Спосіб вимірювання концентрації метану в рудничній атмосфері

1. Спосіб вимірювання концентрації метану в рудничній атмосфері, включає пропускання двох потоків інфрачервоного випромінювання від джерела через дві кювети, вимірювання інтенсивності випромінювання, що пройшло через обидві кювети, перетворення виміряної інтенсивності в електричні сигнали та визначення концентрації метану в рудничній атмосфері, який відрізняється тим, що пропускання потоків інфрачервоного випромінювання здійснюють від двох джерел, при цьому через рудничну атмосферу однієї відкритої кювети пропускають потік інфрачервоного випромінюван U 2 (19) 1 3 Корисна модель відноситься до області аналітичних вимірювань газових компонент переважно в умовах запиленості рудничної атмосфери вугільних шахт і може бути використаний у вимірювальних та управляючих системах аерогазового контролю промислових підприємств та системах екологічного моніторингу. При вимірюванні концентрації метану в рудничній атмосфері вугільних шахт використовують бездисперсійні методи абсорбційної спектроскопії, які засновані на здатності атмосферних газів вибірково поглинати інфрачервоне оптичне випромінювання в спектральній області. Відомий спосіб вимірювання концентрації метану в рудничній атмосфері вугільних шахт [Щербань А.Н., Фурман Н.И. Методы и средства контроля рудничного газа (метана). - К.: Наукова думка, 1985. - 412с.] заснований на пропусканні інтенсивності інфрачервоного випромінювання від джерела l0 через вимірювальну кювету з довжиною l, в якій знаходиться досліджувана руднична атмосфера з вимірюваною концентрацією газу С, вимірювання інтенсивності оптичного випромінювання, що пройшло через кювету 7, і перетворення одержаної інформації в електричний сигнал. Концентрація газу в рудничної атмосфері визначається по формулі: æI ö 1 C= × lnç 0 ÷, K × l ç I1 ÷ è ø де К - коефіцієнт, що характеризує інтенсивність поглинання вимірюваного газу на досліджуваній довжині хвилі оптичного випромінювання. Недоліком цього способу є те, що при контролі концентрації метану в умовах запиленості рудничної атмосфери вугільних шахт для забезпечення необхідних показників точності вимірювань згідно ГОСТ 24032-80 введена система фільтрів, яка очищує досліджувану рудничну атмосферу від вугільного пилу. При використанні фільтрів у вимірювачі значно знижується швидкодія системи до рівня 15-20с, при необхідному показнику 0,8с. Тому даний спосіб не знайшов широкого застосування при розробці вимірювачів концентрації метану в умовах запиленості рудничної атмосфери вугільних шахт. Найближчим за технічною суттю до способу, що заявляється, є спосіб вимірювання вмісту метану в рудничному повітрі [SU №1363965 А1, МПК7G01 N21/35. опубл. 20.04.2000р.]. Суть найближчого аналога полягає в наступному. Для вимірювання вмісту метану в рудничному повітрі здійснюється пропускання двох однакових по інтенсивності пучків інфрачервоного випромінювання від одного загального джерела через дві вимірювальні кювети однакової довжини, в першій з яких знаходиться досліджуване рудничне повітря, а другу вимірювальну кювету заповнюють чистим повітрям з нульовим вмістом метану, вимірюють інтенсивність інфрачервоного випромінювання, що пройшло через кювети та перетворюють виміряну 46197 4 інтенсивність в електричний сигнал I0, потім другу вимірювальну кювету заповнюють досліджуваним повітрям, додають до нього фіксовану кількість метану DС, вимірюють інтенсивність інфрачервоного випромінювання, що пройшло через кювету та перетворюють виміряну інтенсивність в електричний сигнал I2, а вміст метану в рудничному повітрі визначають по формулі: ln(I ) - ln(I0 ) C = DC × 1 , ln(I2 ) - ln(I1) де I1 - електричний сигнал, який відповідає інтенсивності інфрачервоного випромінювання, що пройшло через першу вимірювальну кювету. Загальними ознаками відомого способу вимірювання вмісту метану в рудничному повітрі і способу, що заявляється, є: пропускання двох потоків інфрачервоного випромінювання від джерела через дві кювети; вимірювання інтенсивності інфрачервоного випромінювання, що пройшло через обидві кювети; перетворення виміряної інтенсивності в електричні сигнали; визначення концентрації метану в рудничній атмосфері. При розповсюдженні потоку інфрачервоного випромінювання в умовах запиленості рудничної атмосфери відбувається ослаблення випромінювання, внаслідок розсіяння та поглинання частинками пилу інфрачервоного потоку, що призводить до виникнення впливу на показники точності при вимірюванні концентрації метану. Недоліком відомого способу є те що, для забезпечення необхідних показників точності вимірювань, згідно вимог ГОСТ 24032-80, необхідно виключення впливу вугільного пилу на результат вимірювання концентрації метану, що здійснюється введенням системи фільтрів, при використанні яких знижується швидкодія системи. Застосування відомого способу не набуло поширення при розробці та проектуванні систем аерогазового контролю вугільних шахт. Ще одним істотним недоліком прототипу є необхідність виконання декількох операцій для визначення концентрації метану в рудничному повітрі: вимірювання інтенсивності випромінювання, що пройшло через кювету з нульовим вмістом метану, вимірювання інтенсивності випромінювання, що пройшло через кювету з рудничними повітрям, а потім вимірювання з фіксованою кількістю метану DС. При послідовному виконанні цих операцій знижується швидкодія вимірювача концентрації метану, а також необхідна наявність еталонних сумішей з нульовим та з фіксованим DС вмістом метану, що призводить до виникнення труднощів при практичній реалізації відомого способу. У основу запропонованої корисної моделі поставлена задача вдосконалення способу вимірювання концентрації метану в рудничному повітрі, в якому за рахунок використання відкритих кювет двоканальної оптичної системи виконується компенсація впливу вугільного пилу на результати 5 46197 вимірювання концентрації метану. Даний спосіб забезпечує швидкодію вимірювача при необхідній точності контролю концентрації метану, що призводить до зменшення вірогідності виникнення вибухонебезпечної ситуації при раптових викидах метану. Поставлена задача вирішується тим, що в способі вимірювання концентрації метану в рудничній атмосфері, який включає пропускання двох потоків інфрачервоного випромінювання від джерела через дві кювети, вимірювання інтенсивності випромінювання, що пройшло через обидві кювети, перетворення виміряної інтенсивності в електричні сигнали і визначення концентрації метану в рудничній атмосфері, згідно корисної моделі, що пропускання потоків інфрачервоного випромінювання здійснюють від двох джерел, при цьому через рудничну атмосферу однієї відкритої кювети пропускають потік інфрачервоного випромінювання, інтенсивність випромінювання якого відповідає Mux(CП, CСН4 , l) = 6 максимуму інтенсивності поглинання метану з довжиною хвилі в діапазоні 3,20¸3,45мкм, а через рудничну атмосферу іншої відкритої кювети пропускають потік інфрачервоного випромінювання, інтенсивність випромінювання якого знаходиться поза максимумом інтенсивності поглинання метану з довжиною хвиль в діапазоні 2,20¸3,10мкм, а визначення концентрації метану в рудничній атмосфері здійснюється шляхом обробки електричних сигналів для реалізації нелінійної мультиплікативної або лінійної адитивної компенсації впливу запиленості рудничної атмосфери на результати вимірювання концентрації метану. Доцільно обробку електричних сигналів для реалізації нелінійної мультиплікативної компенсації Mux(CП, CСН4, l) впливу запиленості рудничної атмосфери на результати вимірювання концентрації метану здійснювати шляхом ділення сигналів по формулі: I0LED34 × TП (ССH4,l) × TПрП ( СП,l) = TП (CСН4 , l), I0LED29 × TП (СCH4,l,l 0 = 2,9мкм) × TПрП (СП, l) де I0LED34 i I0LED29 , Вт/мкм - інтенсивність потоків інфрачервоного випромінювання від першого і другого джерела; CCH4,об.% і СП , мг/м3 - концентрація метану і вугільного пилу в кюветах з досліджуваною рудничною атмосферою; l, м - довжина кювет, ТП - коефіцієнт поглинання інфрачервоного випромінювання метаном; ТПрП - кое фіцієнт пропускання інфрачервоного випромінювання вугільним пилом. Доцільно обробку електричних сигналів для реалізації лінійної адитивної компенсації Add(CП, CСН4 , l) , впливу запиленості рудничної атмосфери на результати вимірювання концентрації метану здійснювати шляхом віднімання сигналів по формулі: Add(CП, CСН4 , l) = ILED29 (CП, C СН4 , l) - ILED34 (CП, CСН4 , l) = DIПР (CСН4 , l), де ILED34 (CП, CСН4, l) і ILED29 (CП, CСН4, l) , Вт/мкм - інтенсивність потоків інфрачервоного випромінювання, що пройшли першу і другу кювети; DIПР (CСН4, l) , Вт/мкм - різницевий сигнал інтенсивності потоків інфрачервоного випромінювання, який несе інформацію про концентрацію метану в рудничній атмосфері; СCH4,об.% і СП , мг/м3 концентрація метану і вугільного пилу в кюветах з досліджуваною рудничною атмосферою; l, м - довжина кювет. Використання двох джерел інфрачервоного випромінювання з різної довжиною хвилі спрощує обробку електричних сигналів для реалізації компенсації впливу запиленості рудничної атмосфери на результати вимірювання концентрації метану. Використання двох відкритих кювет, в кожній з яких знаходиться досліджуване рудничне повітря, дозволяє збільшити швидкодію вимірювача концентрації метану при необхідній точності контролю за рахунок виключення системи фільтрів та еталонних газових сумішей. Інтенсивність поглинання метаном інфрачервоного випромінювання в діапазоні довжин хвиль 3,20¸3,45мкм має максимальне значення, тому в якості джерела інфрачервоного випромінювання (1) (2) однієї відкритої кювети (перший канал) використовується джерело випромінювання з центральною довжиною хвилі 3,4мкм. Спектр поглинання метану в діапазоні довжин хвиль інфрачервоного випромінювання 2,20¸3,10мкм має інтенсивність поглинання практично рівну нулю, що дає можливість реалізувати другий канал вимірювача оптично прозорим для спектру поглинання метану, та частково оптично прозорим для розсіювання інфрачервоного випромінювання вугільним пилом. На підставі цього для компенсації вугільного пилу використовується інфрачервоний випромінювач другої відкритої кювети (другий канал) джерело випромінювання якого має центральну довжину хвилі 2,9мкм. На Фіг.1 приведені нормовані спектральні характеристики джерел випромінювання, приймача s(l) та залежність коефіцієнта пропускання оптичного випромінювання метану TП (l ) , де показані нормована спектральна характеристика 1 джерела першого каналу; нормована спектральна характеристика 2 джерела другого каналу; нормована спектральна чутливість 3 приймача інфрачервоного випромінювання, яка перекриває спектри випромінювання джерел 1, 2; спектральні смуги 4 поглинання метану; l, мкм - довжина хвилі інфрачервоного випромінювання. 7 На Фіг.2 приведені залежності вихідного електричного сигналу Mux(CП, CСН4 , l) від концентрації метану в діапазоні від 0 до 4об.% та зміни концентрації вугільного пилу CП мг/м3, при обробці електричних сигналів шляхом застосування нелінійної мультиплікативної компенсації Mux(CП, CСН4, l) впливу запиленості рудничної атмосфери, де 5 – концентрація вугільного пилу 3 CП = 500 мг/м ; 6 - концентрація вугільного пилу 3 CП = 1000 мг/м ; 7 - концентрація вугільного пилу 3 CП = 3000 мг/м . На Фіг.3 приведені залежності вихідного електричного сигналу Add(CП, CСН4, l) від концентрації метану в діапазоні від 0 до 4об.% та зміни концентрації вугільного пилу CП мг/м3, при обробці електричних сигналів шляхом застосування лінійної адитивної компенсації Add(CП, CСН4, l) впливу запиленості рудничної атмосфери, де 5 - концентрація вугільного пилу СП = 500 мг/м3; 6 - концент рація вугільного пилу CП = 1000 мг/м3; 8 - концентрація вугільного пилу CП = 750 мг/м3. Приклад реалізації способу вимірювання концентрації метану в рудничній атмосфері. Одночасно пропускають потоки інфрачервоного випромінювання від двох різних джерел випромінювання. Через рудничну атмосферу однієї відкритої кювети довжиною l=100мм (перший канал) пропускають потік інфрачервоного випромінювання з центральною довжиною хвилі 3,4мкм та нормованою спектральною характеристикою 1, а через рудничну атмосферу іншої відкритої кювети довжиною l=100мм (другий канал) - з центральною довжиною хвилі 2,9мкм та нормованою спектральною характеристикою 2. При цьому другий канал вимірювача оптично прозорий для спектральної смуги поглинання метану 4 та частково оптично прозорий для розсіювання випромінювання вугільним пилом. Потоки інфрачервоного випромінювання поступають на приймач, який має нормовану спектральну чутливість 3 та перекриває спектри інфрачервоного випромінювання обох джерел випромінювання. Після цього вимірюють інтенсивності випромінювання, що пройшли через обидві кювети і перетворюють виміряні інтенсивності в електричні сигнали. При цьому забезпечують рівність вихідних сигналів першого і другого каналів при концентрації метану в них рівного нулю, а також здійснюють масштабування вихідного сигналу, яке полягає в наступному: максимальний вихідний 46197 8 сигнал відповідає максимальному значенню діапазону вимірювання концентрації метану, а нуль мінімальної концентрації. Визначення концентрації метану в рудничній атмосфері здійснюють шляхом обробки електричних сигналів, та реалізують нелінійну мультиплікативну компенсацію Mux(CП, CСН4, l) впливу запиленості рудничної атмосфери на результати вимірювання концентрації метану. Таку обробку здійснюють шляхом ділення електричних сигналів по формулі 1. В результаті одержують залежність вихідного електричного сигналу Mux(CП, CСН4, l) від концентрації метану в діапазоні від 0 до 4об.%, який визначений вимогами для метанометрів згідно ГОСТ 24032-80. У даному діапазоні концентрацій метану, результати вимірювань не залежать від зміни концентрації вугільного пилу, характеристики 5, 6 та 7 співпадають. Визначення концентрації метану в рудничній атмосфері здійснюється шляхом обробки електричних сигналів, та реалізують лінійну адитивну компенсацію Add(CП, CСН4, l) впливу запиленості рудничної атмосфери на результати вимірювання концентрації метану. Таку обробку здійснюють шляхом віднімання електричних сигналів по формулі 2. В результаті одержують залежність вихідного електричного сигналу Add(CП, CСН4, l) від концентрації метану в діапазоні від 0 до 4об.%. На початковій ділянці даної характеристики від 1 до 1,5об.% та при зміні концентрації вугільного пилу, характеристики 5, 6 та 8 різняться, при цьому показники точності при вимірюванні концентрації метану не виходять за допустимі межі. Тому даний спосіб застосовується при вимірюванні концентрації метану не більш 1,5об.%. Дані про вміст метану в рудничній атмосфері виводять на індикатор та по цифровому каналу зв'язку передають в систему аерогазового захисту вугільної шахти. Запропонований спосіб дозволяє підвищити швидкодію вимірювачів концентрації метану в рудничній атмосфері при необхідній точності контролю за рахунок використання відкритих оптичних каналів та компенсації впливу вугільного пилу на результат вимірювання концентрації метану. Застосування даного способу в стаціонарних метанометрах дозволить знизити вірогідність виникнення вибухонебезпечної ситуації при раптовому викиді пилу та газу у вугільних шахтах. 9 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 46197 Підписне 10 Тираж 28 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