Способ определения концентрации метана в шахтной атмосфере

Способ определения концентрации метана в шахтной атмосфере

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к горной автоматике и может быть использовано при построении датчиков определения концентрации метана в шахтной атмосфере для автоматической газовой защиты в угольных шахтах. Целью изобретения является повышение точности анализа путем одновременного повышения скорости изменения выходного сигнала при изменении концентрации метана путем снижения влияния флуктуаций запыленности, влажности, давления и температуры шахтной атмосферы. В способе анализа концентрации метана в шахтной атмосфере, основанном на нагревании элемента, каталитическом окислении метана на элементе и регистрации интенсивности I<SB POS="POST">I</SB> пОТОКА элЕКТРОМАгНиТНОгО излучЕНия OT элЕМЕНТА C ОКиСляЕМыМ HA HEM METAHOM, чАСТь элЕМЕНТА изОляРуюТ OT KOHTAKTA C шАХТНОй АТМОСфЕРОй, пРЕдОТВРАщАя КАТАлиТичЕСКОЕ ОКиСлЕНиЕ METAHA HA эТОй чАСТи, и дОпОлНиТЕльНО РЕгиСТРиРуюТ иНТЕНСиВНОСТь I<SB POS="POST">II</SB> электромагнитного излучения от изолированной части элемента, которое прошло через контролируемый объем шахтной атмосферы. Элемент нагревают до температуры около 580°С пропусканием через него стабильного по величине тока от стабилизатора тока. Электромагнитное излучение регистрирует в полосе 3,19 - 3,59 мкм, а о концентрации метана судят по величине отношения зарегистрированных интенсивностей I<SB POS="POST">I</SB>/I<SB POS="POST">II</SB>, причем I<SB POS="POST">I</SB> измеряют на расстоянии L<SB POS="POST">1</SB>, выбираемом из условий BC<SB POS="POST">м</SB>L<SB POS="POST">1</SB>*981, и I<SB POS="POST">II</SB> измеряют на расстоянии L<SB POS="POST">2</SB>, выбираемом из условия BC<SB POS="POST">сp</SB>L<SB POS="POST">2</SB>=2, где B - коэффициент поглощения метана, в указанной полосе, C<SB POS="POST">м</SB> - максимальная, а C<SB POS="POST">ср</SB> - средняя концентрации метана. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕС(1УБЛИК (19) (11) А1 (51 ) 4

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

М А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ.. л ) ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ П.(НТ СССР (21) 4368234/23-25 (22) 26.01,88 (46) 23 ° 10.89 ° Бюл. 11> 39 (71) Конотопский электромеханический завод "Красный металлист" (72) В.П. Белоножко> А,М. Онищенко, А,А, Марченко, Ю,Ф, Скалацкий и Б.А, Жолинский (53) 543 ° 422,4(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Н- 1075125, кл. G 01 N 21/61, 1982, Авторское свидетельство СССР

1(1116182, кл. Е 21 F 9/00, 1983. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ

МЕТАНА В ШАХТНОЙ АТМОСФЕРЕ (57) Изобретение относится к горной автоматике и может быть использовано при построении датчиков определения концентрации метана в шахтной атмосфере для автоматической газовой защиты в угольных шахтах. Целью изобретения является повышение точности анализа путем одновременного повышения скорости изменения выходного сигнала при изменении концентрации метана путем снижения влияния флуктуаций запыленности, влажности, давления и температуры шахтной атмосферы, В способе анализа концентрации метана в

Изобретение относится к горной автоматике и может быть использовано при построении датчиков анализа концентрации метана в шахтной атмосфере для автоматической газовой защиты в угольных шахтах.

Целью изобретения является повышение точности за счет увеличения ског шахтной атмосфере, основанном на нагревании элемента, каталитическом окислении метана ча элементе и регистрации интенсивности I потока электт ромагнитного излучения от элемента с окисляемым на нем метаном, часть элемента изолируют от контакта с шахтной атмосферой, предотвращая каталитическое окисление метана на этой части, и дополнительно регистрируют интенсивность Т вЂ” электромагнитного

lj излучения от изолированной части элемента, которое прошло через контролируемый объем шахтной атмосферы. Элемент нагревают до температуры около

580 С пропусканием через него ста- а бильного по величине тока от стабилиЖ затора тока, Электромагнитное излучение регистрируют в полосе 3 193>59 мкм, а о концентрации метана ( судят по величине отношения зарегистрированных интенсивностей I /I причем I. измеряют на расстоянии L,, выбираемом из условий bC„L,<1 ?? ilt ql ???????????????? ???? ???????????????????? l> выбираемом из условия bC «L =2, где b — коэффи- ф циент поглощения метана в указанной Я, полосе, С „ — максимальная, а С (>— Ю средняя концентрации метана, I ил. 00 рости изменения выходного сигнала при изменении концентрации метана при одновременном снижении влияния флуктуаций запыленности, влажности, давления и температуры шахтной атмосферы.

На чертеже показана функциональная схема устройства для определения

1516908 концентрации метана в шахтной атмосфере °

Устройство состоит иэ нагревательного элемента (например, термокаталитического), неизолированная часть

1 которого контактирует с шахтной атмосферой, а изолированная часть 2 покрыта гаэонепроницаемой пленкой 3, прозрачной для инфракрасного излучения (например, иэ сапфира).

Нагревательный элемент через выключатель 4 подключен к стабилизатору 5 тока, К открытой части 1 нагревательного элемента примыкает камера 6 с анализируемым объектом 7 шахтной атмосферы, Камера 6 открыта со стороны части

1, а также в перпендикулярных к плоскости чертежа направлениях, Это обеспечивает свободный доступ шахтной атмосферы в камеру и на открытую часть

1 нагревательного элемента, Против открытой части 1 эа камерой

6 установлен фотоприемник 8, смонтированный в контейнере-коллиматоре 9.

Против изолированной части 2 нагревательного элемента за камерой 6 установлен дополнительный фотоприемник 10, смонтированный во втором контейнере-коллиматоре 11.

Перед основным фотоприемником 8 установлен первый полосовой (например, интерференционный) фильтр 12, а перед дополнительным фотоприемником 10 установлен второй полосовой фильтр 13 ° Толщина контролируемого объема L, перед основным фотоприемником 8 меньше толщины L г контролируемого объема шахтной атмосферы перед дополнительным фотоприемником 10, Выходы фотоприемников 8 и 10 через усилители 14 и 15 соединены с входами измерителя 16 отношений, выход которого соединен с входом блока 17 индикации и регистрации ° Нагревательный элемент из открытой 1 и закрытой 2 частей, выключатель 4 и стабилизатор 5 тока размещены в корпусе 18 из металлической сетки 19 со стороны открытой части 1. Сетка

19 является огнепреградителем, Определение концентрации метана в шахтной атмосфере осуществляют следующей последовательностью операций, Через открытую и изолированную части нагревательного элемента пропускают стабильный по величине ток I, 10

55 нагревая им элемент до температуры около 580 С. Регистрируют интенсивность I потока инфракрасного излучения в полосе 3,19-3,59 икм от открытой части элемента с окисляемым на нем метаном, Регистрируют интенсивность I потока инфракрасного излучения в полосе 3,19-3,59 мкм от закрытой части нагревательного элемента, нагретого от стабилизатора тока до температуры около 580 С. Определяют значение отношения зарегистрированных интенсивностей 1 /1 . По величине отношения II/I,-, судят о концентрации метана в шахтной атмосфере, Интенсивность Ig регистрируют на расстоянии L< от открытой части, а интенсивность I„- регистрируют на расстоянии Lg от изолированной части нагревательного элемента, где L,(Lz.

Устройство работает следующим образом °

Включают выключатель 4, подключая стабилизатор 5 тока к нагревательному элементу, Постоянный по величине ток

I проходит через нагревательный элемент, нагревая его открытую 1 и изолированную 2 части до постоянной температуры около 580 С, о

Когда открытая часть 1 нагрелась до температуры 580 С, на ней происходит термокаталитическое горение (окисление) метана,От горения повышается температура открытой части и растет сопротивление этой части нагревательного элемента R тем в большей степени, чем выше концентрация метана, Поскольку из стабилизатора 5 тока в нагревательный элемент поступает постоянной силы ток I то выделяемая на открытой части электрическая мощг ность P =I R> растет с ростом конТ центрации метана.

Из-эа нагрева открытой части 1 стабилизатором 5 тока из открытой части излучается инфракрасное излучение, интенсивность которого пропорциональна Р =1 R Из-за термоката l литического горения метана на открытой части 1 излучается инфракрасное излучение, интенсивность Т которого пропорциональна концентрации метана С.

Таким образом, на основной фотоприемник 8 от открытой части 1 излучается инфракрасное излучение интенсивностью I + . Ha пути L через шахтную атмосферу инфракрасное излу5 151 чение ослабляется так, что обе интенсивности уменьшаются в одинаковое число раз, Интенсивность потока инфракрасного излучения на основной фотоприемник 8 может быть представлена в виде

I < (I, + I >) k, ехр (-bL, С 7, (1) где k — аппаратурный коэффициент;

b — коэффициент поглощения инфракрасного излучения в полосе с длиной волны 3,39 мкм посередине, например, полосы от 3,19 до 3,59 мкм.

При этом инфракрасное излучение от открытой части 1 элемента имеет широкий непрерывный спектр с максимумом, приходящимся на длину волны о

3,39 мкм при 580 С и с уменьшающейся длиной волны в максимуме при интенсификации горения метана, т ° е. при повышении температуры открытой части. Эксперименты показывают, что рост температуры от концентрации зависит от размеров открытой части и ат мощности P, . При диаметре элемента 3 мм, его длине 2 мм и мощности Рд=1 Вт температура открытой части 1 при увеличении концентрации от 0 до о

3 об;7 увеличивается на 52 С, т,е. от 580 до 632 С, что соответствует изменению длины волны в максимуме от

3,39 до 3,2 мкм.

Как показывают эксперименты, интенсивности Iq u I могут быть с достаточной точностью аппроксимированы линейными функциями вида

I, =а,+е,С; (2) (3) где ai — свободный член, численно равный интенсивности I npu нулевой концентрации метана; е„,е — угловые коэффициенты, численно равные приростам соответствующих интенсивностей при единичном увеличении концентрации метана, Подставив I, и I > из (2) и (3) в (1) получают

?д=(ад+С(ед+е Ц 1с ехр (-Ъ|,С1 (4)

В устройстве значение L, выбирают таким, что при максимальном значении определяемой концентрации метана С выполняется условие

bL, C„(l. (5)

При выполнении условия (5) интенсивность согласно (4) увеличивается во всем диапазоне роста концентрации метана от С=Р до С=С„, При bLiС„=l

6908 6 на верхней части диапазона наблюдается перегиб, а при bLiC„)l перегиб на зависимости I по (4) наблюдается при концентрации С;сС, когда С Ь Ь l а при дальнейшем увеличении С С; интенсивность Тr согласно (41 уменьшается, От стабилизатора 5 тока в изолированную от шахтной атмосферы часть 2 поступает тот же ток I. Сопротивление

R> части 2 элемента остается постоянным (R>const)y так как на нем

ropeèèÿ метана не происходит, а теплопередачей по спирали элемента можно пренебречь. Выделяемая на изолированной части 2 элемента мощность

P I R =const остается постоянной. 2

Из-.за нагрева изолированной части

20 2 элемента стабилизатором 5 тока до постоянной температуры 580 С иэ этой части излучается инфракрасное излучение, интенсивность Т„которого постоянна, пропорциональна Р =I R а мак2 1 ° симум интенсивности соответствует длине волны 3,39 мкм.

Таким образом, на дополнительный фотоприемник 10 от изолированной части 2 элемента излучается инфракрас30 ное излучение интенсивностью I не и« зависящей от концентрации метана в шахтной атмосфере. На пути через шахтную атмосферу интенсивность

? „экспоненциально ослабляется и на дополнительный фотоприемник 10 попадает интенсивностью I < согласно выражению

|;, =к |„ехр (-Ъ|.зС) ° (,6) где k — аппаратурный коэффициент.

40 Сигналы с фотоприемников 8 и 10, пропорциональные интенсивностям Iä и

z „-, усиливаются усилителями 14 и 15 и подаются на входы измерителя 16 отношений, на выходе которого формирует45 ся сигнал, пропорциональный отношению z /z-:

I / I „- k, (à, +С (е, +е т)7 exp (-bL, С) °

k I (ехр(-Ъ|. С) =k,k, Iä,Га,+С °

«(е,+е )exp bC(L1 L )j (7)

Сигнал I

l 6 отношений, являющийся мерой концентрации метана С, подается в блок

17 индикации и регистрации, где отображается (в об. Х) содержания метана, 55 !

Сущность повышения точности путем одновременного увеличения чувствитель- ности и снижения влияния флуктуаций запыленности, влажности, давления и

1516908 температуры шахтной атмосферы поясняют на основе анализа формулы (7).

При увеличении запыленности одновременно уменьшаются значения а и е и увеличивается значение Ь.

Умейьшения а, е, и е приводят к

1 уменьшению, а увеличение Ь вЂ” к росту правой части уравнения (7). За счет этого происходит снижение влияния 10 флуктуаций запыленности, Физически это объясняется одновременными уменьшениями интенсивностей I, и I, согласно (2) и (3), увеличением в (4) и увеличение Ъ в (6), т.е, увели-чение запыленности приводит к ухудшению горения метана на открытой части 1 элемента, к снижению температуры открытой части 1, к увеличению поглощения инфракрасного излучения на путях IÄ H 12 к фотоприемникам 8 и 10. Аналогичные картины наблюдаются при увеличении влажности и давления шахтной атмосферы. С ростом температуры шахтной атмосферы повышается интенсивность горения метана на открытой части 1 (из-за чего увеличиBBIoTcH интенсивности I „ H 1 ) H одновременно уменьшается коэффициент поглощения Ь, а одновременный рост ... 30 е и е 1 и уменьшение b приводя. слабой зависимости отношения 1.2/I » от температуры.

Зависимость (7 1 можно представить в виде 35

1 /I z =(1с +1с„С) exp(bC(L2-L,)), где 1сз=1с 1с 1:, ; а,=const и 1с, =1с,1с,I „x(e,+е 2) =const.

40

50 гретом элементе и регистрации интен55

Длины путей L! и L 2 инфракрас ного излучения через шахтную атмосферу подбирают при юстировке устройства.

Процесс подбора L осуществляют следующим образом, Увеличивают концентрацию метана от 0,8 С„до С и следят за изменением интенсивности

I<. Если с ростом С от 0,8 С до С интенсивность I пnа д аsеe1т, то умень-. шают L> до увеличения I Если с ростом С от 0,8 „до С „интенсивность I- растет, от I о до 1,05 I то расстояние L увеличивают до обеспечения прироста на 57 с увеличением концентрации от 0,8 С„ до С, т.е. от 2,4 до 3 об,7., Таким образом обеспечивают увеличение числителя в (7), т, е. увеличение интенсивности

I на 18,3 отн.7 при увеличении содержания метана иа 1 абс.7 по объему. Расстояние L1 подбирают таким, что при средней концентрации метана

С, =1,57. значение bL С, =2, Это обеспечивает уменьшение интенсивности

I при увеличении концентрации от

0,8 С до С на 57, т.е, уменьшение интенсивности I;, иа 8,3 отн.7 при увеличении содержания метана на

1 абс.7. по объему. Такая юстировка устройства приводит к возникновению чувствительности 1,105, на 10,57. увеличения отношения I /1 - при увеличении содержания метана на 1 абс.7. по объему. При этих условиях обеспечиваются и минимальные суммарные,влияния флуктуаций запыленности, давле ния и температуры шахтной атмосферы.

Так при увеличении запыленности шахтной атмосферы на 107., т ° е ° от 300 до

330 мг/м, величина отношения I /Iуменьшается лишь на 1,37, т,е, на

0,127. по метану. При увеличении относительной влажности от 0,8 цо 0,9, т ° е. Hà 107. при 35 С, величина отношения 12/1 „ уменьшается на 17., т.е. менее чем на 0,17 по метану. Увеличение давления на 107 от номинального приводит к уменьшению отношения Ii/1„. на 0,57, т,е. менее чем на О, 057. в1 показаниях по метану. Увеличение темо пературы от 35 до 45 С приводит к увеличению отношения 1 /I - -на 0,127, 1i т.е. к изменениям в показаниях менее чем на 0,012 об.7 по метану. Значения L и 1 2 при юстировке составляют

1,,=60 мм и Ь =250 мм при ширине полосы пропускания фильтров 12 и 13 от 13,9 до 3,59 мкм.

После юстировки устройство градуируют, приводя в однозначное соответствие показания блока 17 индикации и регистрации (пропорциональные отношению I /T; ) с концентрацией метана С, т

Градуировка может проводиться любым известным методом, например методом наименьших квадратов на поверочных газовых смесях °

Формула изобретения

Способ определения концентрации метана в шахтной атмосфере путем каталитического окисления метана на насивности оптического излучения от этого элемента, о тл ич а ющий с я тем, что, с целью повышения точкости за счет увеличения скорости

151 6908

Составитель Д, Пахомов

ТехРед И.Иоргентал КоРРектоР И, Пожо

Редактор Н. Бобкова

Заказ 7828

Тираж 789

Подписное

ВНИИПИ Го«ударственного комитета по изобретениям и открытиям при I I!II (.(< Г

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. I:агар«<,<,I изменения выходного сигнала при изменении концентрации метана при одновременном снижении влияния флуктуаций запыленности, влажности, давления и температуры, нагрев элемента осуо ществляют до 580 С стабилизированным электрическим током, регистрацию интенсивности оптического излучения проводят в полосе 3,19-3,59 мкм от двух участков элемента, один из которых изолирован от шахтной атмосферы> причем интенсивность I оптического излучения от неизолированног< участка регистрируют на расстоянии 1,, оп1 <.деляемом из соотношения bI,С„ 1, а ин5 тенсивность Т - от иэолир< ванн >го

Ф на расстоянии Lg> определяемом иэ <> отношения bL>(;, =2, где 1> — коэффициент поглощения метаном излучения в укаэанной полосе, С „ — максимальная заданная концентрация метана, Г,.„— средняя концентрация метана, причем о концентрации метана судят п< отношению 1 (/T