычкой, по тем или иным причинам (выход из строя двигателя, прекращение подачи электроэнергии и т. д.) неизбежно приводит почти к полному прекращению поступления воздуха в забой или на участок, что, в свою очередь, может вызвать серьезную аварию (загазирование выработок). Работа же ПВВ без перемычки малоэффективна. Поэтому в последние годы усилия исследователей и разработчиков направлены на создание РРВ с ис­ полнительными органами дроссельного типа (жалюзи, двери, шторки и др.). Регулирующие устройства типа эжекторов и воздушных завес находят меньшее применение из-за своей неэкономичности и недоста­ точной глубины регулирования.

В результате проведенных работ в ДГИ [1], ЦНИГРИ [111], ИГД АН Казахской ССР [110, 112] и НИИрудвентиляции [ИЗ] предложены различные типы исполнительных органов РРВ и иссле­ дованы их аэродинамические свойства. Из результатов исследова­ тельских и конструкторских работ следует, что РРВ с линейной расходной характеристикой, достигаемой, например, благодаря специальному профилю проходного сечения, перекрываемого пере­ мещающейся шторой, является теоретически наиболее предпочти­ тельна м и с точки зрения качества расходной характеристики. Однако

197

в отношении простоты конструкции РРВ с линейной расходной характеристикой уступает РРВ жалюзийного типа, являющегося наиболее рациональным для условий рудников и шахт.

В работе [111] установлено, что толщина перемычки заметно влияет на величину площади проходного сечения одностворчатых исполнительных органов и значительно меньше — многостворчатых. При установке в выработках одностворчатых исполнительных орга­ нов для повышения эффективности их работы необходимо сооружать перемычки толщиной, равной ширине створки, и располагать испол­ нительный орган в центре перемычки (по толщине). Для многоствор­ чатых исполнительных органов жалюзийного типа это условие необязательно. Установлено также, что для многостворчатых испол­ нительных органов в пределах угла поворота створок 0—40° коэффи­

и том же положении исполнительного органа. Это объясняется как различием законов изменения относительного проходного сечения исполнительных органов, так и условиями прохождения воздушного потока через ИО. При большем числе створок коэффициент местного сопротивления снижается благодаря выравнивающему действию створок на воздушный поток. Наиболее эффективное с этой точки зрения число створок исполнительного органа составляет 3—6. Выбор сечения исполнительного органа для той или иной вентиля­ ционной выработки весьма прост и в условиях рудников сводится практически к вписыванию габаритов исполнительного органа максимальных размеров и прохода для людей в сечение выра­ ботки.

Для специфических условий угольных шахт целесообразно ориен­ тироваться на РРВ с одностворчатым исполнительным органом, что обусловлено необходимостью пропуска транспорта и примене­ нием специальных мер по защите от горного давления. Опытный образец РРВ подобного типа разработан ДГИ и испытан в про­ мышленных условиях. РРВ конструкции ДГИ, принятый в каче­ стве базисного для систем диспетчерского управления проветрива­ нием шахт, состоит из следующих основных блоков: одностворча­ того жалюзийного вентиляционного окна с исполнительным меха­ низмом и датчиками крайних положений; вентиляционной двери с исполнительным механизмом; аппаратуры дистанционного упра­ вления, состоящей из шахтного полукомплекта с блоком питания и поверхностного полукомплекта; аппаратуры автоматического про­ пуска транспорта, содержащей путевые датчики и устройства логики.

РРВ предназначен для выполнения дистанционного регулиро­ вания количества воздуха, протекающего по выработке, пропуска транспорта, прохода людей.

Кроме того, аппаратура управления и исполнительное устрой­ ство РРВ обеспечивают выполнение следующих специальных тре­ бований:

198

пропуск транспорта при выходе из строя аппаратуры управле­ ния или отсутствии любого вида энергии;

неизменность положения регулирующего органа при обрывах линий связи, отказах аппаратуры дистанционного управления, отсутствии любого вида энергии или реверсе струи;

защиту узлов исполнительного устройства от воздействия горного давления;

местную подачу управляющих воздействий на регулирующий орган;

защиту исполнительного механизма от механических поврежде­ ний в крайних положениях;

возврат регулирующего органа в исходное положение после пропуска транспорта и прохода людей;

безопасность для горнорабочих и транспортных средств при пере­ мещении их в зоне действия исполнительного устройства РРВ.

Вобласти создания РРВ для условий рудных шахт наибольшее внимание заслуживают работы ЦНИГРИ.

В1963—1969 гг. ЦНИГРИ совместно с Дегтярским рудником при участии Специального конструкторского бюро систем промыш­ ленной автоматики разработаны два типа автоматических вентиля­ ционных регулирующих устройств АВО и ВАРУ [8, 114]. АВО — автоматическое вентиляционное окно, представляющее собой замкну­ тую локальную систему автоматической стабилизации заданного расхода воздуха, выполненную на контактных элементах автоматики На рис. III.29 показана блок-схема АВО. Для измерения скорости

в§ 10.

Вкачестве вторичного прибора в схеме применен электронный самопишущий показывающий и регулирующий потенциометр ПСР1-14 с пределом измерения 0—10 мв и погрешностью не более ±0,5% . Потенциометр ПСР1-14 снабжен задатчиком, сигнализацией и устройством для дистанционной передачи показаний.

Принципом работы прибора является компенсационный метод

измерения напряжения.

ПСР1-14 питается от сети переменного тока напряжением 127 или 220 в при частоте 50 гц и потребляет мощность ~60 ва. В прибор вмонтировано устройство дистанционной передачи показаний, пред­ ставляющее собой дополнительный реохорд, движок которого жестко соединен с движком измерительного реохорда и, таким образом, его положение определяется значением измеряемой величины.

Дополнительный реохорд может быть подключен к логометру ЛМПР-01 или другому прибору, показания которого будут дубли­ ровать показания ПСР1-14. Погрешность устройства дистанционной передачи показаний не превышает ±0,5% .

Для работы с изодромным регулятором в ПСР1-14 вмонтирован задатчик R n с 10%-ной зоной пропорциональности, который пред­ ставляет собой стабилизированный по температуре реостат, имеющий

199

одну рабочую шину с намотанной спиралью, одну токосъемную шину и движок.

Задатчик включается в электрическую схему изодромного регуля­ тора ИРМ-240. Задатчик снабжен также сигнальным устройством, срабатывающим при отклонениях регулируемого параметра вьйне или ниже заданных пределов.

H ° j£

£ -

г~\мэк-10і?.

стм

ДСДВ

ПСР1-П

r-t'W w V v-i

kj

1270

Рис. III.29. Блок-схема автоматического вентиляционного окна

Для автоматического регулирования количества воздуха, про­ ходящего по выработке, использован малогабаритный электрический изодромный регулятор ИРМ-240 совместно с электрической схе­ мой управления АВО. Электрическая схема позволяет осуществлять управление работой исполнительного механизма МЭК-10К вручную с помощью кнопочного управления КУ. В электрическую схему входят также магнитный реверсивный пускатель МКР-0-58, универ­ сальный переключатель УII, силовой трансформатор Трі 127/220 в, рубильник питания Вк, предохранители Ир, сигнальные лампы СЛк и СЛз соответственно красного и зеленого цвета, указывающие

200

положения полностью закрытого и полностью открытого исполни­ тельного органа.

Электрический изодромный регулятор ИРМ-240 воздействует на процесс регулирования через электрический исполнительный механизм МЭК-10К, сочлененный с исполнительным органом ИО жалюзийного типа, имеющего постоянную скорость вращения вы­ ходного вала.

Регулятор ИРМ-240 питается от сети переменного тока напряже­ нием 220 в и частотой 50 гц, потребляемая мощность составляет 40 ва. Исполнительный механизм МЭК-10К состоит из двухфазного асинхронного конденсаторного электродвигателя с полым ротором АДП-362, двух редукторов (малого и базового), автотрансформатора и узла реохордов.

Наличие в кинематической цепи МЭК-10Е червячных пар обеспе­ чивает самоторможение механизма при воздействии на выходной вал активной нагрузки, а также при отключении питания электродвига­ теля. Автотрансформатор служит для понижения сетевого напряже­ ния 127 или 220 в до напряжения 110 ± 10 в в обмотке управления.

Узел реохордов и конечных выключателей содержит два рео­ хорда по 120 ± 5 ом и два конечных выключателя. Один из реохор­ дов предназначен для обратной связи, другой — для дистанционного указателя положения. Конечные выключатели служат для выключе­ ния электродвигателя в крайних положениях и для осуществления сигнализации лампами СЛк и СЛз о полностью закрытом или пол­ ностью открытом ИО. Потребляемая мощность электродвигателя не более 180 ва. Механизм выполнен в пылебрызгозащигценном корпусе.

Для АВО разработаны трех- и четырехстворчатые жалюзийные ИО для вертикальной и горизонтальной установки в поперечном сечении выработок.

На рис. III.30 показан быстроразъемпый исполнительный орган жалюзийного типа, выполненный на клиновых соединениях. Такая конструкция позволяет производить быстрый монтаж и демонтаж ИО. В табл. III.3 приведены основные конструктивные параметры испол­

Длительная эксплуатация нескольких РРВ типа АВО на шахте «Капитальная 2» Дегтярского рудника позволила на их базе

201

разработать более совершенный и надежный РРВ. Важнейшим преиму­ ществом этого РРВ является отсутствие в схеме контактных элемен­ тов автоматики (реохордов, реле, пускателей и др.), что значительно повышает надежность работы устройства в условиях агрессивной

На рис. III.31 показана блок-схема вентиляционного автомати­ ческого регулирующего устройства (ВАРУ), работающего на унифи­ цированном токовом сигнале 0—5 ма. ВАРУ состоит из трех основ­ ных узлов: узла измерения I, включающего приемное устройство

Рис. III.30. Исполнительный орган жалюзийного типа на клиновых соединениях в открытом положении

ДСДВ, исполнительный механизм и исполнительный орган, уста­ навливаемые непосредственно в том месте вентиляционной выра­ ботки, где необходимо регулирование количества проходящего воздуха; местного пульта управления II, смонтированного в метал­ лическом шкафу и устанавливаемого на расстоянии до 100 м от узла измерения; диспетчерского пульта управления I I I , смонтированного на металлической панели, устанавливаемой в диспетчерской. Все три узла ВАРУ связаны между собой проводными линиями связи.

Измеряемая скорость движения воздуха по выработке преобра­ зуется электротермоанемометром ЭТА-10-Ш в напряжение постоян­ ного тока 0—10 мв при скорости воздушного потока 0,2—20,0 м/сек. Это напряжение с помощью преобразователя тока ПТ-ТП-68 (или нормирующего преобразователя НП-ТЛ-1) преобразуется в токовый сигнал 0—5 ма.

При работе ВАРУ на токовом сигнале все его блоки соединены последовательно, поэтому при выходе из строя какого-либо одного узла нарушается работа всей схемы. Во избежание этого в схеме

202