Спосіб вимірювання концентрації метану в газоповітряній суміші

1. Спосіб вимірювання концентрації метану в газоповітряній суміші, який включає пропускання потоків інфрачервоного випромінювання від джерел випромінювання через кювети, при цьому інтенсивність джерела випромінювання однієї з кювет відповідає максимуму інтенсивності поглинання інфрачервоного випромінювання метаном з довжиною хвилі в діапазоні 3,20÷3,45 мкм, а інтенсивність джерела випромінювання іншої кювети знаходиться поза максимумом інтенсивності поглинання інфрачервоного випромінювання метаном з довжиною хвилі в діапазоні 2,20÷3,10 мкм, вимірювання інтенсивностей випромінювання, які пройшли через кювети, перетворення виміряного значення інтенсивності випромінювання в електричні сигнали і визначення концентрації метану в газоповітряній суміші, який відрізняється тим, що пропускання потоків інфрачервоного випромінювання здійснюють від трьох джерел, при цьому одна з кювет має фільтр для очищення газоповітряної суміші від пилу і є закритою, а інші дві кювети відкриті, в яких безпосередньо знаходиться вимірювана газоповітряна суміш, через очищену газоповітряну суміш закритої кювети пропускають потік випромінювання з довжиною хвилі, яка відповідає максимуму поглинання інфрачервоного випромінювання метаном, а визначення концент 3 92704 4 Відомий спосіб вимірювання концентрації мевання метаном з довжиною хвилі в діапазоні тану в газоповітряній суміші (Щербань А.Н., Фур(2,20÷3,10) мкм, вимірювання інтенсивностей виман Н.И. Методы и средства контроля рудничного промінювання, які пройшли через кювети, перетгаза (метана). - К.: Наукова думка, 1985. - 412с.) ворення виміряного значення інтенсивності визаснований на пропусканні інтенсивності інфрачепромінювання в електричні сигнали і визначення рвоного випромінювання від джерела І0 через виконцентрації метану в газоповітряній суміші. мірювальну кювету з довжиною L, в якій знахоВідомий спосіб забезпечує необхідну швидкодиться досліджувана газоповітряна суміш з дію і необхідну точність вимірювання концентрації вимірюваною концентрацією метану ССH4, вимірюметану, проте в умовах високої неоднорідної завані інтенсивності оптичного випромінювання, що пиленості газоповітряної суміші пилова хмара у пройшло через кювету її і перетворенні одержаної області відкритих кювет може мати неоднорідний інформації в електричний сигнал. Концентрація склад і товщина плівки пилу, що осідає на оптичметану в газоповітряній суміші визначається за них елементах, може бути різною, крім того, присформулою: корюється процес забруднення оптичних елементів, унаслідок чого зростає похибка визначення 1 I0 CCH4 ln концентрації метану. K L I1 У основу запропонованого винаходу поставде K - коефіцієнт, що характеризує інтенсивлена задача удосконалення способу вимірювання ність поглинання метану на досліджуваній довжині концентрації метану при високій неоднорідній захвилі оптичного випромінювання. пиленості газоповітряної суміші, в якому за рахуНедоліком даного способу є те, що при контнок використання трьох кювет усувається мультиролі концентрації метану в умовах запиленої газоплікативна складова похибки в результаті повітряної суміші для забезпечення необхідних вимірювання концентрації метану і контролюється показників точності вимірювань згідно ГОСТ максимально можливий рівень забруднення опти24032-80 введена система фільтрів, яка очищає чних елементів відкритих кювет. Даний спосіб задосліджувану газоповітряну суміш від пилу. Час безпечує необхідну швидкодію при підвищенні визначення концентрації метану при цьому істотно точності вимірювання концентрації метану, що збільшується, тому даний спосіб не знайшов шиприводить до своєчасного визначення вибухонерокого застосування при розробці вимірювачів безпечної концентрації метану при високій неодконцентрації метану. норідній запиленості газоповітряної суміші. Найближчим за технічною суттю до способу, Поставлена задача вирішується тим, що в що заявляється, є спосіб вимірювання концентраспособі вимірювання концентрації метану в газоції метану в рудничній атмосфері (Патент UA на повітряній суміші, який включає пропускання потоKM №46197 МПК 8G01N21/31, публ. 10.12.2009р.). ків інфрачервоного випромінювання від джерел Суть прототипу полягає в наступному. Для вимівипромінювання через кювети, при цьому інтенсирювання концентрації метану здійснюється пропувність джерела випромінювання однієї з кювет скання двох потоків інфрачервоного випромінювідповідає максимуму інтенсивності поглинання вання від двох джерел, при цьому через рудничну інфрачервоного випромінювання метаном з доватмосферу однієї відкритої кювети пропускають жиною хвилі в діапазоні (3,20÷3,45) мкм, а інтенсипотік інфрачервоного випромінювання, інтенсиввність джерела випромінювання іншої кювети знаність випромінювання якого відповідає максимуму ходиться поза максимумом інтенсивності інтенсивності поглинання метану з довжиною хвилі поглинання інфрачервоного випромінювання мев діапазоні (3.20÷3.45) мкм, а через рудничну аттаном з довжиною хвилі в діапазоні (2,20÷3,10) мосферу іншої відкритої кювети пропускають потік мкм, вимірювання інтенсивностей випромінюванінфрачервоного випромінювання, інтенсивність ня, які пройшли через кювети, перетворення вимівипромінювання якого знаходиться поза максимуряного значення інтенсивності випромінювання в мом інтенсивності поглинання метану з довжиною електричні сигнали і визначення концентрації мехвилі в діапазоні (2.20÷3.10) мкм, а визначення тану в газоповітряній суміші, згідно винаходу, проконцентрації метану в рудничній атмосфері здійспускання потоків інфрачервоного випромінювання нюється шляхом обробки електричних сигналів здійснюють від трьох джерел, при цьому одна з для реалізації нелінійної мультиплікативної або кювет має фільтр для очищення газоповітряної лінійної адитивної компенсації впливу запиленості суміші від пилу і є закритою, а інші дві кювети відкрудничної атмосфери на результати вимірювання риті, в яких безпосередньо знаходиться вимірюваконцентрації метану. на газоповітряна суміш, через очищену газоповітЗагальними ознаками відомого способу виміряну суміш закритої кювети пропускають потік рювання концентрації метану в рудничній атмосвипромінювання з довжиною хвилі, яка відповідає фері і способом, що заявляється, є: пропускання максимуму поглинання інфрачервоного випроміпотоків інфрачервоного випромінювання від дженювання метаном, а визначення концентрації мерел випромінювання через кювети, при цьому інтану в газоповітряній суміші здійснюють шляхом тенсивність джерела випромінювання однієї з кюобробки вихідних електричних сигналів трьох кавет відповідає максимуму інтенсивності налів з кюветами. поглинання інфрачервоного випромінювання меКонтроль максимально можливого рівня затаном з довжиною хвилі в діапазоні (3,20÷3,45) брудненості оптичних елементів здійснюється мкм, а інтенсивність джерела випромінювання шляхом порівняння вихідних електричних сигналів іншої кювети знаходиться поза максимумом інтенканалів із закритою і відкритою кюветами, в яких сивності поглинання інфрачервоного випромінюджерела випромінювання мають максимальну 5 92704 6 інтенсивність поглинання інфрачервоного випроЧерез три кювети пропускають потоки інфрамінювання метаном і коефіцієнт запиленості і зачервоного випромінювання від трьох джерел. Потік брудненості оптичних елементів відкритих кювет інфрачервоного випромінювання закритої і першої визначають за формулою: відкритої кювет має центральну довжину хвилі 3,4мкм, а потік інфрачервоного випромінювання UЗОК ССН4 K забр СП (1) другої відкритої кювети – 2,9мкм. Після цього виUВОК 1 ССН4, СП мірюють інтенсивності потоків інфрачервоного де UЗОК і UВОК 1 , В - вихідні електричні сигнавипромінювання і перетворюють отримані значення в електричні сигнали. Оскільки закрита кювета ли напруги каналів із закритою і відкритою кювемістить фільтр для очищення газоповітряної сумітами; ССН4 , oб.% і СП , мг/м3 - концентрація метану ші від пилу, то час необхідний для вимірювання і пилу в газоповітряній суміші. інтенсивності інфрачервоного випромінювання, що Обробка електричних сигналів для підвищення пройшло через неї, на порядок перевищує аналоточності вимірювання концентрації метану в умогічний час для відкритих кювет. Для визначення вах високої неоднорідної запиленості газоповітряконцентрації метану при збереженні необхідної ної суміші здійснюється за формулою: швидкодії 0,8с виконують обробку вихідних електUВОК 1 ССН4, СП SПР ССН4 КЗАБР СП UВОК 2 СП ричних сигналів від двох відкритих кювет шляхом (2) UВОК 2 СП ділення їх один на одного. При цьому на результат де UЗОК , UВОК 1 і UВОК 2 , В - вихідні електричвимірювання концентрації метану впливатиме неоднорідна запиленість відкритих кювет, характені сигнали напруги каналів із закритою і відкритими oб 3 ристики 1, 2 і 3 не співпадають. кюветами, ССН4 , % і СП , мг/м , - концентрація Після отримання вихідного електричного сигметану і пилу в газоповітряній суміші; KЗАБР - коеналу каналу із закритою кюветою відповідно до фіцієнт запиленості і забрудненості оптичних елеформули 1 визначають коефіцієнт запиленості і ментів відкритих кювет; SПР ССН4 - характерисзабрудненості оптичних елементів відкритих кювет KЗАБР і вносять поправку в результат визначення тика перетворення з електричного сигналу у концентрації метану відповідно до формули 2 для вимірювану концентрацію метану. компенсації впливу неоднорідної запиленості СП Використання трьох кювет усуває мультиплівідкритих кювет. В результаті отримана характекативну складову похибки в результаті вимірюванристика перетворення електричного сигналу Sпp_н ня концентрації метану, що виникає за рахунок (ССН) У вимірювану концентрацію метану в діапависокої неоднорідної запиленості газоповітряної зоні від 0 до 4об.% не залежить від неоднорідної суміші, і контролює максимально можливий рівень запиленості відкритих кювет, характеристики 4, 5 і забрудненості оптичних елементів відкритих кю6 співпадають. вет. Поправка для компенсації неоднорідної запиВикористання трьох кювет підвищує точність леності вноситься через фіксовані інтервали часу вимірювання концентрації метану при збереженні в процесі роботи вимірювальної системи. Коефіцінеобхідної швидкодії. єнт КЗАБР також контролює максимально можливий На Фіг.1 наведені нормовані характеристики рівень забрудненості оптичних елементів відкриперетворення вихідного електричного сигналу тих кювет і тим самим визначає працездатний стан Мuх(ССH4) У вимірювану концентрацію метану ССH4 вимірювальної системи. Похибка вимірювання без урахування впливу неоднорідної запиленості концентрації метану при неоднорідній запиленості СП відкритих кювет, де 1 - неоднорідність конценвідкритих кювет СП=50мг/м3 може бути зменшена трації пилу СП=0; 2 - неоднорідність концентрації 3 на 0,1об.%. пилу СП=50мг/м ; 3 - неоднорідність концентрації 3 Запропонований спосіб дозволяє підвищити пилу СП=100мг/м . точність вимірювачів концентрації метану при виНа Фіг.2 наведені нормовані характеристики сокій неоднорідній запиленості газоповітряної суперетворення вихідного електричного сигналу міші при збереженні необхідної швидкодії за рахуSпp_н(CСH4) У вимірювану концентрацію метану нок використання трьох кювет і компенсації впливу CСH4 з компенсацією впливу неоднорідної запиленеоднорідної запиленості на результат вимірюності СП відкритих кювет, де 4 - неоднорідність вання концентрації метану. Використання даного концентрації пилу СП=0; 5 - неоднорідність кон3 способу у вимірювальних системах дозволить центрації пилу СП=50мг/м ; 6 - неоднорідність своєчасно визначати вибухонебезпечну концент3 концентрації пилу СП=100мг/м . рації метану при високій неоднорідній запиленості Приклад реалізації способу вимірювання конгазоповітряної суміші. центрації метану в газоповітряній суміші. 7 Комп’ютерна верстка Т. Чепелева 92704 8 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601