Спосіб вимірювання концентрації метану в рудниковій атмосфері

1. Спосіб вимірювання концентрації метану в рудниковій 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 та визначення концентрації метану в рудниковій атмосфері, який відрізняється тим, що пропускання потоків інфрачервоного C2 2 (19) 1 3 Винахід 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 l1 і перетворення одержаної інформації в електричний сигнал. Концентрація газу в рудничної атмосфері визначається по формулі: l 1 1n 0 , K l l1 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 - 20 с, при необхідному показнику 0,8 с. 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 (А.с. СРСР №1363965 А1, МПК 7 G 01 N 21/35. опубл. 20.04.2000р.). Суть прототипу 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 інтенсивність в електричний сигнал l0, потім другу вимірювальну кювету заповнюють досліджуваним повітрям, додають до нього фіксовану кількість метану С, вимірюють інтенсивність інфрачервоного випроміC 91795 4 нювання, що пройшло через кювету та перетворюють виміряну інтенсивність в електричний сигнал l2, а вміст метану в рудничному повітрі визначають по формулі: 1n l1 1n l 0 C C , 1n l 2 1n l1 де l1 - 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 С. При послідовному виконанні цих операцій знижується швидкодія вимірювача концентрації метану, а також необхідна наявність еталонних сумішей з нульовим та з фіксованим С вмістом метану, що призводить до виникнення труднощів при практичній реалізації відомого способу. У основу запропонованого винаходу 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 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 дже 5 91795 6 рела через дві кювети, вимірювання інтенсивності поза максимумом інтенсивності поглинання метавипромінювання, що пройшло через обидві кювену з довжиною хвиль в діапазоні 2,20 3,10мкм, а ти, перетворення виміряної інтенсивності в електвизначення концентрації метану в рудничній атморичні сигнали і визначення концентрації метану в сфері здійснюється шляхом обробки електричних рудничній атмосфері, згідно винаходу, що пропуссигналів для реалізації нелінійної мультиплікативкання потоків інфрачервоного випромінювання ної або лінійної адитивної компенсації впливу заздійснюють від двох джерел, при цьому через рудпиленості рудничної атмосфери на результати ничну атмосферу однієї відкритої кювети пропусвимірювання концентрації метану. кають потік інфрачервоного випромінювання, інтеДоцільно обробку електричних сигналів для нсивність випромінювання якого відповідає реалізації нелінійної мультиплікативної компенсамаксимуму інтенсивності поглинання метану з доції Мuх(СП,СCH4,І) впливу запиленості рудничної вжиною хвилі в діапазоні 3,20 3,45мкм, а через атмосфери на результати вимірювання концентрудничну атмосферу іншої відкритої кювети прорації метану здійснювати шляхом ділення сигналів пускають потік інфрачервоного випромінювання, по формулі: інтенсивність випромінювання якого знаходиться Mux CП, ССН4, І l0LED34 TП ССН4, l TПрП СП, l l0LED29 TП ССН4, l, 0 2,9мкм ТПрП СП,І де l0LED34 і l0LED29, Вт/мкм - інтенсивність потоків інфрачервоного випромінювання від першого і другого джерела; СCH4,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 - коефіцієнт пропу ТП ССН4,І , скання інфрачервоного випромінювання вугільним пилом. Доцільно обробку електричних сигналів для реалізації лінійної адитивної компенсації Add(CП,CСH4,l) впливу запиленості рудничної атмосфери на результати вимірювання концентрації метану здійснювати шляхом віднімання сигналів по формулі: Аdd(CП, ССН4, l) = lLED29(CП, ССН4, l) - lLED34(CП,ССН4, l) = lПР (ССН4, l), де ІLED34(СП,ССН4, І) і lLED29 (СП,ССН4, І),Вт/мкм інтенсивність потоків інфрачервоного випромінювання, що пройшли першу і другу кювети; ІПР(ССН4,І), Вт/мкм - різницевий сигнал інтенсивності потоків інфрачервоного випромінювання, який несе інформацію про концентрацію метану в рудничній атмосфері; ССН4,об.% і СП,мг/м3 - концентрація метану і вугільного пилу вкюветах з досліджуваною рудничною атмосферою; І, 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 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. (1) (2) 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( ) та залежність коефіцієнта пропускання оптичного випромінювання метану ΤП(λ), 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; λ, мкм - довжина хвилі інфрачервоного випромінювання. На Фіг.2 приведені залежності вихідного електричного сигналу Мuх(СП,ССН4,l) від концентрації метану в діапазоні від 0 до 4об.% та зміни концентрації вугільного пилу СП мг/м3, при обробці електричних сигналів шляхом застосування нелінійної мультиплікативної компенсації Мuх(СП,ССН4,l) впливу запиленості рудничної атмосфери, де 5 концентрація вугільного пилу СП -500мг/м3; 6 - концентрація вугільного пилу СП = 1000мг/м3; 7 - концентрація вугільного пилу СП=3000мг/м3. На Фіг.3 приведені залежності вихідного електричного сигналу Add(CП,CCH4,l) від концентрації метану в діапазоні від 0 до 4об.% та зміни концентрації вугільного пилу СП мг/м3, при обробці електричних сигналів шляхом застосування лінійної адитивної компенсації Add(CП,CСH4,l) впливу запиленості рудничної атмосфери, де 5 - концентрація вугільного пилу СП=500мг/м3; 6 - концентрація ву 7 91795 8 гільного пилу СП=1000мг/м3; 8 - концентрація вугіпо формулі 1. В результаті одержують залежність льного пилу СП=750мг/м3. вихідного електричного сигналу Мuх(СП,СCН4,l) від Приклад реалізації способу вимірювання конконцентрації метану в діапазоні від 0 до 4oб.%, центрації метану в рудничній атмосфері. який визначений вимогами для метанометрів згідОдночасно пропускають потоки інфрачервононо ГОСТ 24032-80. У даному діапазоні концентраго випромінювання від двох різних джерел випроцій метану, результати вимірювань не залежать мінювання. Через рудничну атмосферу однієї відвід зміни концентрації вугільного пилу, характерикритої кювети довжиною l=100мм (перший канал) стики 5, 6 та 7 співпадають. пропускають потік інфрачервоного випромінюванВизначення концентрації метану в рудничній ня з центральною довжиною хвилі 3,4мкм та норатмосфері здійснюється шляхом обробки електримованою спектральною характеристикою 1, а чечних сигналів, та реалізують лінійну адитивну комрез рудничну атмосферу іншої відкритої кювети пенсацію Add(CП,CСH4,l) впливу запиленості руднидовжиною l=100мм (другий канал) - з центральною чної атмосфери на результати вимірювання довжиною хвилі 2,9мкм та нормованою спектральконцентрації метану. Таку обробку здійснюють ною характеристикою 2. При цьому другий канал шляхом віднімання електричних сигналів по форвимірювача оптично прозорий для спектральної мулі 2. В результаті одержують залежність вихідсмуги поглинання метану 4 та частково оптично ного електричного сигналу Add(CП,CСH4,l) від конпрозорий для розсіювання випромінювання вугільцентрації метану в діапазоні від 0 до 4об.%. На ним пилом. Потоки інфрачервоного випромінюпочатковій ділянці даної характеристики від 1 до вання поступають на приймач, який має нормова1,5об.% та при зміні концентрації вугільного пилу, ну спектральну чутливість 3 та перекриває спектри характеристики 5, 6 та 8 різняться, при цьому поінфрачервоного випромінювання обох джерел казники точності при вимірюванні концентрації випромінювання. Після цього вимірюють інтенсивметану не виходять за допустимі межі. Тому даний ності випромінювання, що пройшли через обидві спосіб застосовується при вимірюванні концентракювети і перетворюють виміряні інтенсивності в ції метану не більш 1,5об.%. електричні сигнали. При цьому забезпечують рівДані про вміст метану в рудничній атмосфері ність вихідних сигналів першого і другого каналів виводять на індикатор та по цифровому каналу при концентрації метану в них рівного нулю, а тазв'язку передають в систему аерогазового захисту кож здійснюють масштабування вихідного сигналу, вугільної шахти. яке полягає в наступному: максимальний вихідний Запропонований спосіб дозволяє підвищити сигнал відповідає максимальному значенню діапашвидкодію вимірювачів концентрації метану в рузону вимірювання концентрації метану, а нуль дничній атмосфері при необхідній точності контромінімальної концентрації. лю за рахунок використання відкритих оптичних Визначення концентрації метану в рудничній каналів та компенсації впливу вугільного пилу на атмосфері здійснюють шляхом обробки електричрезультат вимірювання концентрації метану. Заних сигналів, та реалізують нелінійну мультиплікастосування даного способу в стаціонарних метативну компенсацію Мuх(СП,СCН4,l) впливу запиленометрах дозволить знизити вірогідність виникності рудничної атмосфери на результати нення вибухонебезпечної ситуації при раптовому вимірювання концентрації метану. Таку обробку викиді пилу та газу у вугільних шахтах. здійснюють шляхом ділення електричних сигналів 9 Комп’ютерна верстка Л. Купенко 91795 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