Способ настройки шахтных инфракрасных сигнализаторов метана и устройство для его осуществления Советский патент 1987 года по МПК E21F17/18 

пропускания Xti и фильтрами-монохрома- торами 3 и 4 излучения от И 1 к Д 2 и напряжения и питания И 1. Механизмом смены и фиксации, состоящим из крестовины 25, вала 26 и фиксатора 27, последовательно усганавливают кюветы с чистым воздухом Nil, метаном Л/м 32, парами воды Nп, угольной пыли Л . 33, угарными Л уг и углекислыми /V y-i газами между И 1 и Д 2. Кюветы состоят из цилиндров 29 с окнами 30 и 31. При устаИзобретение относится к горной автоматике, а именно к способам и устройствам для установления оптимальных значений 1араметрОБ и настройки шахтных сигнализаторов метана, и может быть использовано на заводах-изготовителях сигнализаторов и на угольных шахтах для настройки сигнализаторов на заданные условия контроля содержания метана в шахтной атмосфере.

Целью изобретения является повыи1ение точности измерения содержания метана за счет установления оптимальных значений параметров датчика сигнализатора метана, а также повышение безопасности настройки и ее ускорения.

На фиг. схематически показано уст- ройство для настройки шахтных сигнализаторов метана (источник, детектор и кюветы даны в разрезе); на фиг. 2 -- регулируемый источник инфракрасного излучения с регулируемым коллиматором и первым регулируемым фильтром-монохроматором, раз- рез; на фиг. 3 - приемник инфракрасного излучения с регулируемым коллиматором и вторым регулируемым фильтром-монохро- м-атором, разрез.

Датчик сигнализатора метана выполнен в виде регулируемого источника 1 и приемника 2 инфракрасного излучения.

В состав устройства входят первый 3 и второй 4 регулируемые фильтры-монохро- маторы, два регулируемых коллиматора, каждый из которых состоит из держателя 5 или 6 и -айки 7 или 8 соответственно. Механизм изменения расстояния и его фиксации состоит из вертикальной стойки 9 с миллиметровыми делениями 10, по которой с помощью хомутов 11 и 12 могут перемещаться горизонтальные штанги 13 и 14. Для точной установки штанг 13 и 14 в требуемые положения механизм имеет две микрометрические подачи. Микрометрическая подача нижней горизонтальной штанги 13 состоит из рамки 15, микрометрического винта 16, микрометрической гайки 17 и стопорного винта 18.

новке каждой кюветы измеряют сигналы с Д 2 и индицируют блоком 34 индикации. По измеренным сигналам рассчитывают П а до получения минимального значения П по формуле а NB-Nn(Jf + (Nii-N)) 3y- --hiA/s-.Vypffflp +(/Vfi-л.fQJ .

Для ускорения настройки первые тринадцатые значения а, а-и, а , А,,,, Яе и t/ должны равномерно заполнять диапазон их изменений. 2 с. и 1 3. п. ф-лы, 3 ил. 1 табл.

;t

Микрометрическая подача верхней горизонтальной штанги 14 состоит аналогично из рамки 19, микрометрического винта 20, микрометрической гайки 21 и стопорного винта 22. В каждом из хомутов 11 и 12 закреплен нониус 23 или 24, с помощью которого хомут может быть установлен в требуемое положение с погрешностью не более 0,05 мм.

Механизм смены и фиксации положения состоит из горизонтальной шестикрылой крестовины 25, установленной на вертикальном валу 26.

Вертикальный вал 26 через фиксатор 27, а вертикальная стойка 9 непосредственно прикреплены к основанию 28.

На концах каждого из шести крыльев крестовины 28 закреплены кюветы толщиной dsilO.OlL. Кюветы выполнены цилиндрическими, герметичными и одинаковыми по размеру. Каждая кювета состоит из цилиндра 29 и двух окон 30 и 31, завальцованных в цилиндре так, чтобы они были параллельны друг другу и расположены на расстоянии d друг от друга. Окна 30 и 31 кювет выполнены из прозрачного для инфракрасного излучения материала и имеют одинаковую толщину. Во всех кюветах - одинаковое давление, рав}1ое атмосферному. Первая кювета заполнена чистым воздухом, вторая - метаном 32, третья - парами воды, четвертая - нанесенной на тонкую пленку угольной пылью 33 (пленка выполнена из прозрачного для инфракрасного излучения материала), концентрацией , где m - масса пыли в кювете, S - площадь пленки, равная площади открытой части окна кюветы.

Кюветы закреплены на одинаковых расстояниях от оси вала 26 и установлены вертикально. При поворотах вала на угол 60° кюветы последовательно устанавливаются на линии источник 1 - детектор 2 посредине между чувствительным слоем детектора 2 и излучающей поверхностью источника 1.

Выход детектора 2 соединен с входом блока 34 индика 1ии, В1з1ход регулируемого

источника 35 напряжения соединен с регулируемым источником 1 инфракрасного излучения.

Способ осуществляется следующим образом.

Конкретный настраиваемый сигнализатор метана предназначен для конкретного объекта контроля, например для контроля щахтной атмосферы конкретного угольного бассейна. Тогда становятся известны дисперсии а|, 0у, Oyj., о (п - пары воды, у - угольная пыль, уг - угарный газ, ул - углекислый газ).

Задают диапазоны варьирования параметров датчика сигнализатора метана. Так, например, для инфракрасного сигнализатора с регулируемым источником инфракрасного излучения в виде глсбара (карборундового излучателя, нагреваемого пропусканием через него электрического тока) диаметром du 6 мм и приемником инфракрас- ного излучения в виде иммерсионного болометра с диаметром окна д 14 мм эти диапазоны могут составить:

расстояния источник-детектор от L«m

30 мм до Ьмакс 306 мм, AL LMSKC

- LMHK 276 мм;

угла коллимации потока излучения от источника от оскинн 12° (при полностью свинченной гайке 7 из держателя 5) до (х„макс 132° (при полностью навинченной гайке 7 на держатель 5), Дац 120°;

полосы пропускания регулируемого филь- тра-монохроматора 3 у источника от Ха мин

2 мкм до А,111иакс 26 мкм. и АЯ, Я,макс-

-Я, мкм;

Перед проведением первого опыта устанавливают и фиксируют значения параметров из первого столбца таблицы: L 237 мм, auT 92°, bi 21°, bi 10 мкм bi 8 мкм, t/i 10 В.

При этом отметим, что при установке расстояния L 237 мм его отсчитывают

0

5

угла коллимации потока излучения к детектору от ад мин 21° (при полностью свинченной гайке 8 из держателя 6) до ад макс 105° (при полностью навинченной гайке 8 на держатель 7) и Лад 84°;

напряжения питания источника (соответствующего изменению температуры глобара

от 100 до 1200°С) от 5 В до (/макс

65 В, 60 В;

полосы пропускания регулируемого филь- тра-монохроматора 4 у детектора от дмин 2 мкм до дмакс 26 мкм. и АЯ,д 24 мкм.

Для равномерного заполнения пространства варьируемых параметров L, а„, ад, Ки, Хд, и значения этих параметров в первых тринадцати опытах (число опытов равно 2к 1, где к - число варьируемых параметров) задают из следующего соотношения: тринадцать значений параметра должны полностью и равномерно заполнять диапазон варьирования этого параметра. Отсюда получаем

/, 30, 53, 76, 99, 122, 145, 168, 191, 214, 237, 260, 283 и 306 мм:

аа 12°, 22°, 32°, 42°, 52°, 62°, 72°, 82°, 92°, 102°, 112°, 122° и 132°; ад 21°, 28°, 35°, 42°, 49°, 56°, 63°, 70°, 77°, 84°, 91°, 98° и 105°; Х„ 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 и 26 мкм;

1д 2, 4, 6, 8. 10. 12. 14, 16, 18, 20, 22, 24 и 26 мкм;

(/ 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60 и 65 В.

По таблице случайных чисел выбирают следующие значения параметров в первых тринадцати опытах

так, чтобы источник 1 и детектор 2 находились на одинаковых расстояниях от центра кюветы: сначала, зная положение центра кюветы на делениях (шкале) 10, устанавливают грубо штангу 14 с детектором, фиксируют ее стопорным винтом 22 и потом микрометрической гайкой 21 подводят хомут

12 и попиуо 24 до требуемого деления из расстояния L|/2 от положения центра кюветы, затем аналогично устанавливают штангу 14. После выставления и фиксации 11ар; метров и включения источника, детектора и блока индикации между источником и детектором устанавливают кювету с чистым воздухом и измеряют сигнал с детектора /VBI, устанавливают кювету с метаном и измеряют и фиксируют сигнал с детектора

.

6,. (« - N ) (/V. - Л/у, )о;.(,-,)Ч +(.

N, -NH

Перед проведением второго опыта уста- и определяют номер наибольшей из них навливают и фиксируют значение парамет- (пусть, например, наибольшей оказалась ров с второго столбца таблицы: L2 191 мм, t5 погрешность ois). Затем из таблицы вычер- ««2 32°, ад2 105°, Хч2 2 мкм, Хдг кивают /-Й столбец, номер которого совпада- 60 В. Повторяют все операции первого ет с г -м номером наибольшей погрешности, опыта, измеряют сигналы .А/ «2, NM-I, N„-2, N14, , Л ул2. Подставляют значения сигналов и дисперсий в формулу (1) и рассчитывают вторую погрешность 02.

Повторяя все аналогично, проводят 3, 4, 5, ..., 13-й опыты и в результате рассчитывают погрешности оз, Ст4, as, ..., 013Перед проведением четырнадцатого опыта сравнивают погрешности аь 02, ..., а|з 25

20

Определяют средние значения каждого из параметров в оставшихся (без вычеркнутого) опытах

. 2 +... -Мю + 11 J: - 13/

-- ,2- -.(

где X - значение соотве7ствуюш,его параметра. Наггример, для а„ получаем

«п

2±32+n2J-824; 2-t-12jfj32+4 +22-f 122+62+ 02 j

12

После этого, зная средние значения пара-на устройстве значения рассчитанных параметров в оставшихся опытах, рассчитываютметров, проводят опыт 14, измеряя шесть значения шести параметров для нового,,, г- л/.. л/.... л/. .. л/,,.. (четырнадцатого) опыта по формуле

сигналов с детектора Ns-л, Л/.и, /Vm-s, Л у.м, Л угм, .

А-14 2,3л: - 1,3x12.

(3)

Рассчитанные с помощью формул (2) и (3) значения параметров .для четырнадцатого опыта составляют L 236,6 VIM, эс , ад14 98,35°, А,,8 мкм, 1д14 10,25 мкм, (7,4 57,38 В.

Устанавливают и фиксируют значения параметров для 14-го опыта и, последовательно устанавливая кюветы между источПодставляют полученные значения сигналов и дисперсии 0, 0, 0jj,, 0ул в формулу (1) и рассчитывают погрешность 0i4. Если теперь окажется, что 0 i4 меньше большей из оставшихся двенадцати погрешностей 01, 02, 03, , 011 и 013, то опыт 14 оставляют вместо вычеркнутых 12-го и 14-го опытов.

Если окажется, что 0 i4 больше большей из оставшихся двенадцати погрешностей

01, 02, 03, ., 011 и 013, но , то ВЫником и детектором как в предыдущих опы- 40 черкивают предыдущий опыт 14 и ставят тах, измеряют и фиксируют шесть сигналов новый опыт 14, производя второе сжатие

и

с детектора Л/ви, yV.«i4, Л ям, 14, Mr i.i A/w 14. Подставив эти сигналы вместе с дисперсиями 0л, 0|, 0yj, , 0|л в формулу (1), рассчитывают четырнадцатую погрешность 014. Далее возможны три примера.

Пример 1. Погрешность 0i4 C0i2, но погрешность 014 больше большей из остальных двенадцати погрешностей ai, 02, 03, ..., 0и, 013. Тогда производят сжатие симплекса, вычеркивают проведенный перед этим 14-й опыт и производят новый опыт 14, рассчитав для него значения параметров по формуле

л:и 2,15.x - 1,15 X 12.(4)

Значения параметров для опыта 14 составляют: Li4 229,14 мм, ац|4 72°; ад14 94,68°, А,п14 20,9 мкм, ASu 10,63 мкм, 54,94 В. Устанавливают

симплекса по формуле . 2х - .

(5)

Значения параметров для опыта 14 составляют Z,i4 221,67 мм, ап|4 72°, 91°, A.n i4 20 мкм, Хд14 11 мкм, /Г4 52,5 В. Устанавливают на устройстве значения рассчитанных параметров, проводят опыт 14, измеряя., как и ранее, шесть 50 сигналов с детектора , N,j., , Nj, , Ny,,, , Ny, j., .

Подставляют эти сигналы вместе с четырьмя дисперсиями в формулу (1) и рассчитывают погрешность 0iV Если теперь 55 окажется, что 0 м меньше большей из остав- 1пихся двенадцати погрешностей 0i. 02, 03, ..., Он, 014, то опыт 14 оставляют вместо вычеркнутых 12, 14 и 14 опытов.

10

Л All, устанавливают кювету с парами воды и измеряют и фиксируют сигнал с детектора А п:, устанавливают кювету с угольной пылью и измеряют и фиксирувэт сигнал с детектора Л п|, устанавливают кювету с угарным газом и измеряют и фиксирунот сигнал с детектора Л у.1, устанавливают кювету с углекислым газом и измеряют и фиксируют сигнал с детектора Л/у-п .

Рассчитывают первую погрешность О{

.

о;.(,-,)Ч +(.

и определяют номер наибольшей из них (пусть, например, наибольшей оказалась погрешность ois). Затем из таблицы вычер- кивают /-Й столбец, номер которого совпада- ет с г -м номером наибольшей погрешности,

Определяют средние значения каждого из параметров в оставшихся (без вычеркнутого) опытах

. 2 +... -Мю + 11 J: - 13/9

-- ,2- -.(}

где X - значение соотве7ствуюш,его параметра. Наггример, для а„ получаем

на устройстве значения рассчитанных параметров, проводят опыт 14, измеряя шесть ,,, г- л/.. л/.... л/. .. л/,,..

сигналов с детектора Ns-л, Л/.и, /Vm-s, Л у.м, Л угм, .

Подставляют полученные значения сигналов и дисперсии 0, 0, 0jj,, 0ул в формулу (1) и рассчитывают погрешность 0i4. Если теперь окажется, что 0 i4 меньше большей из оставшихся двенадцати погрешностей 01, 02, 03, , 011 и 013, то опыт 14 оставляют вместо вычеркнутых 12-го и 14-го опытов.

Если окажется, что 0 i4 больше большей из оставшихся двенадцати погрешностей

01, 02, 03, ., 011 и 013, но , то ВЫсимплекса по формуле . 2х - .

(5)

Значения параметров для опыта 14 составляют Z,i4 221,67 мм, ап|4 72°, 91°, A.n i4 20 мкм, Хд14 11 мкм, /Г4 52,5 В. Устанавливают на устройстве значения рассчитанных параметров, проводят опыт 14, измеряя., как и ранее, шесть сигналов с детектора , N,j., , Nj, , Ny,,, , Ny, j., .

Подставляют эти сигналы вместе с четырьмя дисперсиями в формулу (1) и рассчитывают погрешность 0iV Если теперь окажется, что 0 м меньше большей из остав- 1пихся двенадцати погрешностей 0i. 02, 03, ..., Он, 014, то опыт 14 оставляют вместо вычеркнутых 12, 14 и 14 опытов.

Если же окажется, что аи больше большей из оставшихся двенадцати погрешностей, то восстанавливают ранее вычеркнутый г-й (в нашем примере 12-й) опыт и вычеркивают т-й опыт, у которого погрешность , но больше любой из остальных (в нашем примере одиннадцати) погрешностей и начинают процедуру снова с 14-го опыта.

Пример 2. Погрешность и меньше большей из остальных 12 погрешностей oi, 02, (Тз, --, On и 014- Тогда оставляют 14-й опыт, вычеркивают опыт с наибольшей из тринадцати оставшихся погрешностей oi, 02, ..., (Гц, (Ji3, Oi4, снова по формуле (2) рассчитывают средние значения оставшихся параметров. Например, если наибольшей окажется погрешность oz, то формула (2) принимает вид

+ Х + Х5 + ... + + Х : . Х-- .-fTi }

2

После этого, зная средние значения параметров, в оставшихся опытах, рассчитывают значения шести параметров для нового опыта по формуле (3).

Пример 3. Погрешность . Тогда восстанавливают ранее вычеркнутый г -й (в нашем примере 12-й) опыт и вычеркивают т-й опыт, у которого погрешность ,, но больше любой из остальных (в нашем примере одиннадцати) погрешностей и начинают процедуру снова аналогичную проведению 14-го опыта.

После проведения 14-го опыта в модификациях описанных примеров I-3 проводят 15-й опыт, в котором (как и в 14-м опыте) также мЬжет иметь место один из трех указанных случаев.

После окончания 15-го опыта проводят шестнадцатый (снова с любым из трех случаев) и так далее.

Проведенные экспериментальные иссле- дования взаимодействия излучения с веш,ест- вом показывают, что любая из зависимостей погрешности 0 от L, яГп, ад, Хц, Хд, U носит сложный характер и имеет несколько экстремумов. В этом случае описанная процедура комплексного с переходом на симплексное планирование дает возможность комплексу расширяться по формулам (3) или (4) до тех пор пока новые опыты удачны, т. е. пока погрешности в новых опытах будут меньше большей из погрешностей в оставшихся опытах, а также ускоряет движение к оптимуму, т. е. к получению параметров, обеспечиваю- ших минимум погрешности. Исходный комг1- лекс из тринадцати опытов, в которых осу- ш,ествлено равномерное заполнение пространства варьируемых параметров, делает комплекс гибким, позволяя движение в большом числе направлений, и препятствует его вырождению.

0

0

5

0

5

0 5 5

Проведение последовательных опытов продолжают до тех пор, пока не встретится следующий случай.

Симплекс начинает вращаться вокруг точки с наименьшим значением погрешности 0. Опыты прекраш,ают по описанной последовательности после того, как одинаковый по значениям параметров опыт повторится 7 раз, т. е. когда при последовательном вычеркивании разных опытов с наибольшими погрешностями получают приблизительно одинаковые расчетные значения параметров для семи различных новых опытов.

После этого описанную процедуру проведения новых опытов отражением вершины с наибольшим значением погрешности прекращают и исследуют поведение минимальных значений погрешности в каждом из тринадцати оставшихся после прекращения процедуры опытов.

В первом из оставшихся опытов последовательными изменениями при постоянных значениях остальных параметров a,i, а.г, tu, Х,д, и измерениями сигналов Л/а, ,V, Nn , Ny, Луг, Л ул и расчетами погрешности 0 при каждом новом значении L в ту или другую сторону от значения L в первом из оставшихся опытов находят такое L , которое обеспечивает минимум погрешности 0. Затем устанавливают это значение L и изменяют аа в одну и другую сторону при постоянных, значениях остальных пяти параметров, каждый раз измеряя шесть сигналов и рассчитывая погрешность с.

Находят а ц, которые обеспечивают минимум 0.

Да.аее аналогично изменениям ад, Кц, Кл, и находят их оптимальные значения а д, Х,Дд(/ . Снова начинают изменять // при постоянных значениях а „, ,. ал, X s., и до нахождения нового значения, обеспе- чиваюшего минимум погрешности. Далее последовательно изменяют а и, ад , Х«, 1 д, U . В результате для первого из оставшихся опытов находят совокупность оптимальных параметров датчика сигнализатора метана

i: ,о(; , д,/;, ,лл , и

Описанную процедуру последовательных изменений шести параметров проводят для 2, 3, ..., 13-го из оставшихся опытов.

После этого сопоставляют погрешности при оптимальных параметрах всех тринадцати опытов. Выбирают опыт с наименьшей погрешностью и оптимальные значения параметров именно этого опыта L/, а... а.ч, , А.Д,, Ui, фиксируют и оставляют неизменным в настроенном датчике, предназначенном для конкретного объекта контроля.

Аналогично настраивают датчик для другого объекта контроля, например для другого угольного бассейна.

Как показала практика, для нахождения оптимальных значений совокупности шести параметров датчика достаточно провести

около 100-200 опытов по 3-5 мин каждый в то время как при установлении искомых параметров классическим путем число опытов в нашем случае составляет 82500, и при этом точность установления будет существенно меньше, поскольку она будет не лучше 1/30 части диапазона варьирования погрешности по параметрам, которые составляют соответственно: At, 92 мм, д,4°, ,8°, ,8 мкм, Л.я 0,8 мкм и Ди, 2 В. Погрешности уста- новления параметров по предложенному способу составляют соответственно: Дь 0,05 мм, ,5°, ,5°, Дя«,0,2 мкм ,2 мкм и Л ц 0,05 В.

Формула изобретения

. Способ настройки шахтных инфракрасных сигнализаторов метана, основанный

(N, - 7Vn) (« - )

NB

до получения минимального значения погрешности.

2.Способ по п. 1, отличающийся тем, что

с целью ускорения настройки, первые три- надцатые значения L, и, Лд ,-Ли , сСд и U при их изменениях в опытах исходного комплекса для измерения сигналов NK, Nм М„, yVy, Л уг, /Vy.n и расчета погрешности а устанавливают так, чтобы значения L, аг/, ад, Хи, л и и равномерно заполняли диапазон их изменений, а их значения для последую- ших опытов рассчитывают отражением вершины с наибольшим значением погрешности о относительно центра тяжести противоположной грани исходного двенадцатимерного комплекса.

3.Устройство для настройки шахтных инфракрасных сигнализаторов метана, содержащее сигнализатор метана, состоящий из датчика и блока индикации и емкость

с метаном, отличающееся тем, что оно снаб- жено двумя регулируемыми фильтрами-моно- хроматорами, двумя регулируемыми коллиматорами с окнами, механизмом смены и фиксация положения, пятью одинаковыми герметичными цилиндрическими кюветами

на минимизации погрешности .измерения содержания метана; отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения содержания метана за счет установления оптимальных значений параметров датчика сигнализатора метана, минимизацию погрешности осуществляют путем последовательных изменений расстояния L между источником и детектором инфракрасного излучения датчика сигнализатора метана, углов коллимации источников аи и детекторов ад, полос пропускания инфракрасного излучения от источника .« к детектору А,д и напряжения питания источника U, последовательной установки кювет с чистым воздухом, метаном, парами воды, угольной пылью, угарным и углекислым газом между источником и детектором, измерения сигналов с детектора при установке каждой кюветы /V, NM, Na, Ny, yVyr, jVy и расчеты по измеренным сигналам погрешности а

Y olr ±(N - Ny.,----

толцдиной ,lL с чистым воздухом, парами воды, угольной пылью, угарным и углекислым газами и регулируемым источником напряжения, причем емкость с метаном выполнена также в виде шестой герметичной цилиндрической кюветы толщиной ,lL, при этом регулируемые коллиматоры обра- пл.ены окнами друг к другу, прикреплены к механизму изменения расстояния и его фиксации и установлены на общей вертикальной оси, в верхнем регулируемом коллиматоре закреплен приемник инфракрасного излучения чувствительным слоем вниз, а в нижнем регулируемом контейнере- коллиматоре закреплен регулируемый источник инфракрасного излучения, перед окнами регулируемых коллиматоров закреплены регулируемые фильтры-монохроматоры, кюветы соединены с механизмом смены и фиксации положения с возможностью их попеременной установки посередине между приемником и регулируемым источником инфракрасного излучения соосно с последними, а выход регулируемого источника напряжения соединен с регулируемым источником инфракрасного излучения.

мин.

MOffC

6

8

/

/ / /i

АШОН

фиг.З

Изобретение относится к горной автоматике и позволяет с высокой точностью H3NfepHTb содержание метана за счет установления оптимальных значений параметров датчика сигнализатора метана. Способ основан на минимизации погрешности (П) измерения содержания метана. Для этого изменяют расстояния L между источником (И) 1 и детектором (Д) 2 инфракрасного излучения датчика сигнализатора метана с помощью вертикальной стойки 9 с делениями 10. Затем последовательно изменяют углы аи и аэ коллимации И 1 и Д 2 посредством гаек 7 и 8 держателей 5 и 6, полосы ю Ю со с:л