Способ определения концентрации метана в шахтной атмосфере Советский патент 1989 года по МПК G01N21/35 

Изобретение относится к горной автоматике и может быть использовано при построении датчиков анализа концентрации метана в шахтной атмосфере для автоматической газовой защиты в угольных шахтах.

Целью изобретения является повышение точности за счет увеличения скорости изменения выходного сигнала при изменении концентрации метана при одновременном снижении влияния флуктуации запыленности, влажности, давления и температуры шахтной атмосферы.

На чертеже показана функциональная схема устройства для определения

концентрации метана в шахтной атмосфере .

Устройство состоит из нагревательного элемента (например, термокаталитического) , неизолированная часть 1 которого контактирует с шахтной атмосферой, а изолированная часть 2 покрыта газонепроницаемой пленкой 3, прозрачной для инфракрасног о излучения (например, из сапфира).

Нагревательный элемент через выключатель 4 подключен к стабилизатору 5 тока, К открытой части 1 нагревательного элемента примыкает камера 6 с анализируемым объектом 7 шахтной атмосферы.

Камера 6 открыта со стороны части 1, а также в перпендикулярных к плоскости чертежа направлениях. Это обеспечивает свободный доступ шахтной атмосферы в камеру и на открытую 1 нагревательного элемента.

Против открытой части 1 за камеро 6 установлен фотоприемник 8, смонтированный в контейнере-коллиматоре 9, Против изолированной части 2 нагревательного элемента за камерой 6 установлен дополнительный фотоприемник 10, смонтированный во втором контейнере-коллиматоре 11,

Перед основным фотоприемником 8 установлен первый полосовой (например, интерференционный) фильтр 12, а перед дополнительным фотоприемником IО установлен второй полосовой фильтр 13, Толщина контролируемого объема L перед основным фотоприемником 8 меньше толщины L контролируемого объема шахтной атмосферы перед дополнительным фотоприемником 10,

Выходы фотоприемников 8 и 10 через усилители 14 и 15 соединены с входами измерителя 16 отношений, выход которого соединен с входом блока 17 индикации и регистрации. Нагревательный элемент из открытой 1 и закрытой 2 частей, выключатель 4 и стабилизатор 5 тока размещены в корпусе 18 из металлической сетки IS со стороны открытой части 1, Сетка 19 является огнепреградителем.

Определение концентрации метана в шахтной атмосфере осуществляют следующей последовательностью операций.

Через открытую и изолированную части нагревательного элемента пропускают стабильный по величине ток I

0

5

0

0

5

0

5

0

5

нагревая им элемент до температуры около , Регистрируют интенсивность I, потока инфракрасного излучения в полосе 3,19-3,59 мкм от открытой части элемента с окисляемым на нем метаном. Регистрируют интенсивность I ij потока инфракрасного излучения в полосе 3,19-3,59 мкм от закрытой части нагревательного элемента, нагретого от стабилизатора тока до температуры около , Определяют значение отношения зарегистрированных интенсивностей 1,./1 j . По величине отношения Ij/I,-, судят о концентрации метана в шахтной атмосфере, Интенсивиость 1 регистрируют на расстоянии Lj от открытой части, а интенсивность I,- регистрируют на расстоянии Lj от изолированной части нагревательного элемента, где .

Устройство работает следующим образом.

Включают выключатель 4, под1$лючая стабилизатор 5 тока к нагревательному элементу. Постоянный по величине ток I проходит через нагревательный элемент, нагревая его открытую 1 и изолированную 2 части до постоянной температуры около 580 С,

Когда открытая часть 1 нагрелась до температуры 580 С, на ней происходит термокаталитическое горение (окисление) метана,От горения повышается температура открытой части и растет сопротивлеиие этой части нагревательного элемента R , тем в большей степени, чем выше концентрация метана.

Поскольку из стабилизатора 5 тока в нагревательный элемент поступает постоянной силы ток I, то выделяемая на открытой части электрическая мощность RI растет с ростом концентрации метана.

Из-за нагрева открытой части 1 стабилизатором 5 тока из открытой части излучается инфракрасное излучение, интенсивность которого пропорциональна , Из-за термокаталитического горения метана на открытой части 1 излучается инфракрасное излучение, интенсивность 1 которого пропорциональна концентрации метана С,

Таким образом, на основной фотоприемник 8 от открытой части 1 излучается инфракрасное излучение интенсивностью 1,-t-i, На пути L, через шахтную атмосферу инфракрасрюе излу515

чение ослабляется так, что обе интенсивности уменьшаются в одинаковое число раз,

Интенсивность потока инфракрасного излучения на основной фотоприемник 8 может быть представлена в виде

Ii-(I,-H2)k,,CJ, (I) где k j - аппаратурный коэффициент; b - коэффициент поглощения инфракрасного излучения в полосе с длиной волны 3,39 мкм посередине, например, полосы от 3,19 до 3,59 мкм. При этом инфракрасное излуче- ние от открытой части 1 элемента имеет широкий непрерывный спектр с максимумом, приходящимся на длину волны 3,39 мкм при 580 С и с уменьшающейся длиной волны в максимуме при интенсификации горения метана, т.е. при повышении температуры открытой части. Эксперименты показьшают, что рост температуры от концентрации зависит от размеров открытой части и от мощности Р/, . При диаметре элемента 3 мм, его длине 2 мм и мощности Вт температура открытой части 1 при увеличении концентрации от О до 3 об;% увеличивается на 52 С, т.е. от 580 до 632°С, что соответствует изменению длины волны в максимуме от 3,39 до 3,2 мкм.

Как показывают эксперименты, интенсивности 1 и 1 могут быть с достаточной точностью аппроксимированы линейными функциями вида

1,а,,С;(2)

,С,(3)

где а. - свободный член, численно

равный интенсивности 1, при нулевой концентрации метана; е,,, угловые коэффициенты, численно рав-ные приростам соответствующих интенсивностей при единичном увеличении концентрации метана. Подставив 1, и I 2 из (2) и (3) в (1) получают

,-bC(e,+eg)JkjexpC-bL,Cj. (4) В устройстве значение L., выбирают таким, что при максимальном значении определяемой концентрации метана С выполняется условие

bL,C«0.(5)

При выполнении условия (5) интенсивность согласно (4) увеличивается во всем диапазоне роста концентрации метана от до ,. При bLj.

908

на верхней части диапазона наблюдается перегиб, а при перегиб на зависимости I. по (4) наблюдается при концентраций CjiC, когда С, I, а при дальнейшем увеличении С7С; интенсивность Ij согласно (4) уменьшается.

От стабилизатора 5 тока в изолйроQ ванную от шахтной атмосферы часть 2 поступает тот же ток I. Сопротивление Rj части 2 элемента остается постоянным (Rj const), так как на нем горения метана не происходит, а теп5 лопередачей по спирали элемента можно пренебречь. Выделяемая на изолированной части 2 элемента мощность Rjj const остается постоянной. Из-гза нагрева изолированной части

0 2 элемента стабилизатором 5 тока до постоянной температуры 580 С из этой части излучается инфракрасное излучение, интенсивность 1„ которого постоянна, пропорциональна P, , а мак5 симум интенсивности соответствует длине волны 3,39 мкм.

Таким образом, на дополнительный фотоприемник 10 от изолированной части 2 элемента излучается инфракрас0 ное излучение интенс1шностью 1, не зависящей от концентрации метана в шахтной атмосфере. На пути , через шахтную атмосферу интенсивность 1ц экспоненциально ослабляется и на

г дополнительный фотоприемник 10 попадает интенсивностью I согласно выражению

li (-bL,C), (6) где k - аппаратурный коэффициент.

0 Сигналы с фотопрнемников В и 10, пропорциональные интенсивностям Ij. и I ; , усиливаются усилителями 14 и 15 и подаются на входы измерителя 16 отношений, на выходе которого формирует5 ся сигнал, пропорциональный отношению I../I S ь 1

Ijl , k,(;a,+C(e,+ei)jexp(-bL,C)v k, lV Cexp(-bLjC)- k,k-; 1-;Га, (e,+e)(Lj-L;) (7) Сигнал Ij/Ij с выхода измерителя

16отношений, являющийся мерой концентрации метана С, подается в блок

17индикации и регистрации, где отображается (в об.%) содержания метана.

5 ,

Сущность повьппения точности путем

одновременного увеличения чувствитель ности и снижения влияния флуктуации запыленности, влажности, давления и

температуры шахтной атмосферы поясняют на основе анализа формулы (7).

При увеличении запыленности одновременно уменьшаются значения а.,,, fи е и увеличивается значение Ь. Уменьшения а,, е, приводят к уменьшению, а увеличение b - к росту правой части уравнения (7). За счет этого происходит снижение влияния флуктуации запыленности. Физически это объясняется одновременными уменьшениями интенсивностей I , и I , согласно (2) и (3), увеличением в (4) и увеличение b в (6), т.е. увели- -чение запыленности приводит к ухуд- шенивд горения метана на открытой части элемента, к снижению температуры открытой части 1, к увеличению поглощения инфракрасного излучения на путях I:, и 1 к фотоприемникам 8 и 10. Аналогичные картины наблюдаютс при увеличении влажности и давления шахтной атмосферы. С ростом температуры шахтной атмосферы повышается интенсивность горения метана на открытой части 1 (из-за чего увеличиваются иитенсивности 1 и Ij) и одновременно уменьшается коэффициент поглощения Ъ, а одновременный рост а, е и е ,j и уменьшение b приводя; к слабой зависимости отношения Ij/Lj от температуры.

Зависимость (71 можно представить в виде

Ij/1 , (k3+k,C)exptbC(L-,-L J , где и з Ьjk jI Y ; a,const и k,k,kjl «(е i+ei)const.

Длины путей L и L инфракрасного излучения через шахтную атмос феру подбирают при юстировке устройства.

Процесс подбора L j. осуществляют следующим образом. Увеличивают концентрацию метана от 0,8 С , до следят за изменением интенсивности Ij. Если с ростом С от 0,8 С до С„ интенсивность 1 падает, то умень-. шают LJ до увеличения 1. Если с ростом С от 0,8 о до С , интенсивность Ij растет, от I до 1,05 1 то расстояние L увеличивают до обепечения прироста иа 5% с увеличение концентрации от 0,8 С, до С, т.е. от 2,4 до 3 об.%. Таким образом обеспечивают увеличение числителя в О), т.е. увеличение интенсивности 1 на 18,3 отн.% при увеличении со

5

0

5

0

5

0

5

0

5

держания метана на 1 абс.% по объе му. Расстояние L подбирают таким, что при средней концентрации метана С 1,5% значение 2. Это обеспечивает уменьшение интенсивности I I при увеличении концентрации от 0,8 С до С„ на 5%, т.е. уменьшение интенсивности I- на 8,3 отн.% при увеличении содержания метана на 1 абс.% по объему. Такая юстировка устройства приводит к возникновению чувствительности 1,105, на 10,5% увеличения отношения 1,,/Ij при увеличении содержания метана на 1 абсД по объему. При этих условиях обеспечиваются и минимальные суммарные.влияния флуктуации запыленности, давле- |Ния и температуры шахтной атмосферы. Так при увеличении запыленности шахтной атмосферы на 10%, т.е. от 300 до 330 мг/м , величина отношения j уменьшается лишь на 1,3%, т.е. на 0,12% по метану. При увеличении относительной влажности от 0,8 до 0,9, т.е. на 10% при 35°С, величина отношения J) уменьшается на 1%, т.е. менее чем н а 0,1% по метану. Увеличение давления на 10% от номинального приводит к уменьшению отношения на 0,5%, т.е. манее чем на 0,05% в показаниях по метану. Увеличение температуры от 35 до 45 С приводит к yвeJп чeнию отношения Ij/1- на 0,12%, т.е. к изменениям в покаЗсЕниях менее чем на 0,012 об.% по метану. Значения L 1 и L 1 при юстировке составляют L, 60 мм мм при ширине полосы пропускания фильтров 12 и 13 от 13,9 до 3,59 мкм.

После юстировки устройство градуируют, приводя в однозначное соответствие показания блока 17 и щикации и регистрации (пропорциональные отношению I /Т -) с концентрацией метана С. Градуировка может проводиться любым известным методом, например методом наименьших квадратов на поверочных газовых смесях.

Формула изобретения

Способ определения концентрации метана в шахтной атмосфере путем каталитического окисления метана на нагретом элеме,нте и регистрации интенсивности оптического излучения от зто- го элемента, отличающий- с я тем, что, с целью повышения точности за счет увеличения скорости

изменения выходного сигнала при изменении концентрации метана при одновременном снижении влияния флуктуации запыленности, влажности, давления и температуры, нагрев элемента осуществляют до 580 С стабилизированным электрическим током, регистрацию интенсивности оптического излучения проводят в полосе 3,19-3,59 мкм от двух участков элемента, один из которых изолирован от шахтной атмосферы, причем интенсивность I,- оптического

излучения от неизолироваиншт участкл регистрируют на расстоянии L,, cnipn- деляемом из соотношения bl., а интенсивность I i от изолир(шпнг11)га - на расстоянии LI, определяемом и соотношения , где Ь - коэффициент поглощения метар{ом излучении в указанной полосе. С,- максимальн.чя заданная концентрация метпна, С(.р средняя концентрация метана, причс-м о концентрации метана судят по отношению I г/Т li

Изобретение относится к горной автоматике и может быть использовано при построении датчиков определения концентрации метана в шахтной атмосфере для автоматической газовой защиты в угольных шахтах. Целью изобретения является повышение точности анализа путем одновременного повышения скорости изменения выходного сигнала при изменении концентрации метана путем снижения влияния флуктуаций запыленности, влажности, давления и температуры шахтной атмосферы. В способе анализа концентрации метана в шахтной атмосфере, основанном на нагревании элемента, каталитическом окислении метана на элементе и регистрации интенсивности I_I пОТОКА элЕКТРОМАгНиТНОгО излучЕНия OT элЕМЕНТА C ОКиСляЕМыМ HA HEM METAHOM, чАСТь элЕМЕНТА изОляРуюТ OT KOHTAKTA C шАХТНОй АТМОСфЕРОй, пРЕдОТВРАщАя КАТАлиТичЕСКОЕ ОКиСлЕНиЕ METAHA HA эТОй чАСТи, и дОпОлНиТЕльНО РЕгиСТРиРуюТ иНТЕНСиВНОСТь I_II электромагнитного излучения от изолированной части элемента, которое прошло через контролируемый объем шахтной атмосферы. Элемент нагревают до температуры около 580°С пропусканием через него стабильного по величине тока от стабилизатора тока. Электромагнитное излучение регистрирует в полосе 3,19 - 3,59 мкм, а о концентрации метана судят по величине отношения зарегистрированных интенсивностей I_I/I_II, причем I_I измеряют на расстоянии L₁, выбираемом из условий BC_мL₁*981, и I_II измеряют на расстоянии L₂, выбираемом из условия BC_сpL₂=2, где B - коэффициент поглощения метана, в указанной полосе, C_м - максимальная, а C_ср - средняя концентрации метана. 1 ил.

Составитель Д, Пахомов Редактор Н. Бобкова Техред М.Моргентал Корректор М. Пожо

Заказ 7828

Тираж 789

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ CdС 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. i/5

Подписное