Способ автоматического контроля запыленности шахтной атмосферы

Способ автоматического контроля запыленности шахтной атмосферы

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к способам определения концентрации пыли и может быть использовано как для контроля общейзапыленности атмосферы на угольных шахтах, так и для контроля за концентрацией отдельных компонентов пыли. Целью изобретения является повышение точности контроля запыленности шахтной атмосферы. Указанная цель достигается тем, что в трехканальном спектрометрическом пылемере измерение прошедшего через слой шахтной атмосферы излучения проводят в следующих спектральных диапазонах: 0,8-2 мкм, 6,8-7,8 мкм и 9,2-10,5 мкм. Подобный выбор спектральных диапазонов позволяет достичь близкой к единице обусловленности системы трех линейных уравнений,,связывающих интенсивности излучения, подающего на слой шахтной атмосферы фиксированной толщины и излучения, прошедшего через этот слой в указанных диапазонах. Этим повышается точность решения системы относительно искомых концентраций. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 N 21/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Г (21) 4751735/25 (22) 20.10,89 (46) 15,02.92. Бюл, N. 6 (71) Конотопский электромеханический завод "Красный металлист" (72) В.П. Белоножко, А,М, Онищенко, А.В. Ивашов, Ю,Ф, Скалацкий, Н,Ф. Тумко, О.Я. Шишенко и Ю. Я. Костенко (53) 622.8(088.8) (56) Клименко А. П. Методы и приборы для измерения концентрации пыли М,; Химия, 1978, с. 113.

Авторское свидетельство СССР

N 1072078,,кл. С 08 B 17/10, 1982. (54) СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТР ОЛ Я ЗАПЫЛЕННОСТИ ШАХТНОЙ АТМОСФЕРЫ (57) Изобретение относится к способам определения концентрации пыли и может быть использовано кэк для контроля общей

Изобретение относится к горной автоматике, а именно к способам автоматического контроля запыленности шахтной атмосферы, и может быть использовано на угольных шахтах для контроля общей запы ленности с целью управления вентиляцией и орошением и для контроля содержания компонентрв пыли с целью определения ее силикозности для обеспечения безопасного труда шахтеров.

Известен способ контроля запыленности шахтной атмосферы, включающий взвешивание пылевого фильтра, установку пылевого фильтра в заборщик воздуха, пропускание через нулевой фильтр заданного объема шахтной атмосферы, извлечение из

„, 312 1712837 А1 запыленности атмосферы на угольных шахтах, так и для контроля за концентрацией отдельных компонентов пыли. Целью изобретения является повышение точности контроля запыленности шахтной атмосферы. Указанная цель достигается тем, что в трехканальном спектрометрическом пылемере измерение прошедшего через слой шахтной атмосферы излучения проводят в следующих спектральных диапазонах:

0,8 — 2 мкм, 6,8 — 7,8 мкм и 9,2 — 10,5 мкм. Подобный выбор спектральных диапазонов позволяет достичь близкой к единице обусловленности системы трех линейных уравнений, связывающих интенсивности излучения, подающего на слой шахтной атмосферы фиксированной толщины и излучения, прошедшего через этот слой в указанных; диапазонах. Этим повышается точность решения системы относительно искомых концентраций. 2 ил. заборщика воздуха пылевого фильтра и повторное его взвешивание и определение по результатам двух взвешиваний концентрации С пыли в шахтной атмосфере, Недостатками известного способа являются низкая зкспресность и необходимость применения ручного труда.

Известен способ автоматического контроля запыленности (дыма) шахтной атмосферы, предусматривающий просвечивание слоя шахтной атмосферы с фиксированной тьлщиной E инфракрасным излучением, onрере е е интенсивности I< излучения, 0 прошедшего через контролируемый объем, просвечивание контролируемого объема бетта-излучением, определение интенсивно1712837 сти !г бетта-излучения, прошедшего через контролируемый объем, и определение общей концентрации пыли С по разности интенсивности 1) и!г, о о

Недостатками известного способа являются низкая точность контроля, связанная с неодинаковыми влияниями угольной, известняковой и песчанниковой пыли на интенсивности I> и !г, и невозо о можность раздельного определения содержаний угольной, известняковой и песчанниковой пыли в шахтной атмосфере, а также высокая сложность реализации способа.

Целью изобретения является повышение точности контроля запыленности шахтной атмосферы.

Поставленная цельдостигается тем, что в способе автоматического контроля запыленности шахтной атмосферы, предусматривающем просвечивание слоя шахтной атмосферы с фиксированной толщиной ( излучением и определение интенсивности излучения, прошедшего через контролируемый объем, просвечивание контролируемого объема. осуществляют полихроматическим инфракрасным излучением, определяют интенсивности прошедшего через слой инфракрасного излучения в диапазонах длин волн 0,8 — 2 мкм11 6,8 — 7,8 мкм

1г и 9,2-10,5 мкм !з и по значениям интенсивностей I>, !г и 1з судят о содержаниях известняковой, пвсчанниковой и угольной пыли в рудничной атмосфере, Установлено, что наибольшую точность определения запыленности можно обеспечить при определении интенсивностей прошедшего инфракрасного излучения в трех диапазонах длин волн 0,8-2 мкм 1, 6,8 — 7,8 мкм 1г и 9,2 — 10,5 мкм Iз, По интенсивностям Ip, !г и Iз судят о содержаниях отдельных компонентов пыли в шахтной атмосфере.

На фиг. 1 показана функциональная схема устройства для реализации способа; на фиг. 2 — зависимости коэффициентов пропускания К инфракрасного излучения . угольной, известняковой и песчанниковой пылью от длины волны il.

Устройство содержит полихроматический источник 1 инфракрасного излучения и симметрично расположенные (относительно пучка 2 инфракрасного излучения от источника 1) приемники инфракрасного излучения 3 — 5. На линиях источник — приемники перед приемниками 3 — 5 установлены фильтры 6 — 8 на длины волн соответственно 0,8-2, 6,8 — 7,8 и 9,2 — 10,5 мкм. Выходы приемников 3 — 5 через усилители

9 — 11 и логарифматоры 12 — 14 соединены с

l информационными входами блока 15 решения системы трех линейных уравнений, к задающим входам которого подключены задатчики 16-27, Выход блока 15 решения

5 системы трех линейных уравнений соединен с входом блока 28 индикации и регистрации.

Способ реализуется следующей последовательностью операций.

10 Просвечивают слой шахтной атмосферы с толщиной I от источника 1 излучения.

Определяют интенсивность !1 прошедшего через слой толщиной I инфракрасного излучения в диапазоне длин волн 0,815 2 мкм

Ф «

1 =. 1о е,хр (-

= 1о1ехР (-f(ay«Cy+ah С + а,С,)) (1) 20 с помощью фильтра 6 и приемника 3.

Одновременно определяют интенсивность !г прошедшего через объем толщиной !, инфракрасного излучения в диапазоне длин волн 6,8 — 7,8 мкм

Iг= !ог ехр(-1(а„С„+ а,,Си+ а,"С,)) (2) с помощью фильтра 7 и приемника 4.

Одновременно определяют интенсив30 ность 1з прошедшего через объем толщиной

{; инфракрасного излучения в диапазоне длин волн 9,2 — 10,5 мкм

Су = ((fl73 (< 1) (c(ис и с и и )

У Е

«ЯП îÓ И 2)" ((Л (И И И ) (П !ОЯ И 3. (С (И О И П и-

+ (Гп,7 — Ь У )и(с(ус(„-dуa(„) п о3 п я)(у и

c,= — ((cnэ„- Э)Ы" «„-««s > (П 2 С 2) (ð и (у (и ) 50

55! э=!оз ехр(-(а Cy+ а„С + Qn Cn)) (3)

35 с помощью фильтра 8 и приемника излучения 5.

Решая систему уравнений (1), (2) и (3) (при измеренных значениях l<,!г и !з, изве40 стном значении и определенных в процессе градуировки значениях !о, !ог, !оз, ау, Qy, Qy, а, а", а ", Qn Qn ", Qn ) относительно концентраций угольной С>, известняковой Си и песчанниковой С пыли

45 и общей концентрации пыли С = Cy + Си +.

+C>, определяют из концентрации;

1712837 (t g„e„a3)(aced„" с су.с„-с„="-,((е„э,„-е Д(„" „" -.(„".(„" 5

+ (п о - Е 2) «лс(и - йс(п у4д

У,у у и) (Ъ3 п з) (у () ,У п " ио(п и (п 4 к с(ус иЛ (.0 где 1о1, lог и Iоз — интенсивности прошедшего через контролируемый объем толщины г, инфракрасного излучения в диапазонах длин волн соответственно 0,8-2,0 и 6,8-7,8 15 и 9,2-10,5 мкм при нулевых концентрациях пыли Су = Си = Сп = О, .

ay ay u ay — линейные коэффициенты ослабления (в см " инфракрасного излучения угольной пылью в диапазонах 20 длин волн соответственно 0,8 — 2, 6,8-7,8 и

9,2-10,5 мкм;

W, c4" и а " — линейные коэффициенты ослабления инфракрасного излучения известняковой пылью в диапазонах длин 25 волн соответственно 0,8 — 2,0 и 6,8 — 7;8 и 9,2—

10,5 мкм;

an, an" и an — линейные коэффициенты ослабления инфракрасного излучения песчанниковой. пылью в диапазонах длин 30 волн соответственно 0,8 — 2,0, 6,8 — 7,8 и 9,2—

10;5 мкм.

Устройство работает следующим образом.

Поток инфракрасного излучения от ис- 35 точника 1 излучения направляется.на контролируемый объем шахтной атмосферы толщиной (После прохождения через шахтную атмосферу инфракрасное излучение попадает 40 на фильтры 6-8. Фильтр 6 пропускает инфракрасное излучение в диапазоне длин волн от 0,8 до 2,0 мкм, которое затем попадает на приемник 3. Приемник 3 излучения определяется интенсивностью I 45 прошедшего через шахтную атмосферу потока инфракрасного излучения в диапазоне длин волн согласно формуле (1) 0,8 — 2,0 мкм, Аналогично и риемни к 4 излучения после фильтра 7 регистрирует поток прошедшего 50 через атмосферу инфракрасного излучения в диапазоне длин волн 6,8 — 7,8 мкм интенсивностью 12 согласно формуле (2), Аналогично приемник 5 излучения после фильтра

8 регистрирует интенсивность !з согласно 55 формуле (3), прошедшего через слой шахтной атмосферы той же толщины f инфракрасного излучения в диапазоне длин волн

9,2 — 10,5 мкм.

Сигналы, пропорциональные интенсивностям 11, 12 и 13, с приемников 3 — 5 излучения усиливаются усилителями 9-11.

Усиленные сигналы логарифмируются в логарифматорах 12-14 и полученные сигналы, пропорциональные fn !>, Ь lz u fn 1з, с логарифматоров подаются на информационные входы блока 15 решения системы трех линейных уравнений:

Гп11=:Ь (о1 — 1(ау Су+ а С,+ а, С,) ..; (8) (и (г = fn Im — 1(ay Cy+ аи С, + .а,"С). (9) (и lз - Ь! оз — 1(ау Су+ а,. Си + а "Сп ) (1 0)

Чтобы из системы линейных уравне- . ний (8), (9) и (10) однозначно определить искомые концентрации, необходимы не только значения fn (p, fn 1г и fn !з.на информационных входах блока 15, но нужны и значения Ь 1о1, fn loz, fn Iоз, а„, ау", ay, а, а,а,", а„, а и агГ". Эти двенадцать значений определяют в процессе градуировки устройства, например по методу наименьших квадратов (по методу максимального правдоподобия или иному), и заносят в задатчики соответственно 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 и 27, Блок 15 решает систему уравнений (8), (9) и (10) и согласно алгоритмам по формулам (4), (5) (6) и (7) определяет искомые концентрации Су, С, Сп и С = Cy+ С + Сп, Сигналы о концентрациях с блока 15 поступают в блок 28, где индицируются и регистрируются непосредственно в единицах концентрации пыли.

Отметим при этом, что градуировку устройства для повышения точности целесообразно проводить в следующей последовательности, Помещают устройство в герметичную камеру с шахтной атмосферой среднего содержания компонентов (метана, угарного и углекислого газов, влаги и др.), среднего давления и. средней температуры, измеряют значения Ln Io), "1 n !о2, fn Iоз сигналов на выходах логарифматоров 12 — 14 и заносят эти значения в задатчики 16 — 18. Заполняют камеру угол ьной, известняковой и песчанниковой пылью, чтобы их концентрации в шахтной атмосфере в камере достигали средних значений Су, Сд и Сп (для лавы, на которую градуируется устройство) и измеряют сигналы (и I1, (и 12, (и (з с логарифматоров 12-14.

Увеличивают концентрацию угольной пыли в камере на ЛСу = Cy — Cy и измеряют сигналы 1п 11, fn lz fn Iз на выходах логарифматоров 12-14. По сигналам fn 4, fn Iz, (и 1з, (и I1, fn 12, (и!з рассчитывают коэффициенты ау, ау", ау .

1712837

fn I < — Гп 11, аУ ГЛС и Гп 12 — Гп 12 аУ ГЬ Су ,р fn 13 — fn 13

ГЛС, Увеличивают концентрацию известняковой пыли в камере ЬСи = Си — Си и измеряют сигналы Гп 17, fn 12 fn 13 на выходах логарифматоров 12 — 14. По сигналам fn Iq

Гп 12, Гп 13, fn 11, fn 12, fn.13 рассчитывают коэффициенты ослабления инфракрасного излучения известняковой пылью. Полученные значения коэффициентов ослабления ау, ау, ау, Qi», аи, ай заносят в задатчики 19 — 24. Увеличивают концентрацию песчанниковой пыли на Ь Сп от Сл до Сд, ЬСп = Сп — Сп в камере и. измеряют сигналы fn 11, fn 12, fn 13 на выходах логарифматоров 12 — 14. Рассчитывают значения коэффициентов ослабления инфракрасного излучения песчанниковой пылью:

fn 11 — fn I >

fb Cn

Гп 12 — Гп !2

I CA

fn l3 — Гп 13

fh С„ (12) и заносят полученные значения в задатчики 25 — 27. Как показала практика, наиболее целесообразно изменять концентрации пыли в камере ЛСу, ЛСи и ЛС . на 1/4 диапазона измерения концентрации соответствующей пыли, Пример выполнения устройства, В качестве источника 1 применен глобар с температурой нагрева 600 С и модулятором инфракрасного излучения с частотой 18 Гц.

В качестве фильтров 6 — 8 применены интерференционные фильтры на диапазоны пропускания соответственно 0,8-2,0, 6,8-7,8 и

9,2-10,5 мкм.. В качестве приемников 3 — 5 применены полупроводниковые болометры. В качестве логарифматоров 12-14 применены плоскостные диоды. В качестве задатчиков 16-27 применены источники регулируемого постоянного напряжения, Усилители 9-11 выполнены на аналоговых микросхемах. Блок 15 выполнен на аналоговых микросхемах с интеграторами сигналов fn 11, fn 12 u fn 13 на информационных входах. Погрешность измерения концентраций Су, Си, Сп, С не превышает 5 отн. при быстродействии не более 1 с и толщине

Г 250 мм.

Обоснование диапазонов длин волн

0,8 — 2,0, 6,8-7,8 и 9,2 — 10,5 мкм проводилось на основании показанных на фиг, 2 экспериментальных зависимостей К = f(il).

5 Видно, что при 0,8 ЛА1 2,0 мкм коэф фициенты пропускания Kn = Ки, Ку = 0,14 К; при 6,8 мкм ЬА1 (7,8 мкм К = К, Ки=

М),1 Ку, при 9,2 мкм ЛЯ < 10,5мкм Ку =

= Ки и l4 =0,11 Ку. Таким образом, в каж"0 дом из трех диапазонов длин волн два коэффициента пропускания близки между собой и существенно отличаются от третьего коэффициента. Это обеспечивает наиболее близкую к единичной обуслов"5 ленность с истемы уравнений (8), (9) и (10), что приводит к наименьшей погрешности определения концентраций Су, Си, С . С =

Су+ Си+ Сп

Для определения технико-акономиче20 ской эффективности изобретения в качестве базового объекта примем принятый на шахтах способ определения запыленности шахтной атмосферы, основанный на пропускании заданного объема шахтной атмосферы через пылевой фильтр и взвешивании осевшей пыли. Техническими преимуществами изобретения по сравнению с базовым объектом являются: увеличена экспрессность (в базовом объекте время из30. мере ния составляет около 5 мин, в изобретении — 1 с); повышена точность (в базовом объекте относительная погрешность измерения составляет 10%, в изобретении — менее 5%); расширены функциональные

35 возможности (в базовом объекте определяется лишь количество всей пыли С, в изобретении дополнительно определяются концентрации Су, Си и Сп); устранен ручной труд (в базовом объекте взвешивание

40 фильтра, заборщик воздуха, забор воздуха, извлечение фильтра, его пОвторное взвешивание и расчет суммарной концентрации С производится вручную). 3а счет только последних двух технических преиму45 ществ изобретение позволяет улучшить условия труда шахтеров и дает социальный эффект (путем определения Су, Си и Сп и исключения ручного труда) и за счет удешев ления контроля дает зкономический эф50 фект, Формула изобретения

Способ автоматического контроля запыленности шахтной атмосферы, включающий просвечивание слоя шахтной атмосферы фиксированной толщины излучением и измерение интенсивностей прошедшего излучения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности контроля запыленности шахтной атмосферы, просвеЧивание слоя осуществляют источни10

1712837.55 ком полихроматического инфракрасного излучения, при этом измеряют интенсивности прошедшего через слой излучения в следующих спектральных диапазонах: 0,8 — 2; 6,8—

7,8 и 9,2 — 10,5 мкм и по прлучен.ным значениям интенсивностей судят о содержании известняковой, песчанниковой и угольной пыли в шахтной атмосфере.

17 12837. ;50

Составитель B. Белоножко

Техред М.Моргентал Корректор Т, Малец

Редактор Э. Слиган

Заказ 531 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул,Гагарина, 101