Способ сигнализации метановыделения в шахтах и устройство для его осуществления Советский патент 1989 года по МПК E21F17/18 

Изобретение относится к горной автоматике, в частности к способам сигнализации метановыделения в угольных шахтах, и может быть использова но как автономное устройство для сигнализации о процессах метановыделения для принятия своевременных мер по предотвращению взрывов при интенсивном метановыделении, а также для Q обнаружения пожаров на ранних стади- /ях, для прогнозирования вн езапных выбросов и, кроме того, в комплексных системах автоматической газовой защи-

15

ты и в автоматических системах шахтной вентиляции.

Цель изобретения - повышение надежности сигнализации о процессе метановыделения за счет точного конт- роля содержаний метана и сопутствую- 2о щих газов одновременно путем одновременной компенсации влияния флуктуации запыленности, влажности, давления и температуры шахтной атмосферы, а также влияния флуктуации содержаний со- 25 пуствующих газов при одновременном упрощении способа и обеспечении его применения в угольных шахтах, а так™ же осуществление комплексной сигнализации по превышениям концентраций -.

или скоростей их увеличения. I

На фиг. 1 схематически показан

блок отбора информации устройства (герметичный корпус и механизм перемещения и фиксации источника инфра- 5 красного излучения даны в разрезе); на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1| на фиг. 3 - функциональная схема устройства для случая сигнализации метановыделения по концентрациям метана, Q углекислого и угарного газов в шахт- ной атмосфере; на фиг. 4 - функциональная схема блока индикации и регистрации.

Обычно для устранения влияния . дЗ флуктуации запыленности на результат газ обеспыливают фильтром. Увеличение точности приводит к одновременному снижению экспрессности (пока газ очищают, уже имеет место повышение . предельной концентрации и происходит взрыв) . Для устранения влияния г}шук- туаций влажности газ осушают. Сушка газа ос тцествляется еще дольше фильтрации от пыли. При зтом повышение точности также приводит к сильному запаздыванию результатов . Как фильтрация, так и сушка приводят к услож нению способа и устройства. Для ком 55

Q

15

2о 5 -.

5 Q

дЗ .

5

пенсации влияния флуктуации давления и температуры шахтной атмосферы на результаты анализа применяют еще более сложные меры: стабилизируют эти параметры после отбора пробы газа в закрытый сосуд либо применяют коррекцию за счет дополнительного измерения давления и температуры. В первом случае снижается экспрессность и в обоих случаях усложняется анализ. Таким образом, классический путь обеспечения достоверной сигнализации о метановыделении обязательно связан со снижением экспрессности и с увеличением сложности. Одновременно компенсировать влияния флуктуации четырех сильных возмущающих факторов (пыль, влага, давление и .температура) даже в лабораторном газовом анализе не удается из-за указанных технических противоречий - повышение точности приводит к недопустимому усложнению. Кроме того, даже если бы удалось повысить точность за счет компенсаций всех 4 факторов, то. и в этом случае не обеспечивается достоверная сигнализация о метановыделении за счет низкой экспрессности и низкой представительности (фильтрация и сушка пробы обязательно приводят к значи- тельному снижению количества одновременно анализируемой шахтной атмосферы) . Нужно также учитывать и возмож- ность применения гипотетического средства с фильтрацией, сушкой, измерением давления и температуры в угольных шахтах. Однако при таком сильном усложнении гипотетическое средство неработоспособно в шахте.

I

Изобретение одновременно обеспечивает повышение точности сигнализации за счет контроля нескольких газов с высокой точностью при устранении основных влияющих факторов без усложнения устройства. Для обеспечения достоверной сигнализации о процессе метановыделения существенны все совокупности признаков способа и устройства. При исключении или видоизменении любого из признаков достоверность сигнализации будет ниже. Кроме того, изобретение позволяет применить в устройстве низкостабильные и дешевые блоки и элементы, не требует стабилизации напряжения питания,-повьш1ает представительность даже по отношению к менее точным средствам.

Устройство для сигнализации метан выделения в шахтах содержит изотропный источник 1 инфракрасного излучения, закрепленный на кронштейне 2, шток 3 которого скользит в отверстии 4 1 ронштейна 5 герметичного корпуса 6. Механизм перемещения и фиксации источника инфракрасного излучения выполнен в виде тянущего подпружиненного электромагнита 7, шток которого 8 скреплен со штоком 3 кронштейна 2. В отверстии 4 кронштейна 5 закреплены две пары фиксаторов 9 и 10; верхняя пара фиксаторов фиксирует источник 1 в верхнем (фиг. 1) положении, при котором шток 8 тянущего подпружиненного электромагнита 7 под действием пружины выдвинут вверх При включении обмотки электромагнита 7 шток 8 по каналу 11 перемещается вниз и тянет за собой шток 3 кронштейна 2 и .источник 1 в положение, показанное на фиг. 1 пунктиром. Около этого положения источника 1 на кронштейне 12 закреплен сферообразны нейтральный инфракрасный светофильтр 13.

В герметичном корпусе 6, закрытом крьш1кой 14, симметрично относительно пучка излучения от источника 1 и перпендикулярно к оси установлены детекторы 15 - 20 (на фиг. 3 представлена схема устройства для сигнализации метановыделения по концентрациям тре газов и поэтому показано 2п-6 детекторов) , для чего детекторы расположены на одинаковом расстоянии при

2/Г360 центральном угле lu

60

и по

2п 2-3

вермуты чувствительными областями со ответственно 21 - 26 к оси пучка (центру О корпуса 6). На одинаковых расстояниях от детекторов установлены полосовые инфракрасные светофильт ры (например, интерференционные) 27 - 32. Светофильтры 27 и 28 имеют полосу пропускания ИК-излучения около 3,39 мкм, соответствующую полосе поглощения метана СН, светофильтры 29 и 30 - полосу 4,3 мкм, соответствующую полосе поглощения углекислого газа, светофильтры 31 и 32 - полосу 4,71 мкм, соответствующую полосе поглощения угарного газа. Между п детекторами и п полосовыми фильтра1-1и установлены калиброванные кюветы с контролируемыми газами: 33 с метаном 34 с углекислым газом и 35 с угарным

10

15

20

- .

25

30

35

40

дд,

50

55

газом. Чтобы обеспечить одинаковое давление в контролируемом объеме 1лахтной атмосферы (с длиной пути инфракрасных лучей в нем соответственно L или LJ при разных положениях источника 1) в герметичном корпусе 6 и в калиброванных кюветах 33 - 35 с контролируемыми газами в крышке 14 корпуса им еются подвижные мембраны 36 - 39.

Выходы детекторов 15-20 через усилители 40 - 45 соединены с входами управляемых коммутаторов 46 - 48, выходы детекторов 15 и 16 соединены с усилителями 40 и 41 (для измерения концентрации метана) и связаны с входами первого управляемого комму ; тора 46, выходы детекторов 17 и 18 соединены с усилителями 42 и 43 для измерения интенсивности ИК-излучения в области длин волн около 4,3 мкм и связаны с входами второго управляемого коммутатора 47, а выходы детекторов 19 и 20 соединены с усилителями 44 и 45 для измерения интенсивности НК-излучения в области волн около 4,7 мкм и связаны с входами третьего управляемого коммутатора 48.

Первый выход коммутатора 46 непосредственно соединен с первьм (левым) входом первого измерителя 49 отношений И через первый элемент 50 задержки - с первьп-1 (левым) входом второго измерителя 51 отношений, второй выход соединен с вторым (правым) входом второго измерителя .51 отношений и первым (левым) входом третьего измерителя 52 отношений, третий выход соединен с вторым (правым) входом первого измерителя 49 отношений и четвертый выход соединен с вторым (правым) входом третьего измерителя 52 отношений. Выход измерителей 49,51 и 52 отношений соединены с входами соответствующих логарифматоров 53 - 55, первый из которых че рез второй элемент 56 задержки, а третий - непосредственно соединены с входами измерителя 57 разности, выход которого соединен с первым входом четвертого измерителя 58 отношений, к июрому входу которого подключен BIOIKUI лога- рифматор 54. Выход четвертого измерителя 58 отношений соединен с первым входом блока 59 умножения, к второму входу которого подключен задатчик 60, а к выходу - блок 61 индикации и регистрации.

. . 1

Первый 62, второй 63 и третий 64 йзмер-ители отношений, первый 65 и второй 66 элементы Зс1держки5 первый 67, второй 68 и третий 69 логарифма- торы, измеритель 70 разности, четвер- тый измеритель 71 отношений, блок 72 множения и задатчик 73 второго канала измерения содержания углекислого газа в шахтной атмосфере соединены аналогично описанному для первого канала (фиг. 3).

Аналогично соединены и функцио- нальные блоки третьего канала для из

мерения содержания угарного газа; измерители 73-75 отношений, злемен- ты 76 и 77 задержки, логарифматоры 78 - 80, измеритель 81 разности, четвертый измеритель 82 отношений, блок 83 умножения и. задатчик 84„ Первый выход блока 85 управления соединен с управляющими входами коммутаторов 46-48, а второй - с электромагнитом 7,

Блок 61 .индикации и регистрации может быть выполнен, например, как показано на фиг. 4. Б состав .блока 61 входят; три блока дифференцирования 86 - 88, три интегратора 89 - 91 со

регистрируют интенсивности прошедшего излучения 1 с длиной волны, tS соответствующей максимуму поглощения метана 1 , углекислого газа l и

угарного газа I

. 1

поток инфракрасного излучения с непрерывным спектром пропускают че- 20 рез контролируемый объем шахтной атмосферы той же заданной толщины L и калиброванные кюветы с метаном, углекислым газом и угарным газом;

регистрируют интенсивности прошед- 25 шего через контролируемый объем и калибров анные кюветы инфракрасного из- лучения с длиной волны около 3,39 мкм через атмосферу и кювету с метаном 1, с длиной волны 4,3 мкм через атсбросом (устройства выборки-хранения),30мосферу и кювету с углекислым газом

генератор 92 импульсов, шесть уст-1 с длиной волны 4,7 мкм через атройств 93-98 сравнения (пороговыемосферу и кювету с угарным газом элементы), шесть задатчиков 99 - 104, поток инфракрасного излучения с

три элемента ИЛИ 105 - 107, сигиали-непрерывным спектром пропускают через

затор 108 и трехканальный регистратор ,контролируемый объем шахтной атмосфеи индикатор 109,

Входы блока 61 индикации и регистрации соединены с первыми входами блоков 86 - 88 дифференцирования и с первыми входами интеграторов 89-91 со сбросом. Вторые входы (обнуляющие) интеграторов 89-91 со сбросом соединены с выходом генератора 92 импульсов . Выходы блоков 86-88 дифференцирования и интеграторов 89-91 со сбросом соединены с первыми входами пороговых элементов 93 - 98, вторые входы которых соединены с выходами задатчиков 99 - 104, выходы первых трех пороговых элементов 93 - 95 со единены с входами первого элемента ИЛИ 105, а выходы пороговых элементов 96 - 98 - с входш- и второго элемента ШШ 106 о Выходы первого 105 -и второго 106 элементов UlUi соединены с входами третьего элемента ИЛИ 107, выход которого соединен с входом сигнализатора 108. Выходы интеграторов 89-91 со сбросом соединены с вхо40

ры другой толщины ,

регистрируют интенсивности прошедшего излучения 1з с длиной волны, соответствующей максимуму поглощения метана Ij , углекислого газа 1, и

- т /угарного газа I ;

поток инфракрасного излучения с непрерьшным спектром пропускают через контролируемый объем шахтной ат- 45 мосферы той же толщины и калиброванные кюветы с метаном, углекислым и угарным газами;

регистрируют интенсивности прошедшего через атмосферу толщины L и соответствующую кювету излучения с длинами волн соответственно около 3,39 мкм Х, около 4,3 мкм I. и около 4,7 мкм

содержание контролируемого.i-го газа в шахтной атмосфере определяют по формулам:

С, (Ij/ij ) ln(I /ipin()r (1)

50

55

дани трехканального регистратора и индикатора 109.

Контроль содержания метана С, углекислого газа С и угарного газа С 3 в шахтной атмосфере осуществляют путем выполнения следующих последовательностей операций:

поток инфракрасного излучения с непрерывным спектром пропускают через контролируемый объем шахтной атмосферы заданной толщины L;

регистрируют интенсивности прошедшего излучения 1 с длиной волны, соответствующей максимуму поглощения метана 1 , углекислого газа l и

угарного газа I

. 1

поток инфракрасного излучения с непрерывным спектром пропускают че- рез контролируемый объем шахтной атмосферы той же заданной толщины L и калиброванные кюветы с метаном, углекислым газом и угарным газом;

регистрируют интенсивности прошед- шего через контролируемый объем и калибров анные кюветы инфракрасного из- лучения с длиной волны около 3,39 мкм через атмосферу и кювету с метаном 1, с длиной волны 4,3 мкм через атмосферу и кювету с углекислым газом

контролируемый объем шахтной атмосфе

ры другой толщины ,

регистрируют интенсивности прошедшего излучения 1з с длиной волны, соответствующей максимуму поглощения метана Ij , углекислого газа 1, и

- т /угарного газа I ;

поток инфракрасного излучения с непрерьшным спектром пропускают через контролируемый объем шахтной ат- мосферы той же толщины и калиброванные кюветы с метаном, углекислым и угарным газами;

регистрируют интенсивности прошедшего через атмосферу толщины L и соответствующую кювету излучения с длинами волн соответственно около 3,39 мкм Х, около 4,3 мкм I. и около 4,7 мкм

содержание контролируемого.i-го газа в шахтной атмосфере определяют по формулам:

С, (Ij/ij ) ln(I /ipin()r (1)

915

для MefaHa, где Ку - отношение пути инфракрасного излучения через кювету с метаном к пути инфракрасного излучения через контролируемый объем шахтной атмосферы;

(l /lJ ) flnd /lj )in(i; /i ;) (2)

для углекислого газа, где К - отно- рение пути инфракрасного излз чения через кювету с углекислым гйзом к пути инфракрасного излучения через контролируемый объем шахтной атмосфе ры (в %);

а г Ul III

,ln(l3/i;)fln()- ,

in()}- (3).

для угарного газа, где Кд - отношение пути инфракрасного излучения через кювету с угарным газом к пути инфракрасного излучения через контролируемый объем шахтной атмосферы (в %);

сравнивают содержания всех трех контролируемых газов (метана, углекислого и угарного газов) за заданное время с допустимыми содержаниями;

определяют скорости увеличения содержаний метана ЛС, углекислого йС и угарного Д Cj газов с заданными значениями увеличения скоростей и С, ,

если какое-либо из содержаний превьш1ает допустимое содержание или ка- кая-нибудь скорость увеличения содержания превышает заданное значение скорости увеличения содержания, то выдают сигнал о недопустимо большом метановыделении в горной выработке;

определяемые за заданное время содержания метана, углекислого и угарного газов С. , Са регистрируют и индицируют.

Устройство работает в два такта следующим образом.

В первом такте источник 1 устанавливается в положение, показанное на фиг. 1, а переключатели управляемых коммутаторов 46 - 48 устанавливаются в положения, показанные на фиг. 3. В корпусе 6 находится чистый воздух под атмосферным давлением. Инфракрасное излучение от изотропного источника 1 с непрерывным спектром проходит через контролируемый объем шахтной атмосферы к корпусу 6 по направлению к детекторам 15,17 и 19; излучение на пути к детектору 15 фильтруется

0

8549

10

полосовым интерференционным светофильтром 27, который пропускает на детектор 15 лишь инфракрасное излучение с длиной волны около 3,39 мкм, на детектор 17 светофильтр 29 пропускает лишь инфракрасное излучение с длиной волны около 4,3 мкм, на детектор 19 светофильтр 31 пропускает лишь излучение с длиной волны около 4,7 мкм. Интенсивность излучения I j на детектор 15 определится соотношением

5

0

5

5 0

0

(b,L(J),

(4)

где 1 - интенсивность излучения на детектор 15 в вакууме (если поместить показанное на фиг. 1 устройство в чистый, сухой разреженный воз- дух;

Ь - коэффициент поглощения излучения с длиной волны около 3,39 мкм шахтной атмосферой, коэффициент Ь, в наибольшей степени определяется концентрацией метана, но зависит также от запыленности, влажности, температуры и давления шахтной атмосферы, а Также от содержания в шахтной атмосфере концентраций других газов; С - концентрация (содержание) метана в шахтной атмосфере, %;

L - путь излучения от источника 1 к детектору 15 в контролируемой шахтной атмосфере.

Аналогично интенсивность инфра17

5

красного излучения на детектор (), (5)

г I

где

1 - интенсивность

0

в Cj - концентрация углекислого

газа;

Ъл козффициент поглощения инфракрасного излучения с длиной волны 4,3 мкм шахтной атмосферой.

Интенсивность инфракрасного излучения на детектор 19

(), (6)

где --интенсивность в вакууме;

Cj - концентрация угарного газа;

bj - коэффициент поглощения излучения, с длиной волны 4,,7 мкм шахтной атмосферой.

В это же время инфра1срасное излу- чение через атмосферу, фильтры 2:8,30 и 32 и кюветы 33 - 35 соответственно с метаном, углекислым газов и у-гарньм газом попадает соответственно на детекторы 16,18 и 20, Интенсивность из- лучения с длиной волны около 3,39 мкм на детектор 16 записывается в виде

1 .t

I Ioexp/;-b L(,)J , (7)

.f

где Ig - интенсивность в вакууме;

К - отношение нути инфракрасных лучей.на детектор 16 в метане к их пути в шахтной атмосфере L, %.

Значение Kj в показанной на фиг.1 и 2 конструкции устройства определяется из выражения

. 100%/lsiny , (8)

где dj - толщина кюветы с метаном

f - угол между осью пучка и на- . пpaвлeнkeм на центр детектора 16.

Аналогично записываются интенсивность излучения с длиной волны около 4,3 мкм на детектор 18 и отношение :

I li exp -b L()j ; (9) К d,.100%/ Lsiny j (10)

2 2.

Интенсивность излучения с длиной волны около 4,7 мкм на детектор 20 и отношение записываются аналогично:

lJ i; expi:-b3L( (11)

.100% LsiTi/ . (12)

Сигналы, соответствующие интенсив ностям l и 1, с детекторов 15 и 16 усиливаются усилителями 40 и 41 и через коммутатор 46 поступают на входы первого измерителя 49 отношений, на выходе которого формируется сигнал 12/I.,, поступающий на вход лога- рифматора 53. С выхода логарифматора сигнал ln(l /1) подается на вход второго элемента 56 задержки. На вход первого элемента 50 задеряжи

поступает сигнал 1 .

Аналогично во. втором канале на выходе измерителя 62 отношений формируется сигнал .,, который логарифмируется в логарифматоре 67, и в

5

0

5

0

5

5 Q

5

элемент 66 задержки поступает сигнал ln(Ij/I), а в элемент 65 задержки - сигнал I.

В третьем канале в элементе 76 задержки формируется сигнал ij , а в элементе 77 задержки - сигнал

in(if/i ; ).

По истечении первого такта длительностью t с блока 85 управления на управляющие коммутаторы 46 - 48, которые устанавливаются на время переходного процесса длительностью t в нейтральное положение, поступает сигнал. Во время переходного процесса управляющие комг-сутаторы 46 - 48 устанавливаются в положение, при котором входы коммутаторов отсоединяются от их выходов. Затем с блока 85 управления на электромагнит 7 поступает сигнал, под действием которого в него втягивается шток 8, перемещая кронштейн 2 с источником 1 вниз. При достижении источником 1 нижнего заданного положения (показано пуйктиром на фиг. 1) шток 3 фиксаторами 10 фиксируется в отверстии 4, а находящийся и далее под током электромагнит 7 продолжает на все время второго такта длительностью tg удерживать шток 8 в нижнем положении.

В начале второго такта с блока 85 управления на управляемые коммутаторы 46 - 48 поступает сигнал, под дей- {Ствием которого переключатели коммутаторов переключаются в правые положения: усилитель 40 соединяется с первым входом измерителя 52 отношений и вторым входом измерителя 51 отношений, выход усилителя 41 соединяется с вторым входом измерителя 52 отношений, выход усилителя 42, - с входами измерителей 63 и 64 отношений, выход усилителя 43 - с вторым входом измерителя 64 отношений, выход усилителя 44 - с вторым входом измерителя 74 отношений и с первым входом измерителя 75 отношений, с вторым входом которого соединяется выход усилителя 45.

Во время второго такта измерения излучение от источника 1 на пути к любому из детекторов 15 - 20 сначала проходит через нейтральный светофильтр, ослабляющий излучение любой длины волны от 3 до 6 мкм в одинаковое число раз, численно равное N, а затем проходит через контролируемый объем шахтной атмосферы толщиной .

1315185

На пути к детекторам 16,18 и 20 излучение дополнительно проходит еще через кюветы с контролируемьп- и газами.

Интенсивности излучения на детекторы 15,17 и 19 определяются из соотношений:

lJ-Nlotexp(-b,L,C,); (13) I -Ni; exp(,Cp; (U)

(-b3L,Cj). (15) Как и в формулах (4) - (6), здесь и 1л, - соответственно интент I , т

I- ,1л- и I

ot ог w,

сивности на детекторы 15,17 и 19 в вакууме; Ъ,Ь и Ъj - коэффициенты поглощения соответствующими газами; L - путь излучения от источника 1 к детекторам в контролируемой шахтной атмосфере.

По аналогии с (7), (9) и (11) интенсивности инфракрасного излучения на детекторы 16,18 и 20 соответственно записываются в виде:

i;, Ц (кЧс, ) ; (16) 14 NC expf-b L, (К C)J ; ( 17) ij N1 ; ехр -Ь jL, (Г4-ЬС )J , (18 )

где ,.100%( LjSin/J K,d,.100% Lsin7 ;| (19) ysj W d

2. (20)

i-

(21)

100%|Lsiny ;

.100%(L|Sin7 J K d3 100% Lsin/- .

Уравнения (19)-(21) имеют место, так как L.sin A Lsiny paBHo расстоянию от оси пучка излучения до чувствительной .области любого из детекторов.

Во время второго такта на вход измерителя 52 отношений подаются сигналы I, Hi, на его выходе формиI t t

руется сигнал , который логарифмируется логарифматором 55, и сигнал ln(li/I) подается на вход (cj M- мирующий) измерителя 57 разности, на вычитающий вход которого с злемента 56 задержки (где на время переходного процесса был задержан сигнал) подается сигнал 1п(1.,/1), а на выходе измерителя 57 разности формиру14

ется сигнал ln(I|/lp - Ind /lJ). С детектора. 15 на второй вход измерителя 51 отношений подается сигнал Ij, а на его первый вход к этоМу времени с злемента 50 задержки подается

0

5

0

5

0

задержанный ранее в нем на время t сигнал 1. На выходе измерителя 51 отношений формируется сигнал 1., 7 который после логарифмирования в блоке 54 поступает в четвертый измеритель 58 отношений,на другой вход которого подается сигнал 1п()- 1п() . На выходе четвертого изме- рителя 58 отношений формируется отношение поступивших на его входы сиг- налог ln()fln()-ln( /I )J , которое поступает на первый вход блока 59 умножения, на второй вход которого с задатчика 60 поступает сигнал К,, численно равный от- ношению сигналов согласно (8). На выходе блока 59 умножения формируется .сигнал

I (Ij/i;)rin(lJ/l)- tln(4/i;) .(22)

Чтобы сигнал А численно равнялся значению концентрации метана С|, по- лученном из решения системы уравне НИИ (4), (7), (13) и (16), необходимо выполнить условие

l o,(23)

5

5 Поясним физический смысл условия (23). Из фиг. 1 видно, 4ToL,L. Поэтому во втором такте измерения интенсивность I, приблизительно во столько раз, во сколько раз L

0 больше чем L. Для удовлетворения, (23), при котором система уравнений (7), (4), (13) и (16) имеет однозначное решение, не зависящее от сильно флуктуирующих параметров Ь, и 1о, пе5 ред нижним положением источника 1 установлен нейтральный фильтр 13, ослабляющий излучение от источника 1 до любого из детекторов в N раз, где N i;/l

oi

Таким образом, при правильно подобранной толщине фильтра 13 по вели- , чине отношения , определяемого на заводе-изготовителе устройства при его калибровке, на выходе блока 59 умножения в конце второго такта измерения формируется сигнал А согласно (22), численно равный концентрации метана (или другого газа)

15

в шахтной атмосфере. Этот сигнал затем поступает в блок 61. - Аналогично во вторЬм такте измере ния содержания углекислого газа в шахтной атмосфере форми руются сигнал и 1л на входах измерителя 64 отноII и I

.4 И хл на входах измерителя 7 , ff.,

шений и на его выходе, который

поступает на вход логарифматора 69. На выходе пг -еднего появляется сигнал ln(l , j.i), на выходе элемента 66 задержки формируется сигнал /l ) , на выходе измерителя 70 разности - сигнал rin(l|/lj:)-ln(l|/lJ )J на второй вход измерителя 63 отношений поступает сигнал Ij, а на первый с элемента 65 задержки подается сигнал на йыходе измерителя 63

notii л-л э па jt3LUA. n.jt..n

отношений формируется сигнал l /If) который логари(|мируется в блоке 68 и подается на четвертый измеритель 7 отношений, на другой вход которого подается сигнал Lln((). На выходе блока 71 формируется сигкал in(i5/i;)i:in(i;/i p-in(T./ij) ,

который подается на первый вход блока -72 умножения, на второй вход которого подается сигнал К, численно равный отношению согласно (10), на выходе блока 72 умножения формируется сигнал

(i /i; )i:in()ln()j- .(24)

который при условии (23) численно равен концентрации (в %) углекислого газа.

Во время второго такта измерения концентрации угарного газа формируют

I, на входах

ся также сигналы Ij и измерителя 75, l{/I/ на его выходе, ln() на одном входе измерителя 81 разности и ln() ia другом и flnd /l J)-ln()3 на его выходе; на вхо

дах измерителя 74 отношений формируютс

Ц и I J/l l , который логарифмируетLJ , а на его выходе

сигналы

сигнал

ся в блоке V9; на входы измерителя 82

отношений поступают сигналы ln(Ij/Ij)

средних значениях кон- 3

центраций Су ,С и Сд с выходов инЧтеграторов 89-91 со сбросом подаютг

ся на входы соответствующих пороговых элементов 96 - 98, на вторые входы

и ln()-ln(K/I.), а на его выхо-50которых с задатчиков 102 - 104 подая1/ т/Т Г | «Ч/Т/гя-.- .г«. «лилf , -г efttr ГЛЧ-Г «Тв-ГЧ . де формируется сигнал 1п(. Л /Ip-lnd /l ) . Этот сигнал вместе

с сигналом Кз с задатчика 84 поступает на входы блока 83 умножения, на выходе которого формируется сигнал 155

ются сигналы о заданных предельных значениях концентраций , t и С При выполнении условия С С на выходе порогового элемента 96 появляется единичный сигнал, в противном случае сигнал на выходе элемента 96 равен нулю. При вЫпрлнении условия Cj на выходе порогового элемента 97 появляется единичный сигнал, в против

c,K3in(i;/i;)fin(i;/i;)in()(25)

16

0

5

0

который при выполнении Условия (23) численно равен концентрации (в %) угарного газа.

В конце второго такта сигналы с блоков 59,72 и 83 з ноження поступают в блок 61 (фиг.4). Сигналы С, ,C|j и С поступают на входы интеграторов со сбросом, где они интегрируются за 2-5 циклов измерения (каддый из которых состоит из двух тактов) и подаются на входы трехканального регистратора и индикатора 109, где регистрируются и индицируются за циклов в виде процентных содержаний метана, углекислого и угарного газов. Одновременно сигналы С, С и С поступают на входы блоков дифференцирования, где за 2-5 циклов измерения определяются средние скорости изменения концентраций 4 Cj, ЛС, и

5

0

fiC. Эти средние значения скоростей изменения (увеличения) концентрации подаются на входы соответствующих пороговых элементов 93 - 95, где они сравниваются с заданными значениями скоростей изменения Л , д с. и fl . ЕслийС ЛСу , то на выходе элемент а 93 появляется единичный сигнал, в противном случае сигнал на выходе порогового элемента 93 равен нулю. Если Д .з то на выходе порогового элемента 94 появляется единичный сигнал, в противном случае сигнал на выходе элемента 94 равен нулю. Если то на выходе порогового элемента 95 появляется единичный сигнал, в противном случае сигнал на выходе элемента 95 равен нулю. Сигналы с выходов пороговых элементов 93-95 подаются на входы элемента ШШ 105, на выходе которого появляется единичный сигнал при наличии единичного сигнала хотя бы на одном из его входов.

0

Сигналы о

средних значениях кон- 3

центраций Су ,С и Сд с выходов инЧтеграторов 89-91 со сбросом подаютг

ся на входы соответствующих пороговых элементов 96 - 98, на вторые входы

гя-.- .г«. «лилf , -г efttr ГЛЧ-Г «Тв-ГЧ ются сигналы о заданных предельных значениях концентраций , t и С. При выполнении условия С С на выходе порогового элемента 96 появляется единичный сигнал, в противном случае сигнал на выходе элемента 96 равен нулю. При вЫпрлнении условия Cj на выходе порогового элемента 97 появляется единичный сигнал, в против ом случае сигнал на выходе элемента 97 равен нулю. При выполнении условия C)Ci на выходе порогового элемента 98 появляется единичный сигнал в противном случае сигнал на выходе элемента 98 равен нулю. Сигналы с выходов пороговых элементов 96-98 подаются на входы элемента ШШ 106. На выходе элемента 106 появляется единичный сигнал, если хотя бы на одном из его входов появляется единичный сигнал, т.е. когда хотя бы одно значение концентрации превышает предельное значение. Сигналы с выходов элементов ИЛИ 105 и 106 подаются на входы элемента ШВ1 107. На выходе элемента ШИ 107 появляется единичный сигнал при появлений единичного сигнала хотя бы на одном из его двух входов..Таким образом, на выходе элемента ИЛИ 107 единичный сигнал появляется, если хотя бы одна средняя концентрация превышает предельное значение или хотя бы одна средняя скорость увеличения концентрации пре вьшает соответствующее заданное значение скорости изменения. При появле НИИ единичного сигнала на выходе элемента ИЛИ 107 сигнализатор 108 подае сигнал о недопустимом метановыделе- нии в горной выработке. Такая шести- критериальная сигнализация псзышает достоверность сигнализации, так как сигнал возникает и при любом единичном из шести превышений и при любых одновременных сочетаниях превышений по два, три, четьфе, пять и шесть. Схема сигнализации сигнализируе о недопустимом метановыделении при любом из 63 возможных случаев превышения (суммарное число сочетаний из ше ти элементов по одному, два, три, четыре, пять и шесть элементов 6+15+ +20+15+6+1 63).

В конце каждого второго такта с блока 83 управления поступает сигнал на электромагнит 7 для его установки в исходное (фиг. 1) положение. После этого следующий сигнал с блока 85 управления поступает на коммутаторы 46 - 48, они устанавливаются в положение, показанное на фиг.З, и начинается первый такт нового цикла измерения.

После каждых циклов измерения с генератора 92 импульсов на обнуляю- щие входы интеграторов 89-91 со сбро сом поступает короткий импульс, под

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

действием которого содержимое интеграторов со сбросом сбрасывается и начинается новое измерение из 2-5 циклов. Пример реализации устройства. Источник 1 - лампа накаливания с температурой около 500 С (которая соответствует максш-{уму излучения на длине олны 3,75 мкм и которая даже в случае повреждения не приводит к загоранию метана). Температура обеспечивает достаточно интенсивное инфракрасное излучение на всех требуемых диапазонах 3,39, 4,3 и 4,7 мкм и не достаточна для возможной аварии из-за загорания метана при повреждт,е- нии лампы накаливания. Для меньшего поглощения инфракрасного излучения колба лампы накаливания выполнена из нртрапа. Детекторы 15-20 выполнены в виде фотодиодов на основе PbS, .светофильтры 27-32 - полосовые поглощающие интерференционные фильтры с полосами пропускания 3,39, 4,ЗиА,7 мкм. Усилители 40-45 - операционные усилители на микросхемах. Управляемые комь утаторы 46 - 48 - ключи на биполярных или МОП-транзисторах. Измерители 49,51 ,52,62 - 64,73 - 75,58,66 и 77 - аналоговые усилители па операционных усилителях с умножением в цепи обратной связи. Логарифматоры 53 - 55,67 - 69, 78 - 80 - плоскостные полупроводниковые диоды. Элементы 50, 56,65,66,76 и 77 задержки - конденсаторные аналоговые запоминающие устройства с операциопнымн усилителями и замкнутой обратной связью. Задатчи- ки 60,73,84,99 - 104 - источники опорного напряжения с потенциометрами на выходе. Блоки 59,72 и 83 умножения - множительные устройства на .управляемом дифференциальном усилителе. Измерители 57,70 и 81 разности - дифференциальные усилители. В качестве блока 85 управления испо.иьзуется стабилизированный кварцем генератор на частоту 100. с и делители на триггерах с коэффициентами деления 1:2 и 1:64 (делитель содержит 6 триггеров). Блоки 86-88 дифференцирования- специальные низкочастотные дифференциаторы. Генератор импульсов - стаби- лизированньш кварцем генератор с частотой на выходе (короткие импульсы длительностью около 1 мс) около 0,01 Гц. Пороговые элементы 93-98 - однопороговые компараторы. Элементы 105-107 - логические элементы i JOl.

19151854

Сигнализатор 108 - усилитель мощйос- ти постоянного тока с сиреной на выходе. В качестве трехканального регистратора и индикатора 109 может быть использован, например, любой многоканальный регистратор и 11ндикатор агрегатного комплекса АСЭТ.

Калибровка устройства на заводе- изготовителе состоит в следующем. бы уменьшить до минимума погрешность, нужно как можно точнее подобрать Толщину нейтрального фильтра 13 для вы- юлнения условия (23), Подгонку фильтра можно осз ществить, например, его шлифовкой для снятия требуемой толщины. Дальнейшего уменьшения погрешности (уже инструментальной составляющей) достигают подбором (из всей имеющейся партии фотодиодов) близких по параметрам пар 15-16, 17-18 и 19- 20, а среди партии плоскостных полупроводниковых диодов подбирают близкие по параметрам тройки 53-54-55, 67-68-69 и 78-79-80. Среди измерителей отношений целесообразно подбирать близкие по параметрам четверки 49-51-52- 58., 62-63-64-71, 73-74-75- 82, среди партии усилителей целесообразно отбирать близкие по параметрам пары 40-41, 42-43, 44-45. Подбо : позволяет .более чем вдвое уменьшить инструментальную погрешность. Структура устройства, подгонка ф1шьтра 13, отдельных пар, троек или четверок функциональных элементов позволяют свести суммарную погрешность анализа содержаний любого из контролируемых газов до величины менее 0,05% абсолютных. Устройство способно сигнализировать о недопустимо сильном ме- тановыделении при выходе за допустимые пределы любой из трех концентраций или любой из трех скоростей повышения концентраций.

Для определения технико-экономи- ческой эффективности в качестве базового объекта взят НК-газоанализатор СО, ,СО и метана в шахтной атмосфере типа Р1-201В (производства японской фирмы Рикен Кейки), Техническими преимуществами изобретения по сравнению с базовым объектом являются исключение необходимости стабилизации температуры детекторов, расширение диапазона измеряемых концентраций с 10 до 100%, снижение потребляемой мощности с 100 до 20 ВА, исключение сложной электронной схемы ли20.

неаризации шкалы, уменьшение погреш- ности (абсолютной с 0,5 до 0,05%, относительной с 5 до 0,05%), уменьшение времени измерения с 10 до 3с, упрощение схемы обработки сигнала, уменьшение веса с 26 до 10 кг, снижение стоимости, исключение необходимости применения компрессора, обеспыливающих фильтров и осушающих фильтров, расширение функциональных возможностей за счет сигнализации о недопустимо большом метановыделении при превьш1ении любой из трех концентраций или при превышении скорости увеличения любой из трех концентраций.

0

5

0

5

0

0

5

Формула изоб ре тения

1. Способ сигнализации метановыде.-.- ления в шахтах, основанный на пропускании через контролируемый объем атмосферы заданной толщины L инфракрасного излучения и регистрации интенсивности прошедшего инфракрасного излу- чения 1 с длиной волны, соответст- вующей максимуму поглощения i-ro контролируемого газа, о т л и ч а ю щ и , с я тем, что, с целью повышения надежности сигнализации о процессе мета- новыделения за счет точного контроля содержаний метана и сопутствующих газов одновременно путем одновременной компенсации флуктуации запыленности, влажности, давления и Температуры шахтной атмосферы при одновре- менном упрощении, дополнительно пропускают инфракрасное излучение той же длины волны через объем атмосферы той же толщины L и кювету с чистым контро- лируемым газом и регистрируют интен-

сивность прошедшего инфракрасного из- лучения 1, пропускают инфракрасное излучение той же длины волны через 5 объем атмосферы другой толщины L/ и регистрируют интенсивность прошедшего инфракрасного излучения Г,, пропускают инфракрасное излучение той же длины волны через объем атмосферы другой толщины L и кювету с чистым контролируемым газом и регистрируют интенсивность прошедшего инфракрасноtго излучения 1, причем потоки инфра-,

красного излучения на контролируемый объем атмосферы формируют от общего источника с непрерывным спектром, а регистрацию интенсивностей прошедшего инфракрасного излучения с длиной

волны, соответствующей максимуму поглощения i-ro контролируемого газа, осуществляют на одинаковых от источника расстояниях, при этом процентно содержание С i-ro газа в шахтной атмосфере определяют из соотношения

.in(i /i;)fin(i /ip- in()r,

где К - отношение пути инфракрасного излучения через кювету с i-M контролируемым газом к пути инфракрасного излучени через контролируемый объем шахтной атмосферы,

определяют скорости увеличения концентраций каждого i-ro контролируемого газа, процентные содержания и скорости увеличения концентраций срав нивают с заданными значениями и при превышении любой из них заданных значений сигнализируют о недопустимом метановыделении, при этом одновременно контролируют метан, углекислый и угарный газы.

2,- Устройство для сигнализации . метановыделения в шахтах, содержащее источник инфракрасного излучения, .два детектора с усилителями и блок индикации и регистрации, отличающееся тем, что, с целью обеспечения достоверной сигнализации о процессе метановыделения за счет точного контроля содержаний метана и сопутствующих газов одновременно путем одновременной компенсации флуктуации запыленности, влажности, давления и температуры шахтной атмосферы при одновременном упрощении, оно снабжено п калиброванными кюветами с контролируемыми газами, 2п полосовыми светофильтрами, у которых сере- дина полосы пропускания соответствует середине полосы поглощения конт- ролируемого газа, п управляемыми коммутаторами, 2п элементами задержки, 4п измерителями отношений, Зп лога- рифматорами, п измерителями разности, п блоками умножения, п задат- чиками, 2(п-1) детекторами с усилителями, нейтральным инфракрасным светофильтром, блоком управления, механизмом перемещения и фиксации источника инфракрасного излучения и герме тичным корпусом, в котором симметрично относительно пучка, инфракрасногоизлучения и перпендикулярно к его ос установлены детекторы с полосовыми

5

0

5

0

0 35 0 . 45 д . ,

светофильтрами, а между п полосовыми светофильтрами и детекторами установлены калиброванные кюветы с контролируемыми газами и герметичный корпус, причем калиброванные кюветы с контролируемыми газами и герметичный кор-. пус снабжены подвижными мембранами, при этом выходы пары детекторов с усилителями для каждого i-ro газа соединены с входами соответствующего управляемого коммутатора, первый выход которого непосредственно соединен с первым входом первого измерителя отношений и через первый элемент задержки соединен с первым входом второго измерителя отношений, второй выход соединен с вторьм входом второго измерителя отношений и первым входом третьего измерителя отношений, третий выход соединен с вторым входом первого измерителя отношений, четвертый выход соединен с вторым входом третьего измерителя отношений, выходы измерителей отношений соединены с входами соответствующих логарифматорпв, первый из которых через второй элемент задержки, а третий - непосредственно соединены с входами измерителя разности, выход которого соединен с первым входом четвертого измерителя отношений, к второму входу которого подключен второй логарифматор, выход четвертого измерителя отношений соединен с первым входом блока з множения, к второму входу которого подключен задат- чик, а к выходу - блок индикации и регистрации, первьШ выход блока управления соединен с управляющими входами управляемых коммутаторов, а второй его выход соединен с входом механизма перемещения и фиксации источника инфракрасного излучения, элементы схемы других каналов измерения соответствующих газов соединены аналогично, 3. Устройство по п. 2, о тли- чающе еся тем, что, с целью осуществления комплексной сигнализации по превышениям концентраций или скоростей их увеличения, блок индикации и регистрации выполнен в виде п блоков дифференцирования, п интеграторов со сбросом, 2п задатчнков, 2п пороговых элементов, трех элементов ШШ, сигнализатора и п-канального регистратора и индикатора, причем входы блока индикации и регистрации соединены с блоками дифсЬеренцирова- ния и интеграторами со сбросом, выхо-. .

ды которых соединены с первьми входами пороговых элементов, вторые входы которых соединены с задатчиками, выходы блоков дифференцирования соединены с входами первого элемента ИЛИ, выходы интеграторов со сбросом соединены с входами второго элемента ИЛИ,

выxoд) первого и второго элементов ИЛИ соединены t входами третьего элемента ШМ, выход которого соединен с входом сигнализатора, при этом выходы интеграторов со сбросом соединены также с входами п-канального регистратора и индикатора.

Изобретение относится к горной автоматике и предназначено для сигнализации метановыделения в угольных шахтах для предотвращения взрывов. Цель - повышение надежности сигнализации о процессе метановыделения за счет точного контроля содержаний (С) метана и сопутствующих газов одновременно путем одновременной компенсации флуктуаций запыленности, влажности, давления и т-ры шахтной атмосферы (ША) при одновременном упрощении, а также осуществление комплексной сигнализации по превышениям концентраций или скоростей их увеличения. Для этого поток инфракрасного излучения (ИКИ) с непрерывным спектром пропускают через контролируемый объем ША заданной толщины L. Регистрируют интенсивность прошедшего ИКИ с длиной волны, соответствующей максимуму поглощения метана и сопутствующих углекислого и угарного газов. Затем поток ИКИ с непрерывным спектром пропускают через контролируемый объем ША толщины L и калиброванные кюветы с метаном и сопутствующими газами и регистрируют интенсивность прошедшего ИКИ. Поток ИКИ с непрерывным спектром пропускают через контролируемый объем ША другой толщины L₁≠L и регистрируют интенсивность прошедшего ИКИ. Также пропускают поток ИКИ с непрерывным спектром через контролируемый объем ША той же ширины и калиброванные кюветы и регистрируют интенсивность ИКИ, прошедшего через ША, а С контролируемого I-го газа в ША определяют по математической формуле. Сравнивают С всех трех контролируемых газов за заданное время с допустимыми С и определяют скорости их увеличения. Если какое-либо из С превышает допустимое С или какая-нибудь скорость увеличения превышает заданное значение скорости увеличения, то выдают сигнал о недопустимо большом метановыделении в горной выработке. Определяемые за заданное время С метана и сопутствующих газов регистрируют и индицируют. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

27

Редактор А.Огар

Составитель И.Назаркина

Текред Л.Сердюкова Корректор В.Гирняк

Заказ 6583/40

Тираж 410

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5

Фие.4

Подписное