Способ газовой защиты для угольных шахт и устройство для его осуществления Советский патент 1990 года по МПК E21F5/00 

ел

Ј 00 4

О

00

сивность 1П прошедшего через контро- лируемый объем потока ИКИ, интенсивность Iрв рассеянного в направлении вперед потока ИКИ и интенсивность 10 прошедшего через чистый разреженный воздух потока ИКИ. Определяют значения К пыли Сп и метана С м в контролируемом объеме Ц по формулам Сп (1п , См (,- d)-( In 10-

in in -зеп1РЬ(1п-кп)- , где9е„зеп-

коэффициенты ослабления ИКИ метаном и пылью; Кп - градуировочный коэффициент. Задают пороги по допустимым К метана Смд и пыли . Сравнивают Ch и См с пороговыми Спд и Смд и при С г) Спд или СМ7 Смд сигнализируют

об опасной пылегазовой обстановке в шахте. Устройство для реализации способа содержит пороговый блок 1, задат чик 2, сигнализатор 3, лазерный инфра красный светодиод 5 и инфракрасный фотодиод 6. Дополнительно устройство снабжено неподвижным коллиматором 7, вращающимся обтюратором 1 1 с подвижными коллиматорами 8 и 9, задатчика- ми , блоками 19, 26 и 32 хранения - выборки, логарифматорами 20,27, блоками 21 и 22 умножения, генератором 23 импульсов, делителем 2Ц частоты, управляемым коммутатором 25, ОЗУ 28, измерителями разности 29,30 и отношений 31, 33-35. 2 с,п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к горной автоматике и предназначено для автоматической сигнализации об опасной пылегазовой обстановке. Цель изобретения - повышение достоверности защиты за счет снижения погрешности определения концентрации (К) метана путем устранения влияния флуктуаций содержания пыли и за счет учета истинной К пыли в лаве. Контролируемый объем 4 шахтной атмосферы толщиной D просвечивают пучком инфракрасного излучения (ИКИ). Регистрируют интенсивность J_п прошедшего через контролируемый объем 4 потока ИКИ, интенсивность J_рв рассеянного в направлении вперед потока ИКИ и интенсивность J_о прошедшего через чистый разреженный воздух потока ИКИ. Определяют значения К пыли C_п и метана C_м в контролируемом объеме 4 по формулам C_п = J_рв(J_п^. K_п^. D)^-1

C_м = (X₁^. D)^-1 [LNJ_о - LNJ_п - X_пJ_рв(J_п^. K_п)^-1], где X₁, X_п - коэффициенты ослабления ИКИ метаном и пылью

K_п - градуировочный коэффициент. Задают пороги по допустимым К метана C_мд и пыли C_ид. Сравнивают C_п и C_м с пороговыми C_пд и C_мд и при C_п *98 C_пд или C_м *98 C_мд сигнализируют об опасной пылегазовой обстановке в шахте. Устройство для реализации способа содержит пороговый блок 1, задатчик 2, сигнализатор 3, лазерный инфракрасный светодиод 5 и инфракрасный фотодиод 6. Дополнительно устройство снабжено неподвижным каллиматором 7, вращающимся обтюратором 11 с подвижными коллиматорами 8 и 9, задатчиками 14 - 18, блоками 19, 26 и 32 хранения-выборки, логарифматорами 20, 27, блоками 21 и 22 умножения, генератором 23 импульсов, делителем 24 частоты, управляемым коммутатором 25, ОЗУ 28, измерителями разности 29, 30 и отношений 31, 33 - 35. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к горной автоматике, а более конкретно к автоматической сигнализации об опасной пылегазовой обстановке и может быть использовано для повышения производительности и улучшения техники безопасности в угольных шахтах, опасных по выбросам пыли и газа.

Цель изобретения - повышение достоверности защиты за счет снижения погрешности определения концентрации метана путем устранения влияния флуктуации содержания пь ли и за счет уче- та истинной концентрации пыли в лаве. На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства газовой защиты; на фиг. 2 - ход лучей инфракрасного излучения через контролируемый объем шахт- ной атмосферы при установке перед фотодиодом второго сужающегося коллиматора; на фиг. 3 - то же, при установке перед фотодиодом третьего кольцевого коллиматора.

Устройство газовой защиты для угольных шахт содержит пороговый блок 1, к входу которого подключен первый задатчик 2, а к выходу - сигнализатор 3, а также установленнве друг против друга по разные стороны от контролируемого объема h шахтной атмосферы толщиной d лазерный инфракрасный светодиод 5 и инфракрасный фотодиод 6. Устройство снабжено также неподвижным коллиматором 7, двумя подвижными коллиматорами 8 и 9, двигате-f лем 10 с обтюратором 11 на валу 12, исполнительным механизмом 13, пятью

задатчиками 14 - 18, блоком 19 хранения-выборки, логарифматором 20, двумя блоками 21 и 22 умножения, генератором 23 импульсов, делителем 2k частоты, управляемым коммутатором 25 цепью из последовательно соединенных второго блока 26 хранения-выборки, второго логарифматора 27, оперативного запоминающего устройства 28, двух измерителей 29 и 30 разности и измерителя 31 отношений, а также цепью из последовательно соединенных третьего блока 32 хранения-выборки и трех измерителей отношений. Информационный вход управляемого коммутатора 25 соединен с выходом инфракрасного фотодиода 6, первый управляющий вход соединен с первым выходом генератора 23 импульсов и с входом шагового двигателя 10. Второй управляющий вход соединен с входами оперативного запоминающего устройства 28 и исполнительного механизма 13 и с выходом делителя 2h частоты, вхо которого соединен с вторым выходом гнератора 23 импульсов. Выходы управляемого коммутатора 25 соединены с входами блоков 19, 26 и 32 хранения- выборки. Выход первого блока 19 хранения-выборки соединен с вторым входом второго измерителя 33 отношений. Выход третьего блока 32 хранения-выборки через первый логарифматор 20 соединен с вторым входом первого измерителя 29 разности. Выходы первого 31 и четвертого 35 измерителей отношений соединены с вторым и третьи

входами порогового блока 1, четвертый вход которого соединен с вторым за- датчиком 14. Выход третьего измерителя 34 отношений соединен с первым входом первого блока 22 умножения, второй вход которого соединен с третьим задатчиком 18, а выход соединен с вторым входом второго измерителя 30 разности. Второй вход третьего измерителя 34 отношений соединен с четвертым задатчиком 16. Второй вход четвертого измерителя 35 отношений соединен с пятым задатчиком 17 и с первым входом второго блока 21 умножения, второй вход которого соединен с шестым задатчиком 15, а выход соединен с вторым входом первого измерителя 31 отношений. В состав устройства входит также двухканальный блок 36 индикации и регистрации, входы которого соединены с выходами первого 31 и четвертого 35 измерителей отношений.

i Первый коллиматор 7 выполнен рас- |ширяющимся (в виде конического от- верстия) и установлен у лазерного инфракрасного светодиода 5 широкой стороной к инфракрасному фотодиоду 6. Второй коллиматор 8 выполнен сужающимся (в виде конического отверстия) и установлен перед инфракрасным фотодиодом 6 на одной лопасти 37 обтюратора 11 узкой стороной к светоди- оду 5. Третий коллиматор 9 выполнен кольцевым (прозрачное для инфракрасного излучения кольцо 38 и непрозрачный пятачок 39 центре) и установлен на второй лопасти 40 обтюратора 11.

Контролируемый объем 4 шахтной атмосферы образован двумя параллельными друг другу и прозрачными для инфракрасного излучения торцовыми стенками 41 и 42, установленными на расстоянии d друг от друга. Для возможности герметизации объема и откачки из него воздуха служат боковые стенки , которые устанавливаются при надобности исполнительным механизмом 13.

Исполнительный механизм 13 может быть выполнен, например, в виде герметизирующего устройства, герметично закрывающего контролируемый объем 4, и вакуум-насоса, откачивающего воздух из герметизированного объема. Пороговый блок 1 может быть выполнен, например, в виде двух блоков сравнения с элементом ИЛИ на выходе. Остальные

блоки являются стандартными широко распространенными блоками схем автоматики, выполняют однозначные функции и в дополнительных пояснениях не нуждаются.

Способ газовой защиты для угольных шахт реализуется следующей последовательностью операций.

Q Контролируемый объем шахтной атмосферы толщиной d просвечивают пучком инфракрасного излучения, например, с длиной волны около 3,39 мкм. Регистрируют интенсивность прошедшего

5 через контролируемый объем потока инфракрасного изпучения 1П. Регистрируют интенсивность рассеянного в направлении вперед потока инфракрасного излучения 1РБ. Регистрируют один

0 раз на много измерений интенсивность прошедшего через чистый разряженный воздух потока инфракрасного излучения 10. Определяют значения концентраций пыли Сл и метана См в контроли5 руемом объеме шахтной атмосферы по формулам Cn IpD(InKn d)- , CM («, d)- In I0 - In

- W,n I PP (I|)Kn) J

Задают пороги по допустимым концентрациям метана Смд и пыли СПд „Сравнивают значения Сп и С с пороговыми Спд и Смд и при Сп Спд или

об опасной пыле- Остальные

операции повторяют при каждом измерении.

Сущность способа состоит в следующем .

Если через контролируемый объем шахтной атмосферы толщиной d пропускать тонкий пучок инфракрасного излучения с длиной волны около 3,39 мкм (т.е. в полосе поглощения метана), то интенсивность прошедшего потока излучения согласно закону Бугера-Ламберта- -Вера запишется в виде

In 0

Смд и

,д сигнализируют газовой обстановке в шахте.

5

0

1П 10ехр - пС -,

С «О

0

5

где 10 - интенсивность прошедшего через чистый разреженный воздух (без пыли и метана) потока инфракрасного излучения ;

Сп и См - концентрация пыли и метана; ЗС-и 9б, коэффициенты ослабления инфракрасного излучения пылью и метаном.

Зависимость (1) будет иметь место в показанной на фиг. 2 геометрии измерений.

20

25

Если теперь между источником 5 и фотоприемником 6 поставить непрозрачный для инфракрасного излучения пятачок 39 (по диаметру потока излучения от источника 5 на фотоприемник 6), а вокруг пятачка выполнить прозрачное для излучения кольцо 38, то прямые лучи от источника 5 на фотоприемник 6 не попадут (фиг.З). Зато на фото- 10 приемник 6 попадут кванты инфракрасного излучения, которые в результа- те рассеяния на частичках пыли изменили свое первоначальное направление распространения и прошли на фотопри- $ емник 6 через прозрачное кольцо 38. Направления таких квантов показаны сплошными линиями со стрелками на фир. 3. Интенсивность потока рассеянного вперед инфракрасного излучения 1рв аппроксимируется выражением (KnCBd)exp(- nCnd-,), (2) где Кп - градуировочный коэффициент.

Из выражения (2) видно, что при величина 1РЬ также стремится к нулю. Объясняется это тем, что при исчезновении частичек пыли исчезают центры рассеяния и в чистом воздухе рассеяния излучения вперед не происходит. Показатель экспоненты в вы- 30 ражении (2) как и в выражении (1) характеризует ослабление прямого и рассеянного квантов инфракрасного излучения пылью и метаном.

Разделив 1РЬ по уравнению (2) на 35 1р по уравнению (1), получают

IlB Io(KnCnd)exЈ(-«nCnd-9etCMd) In ,)

KnCnd.(3) 40

Отсюда получают Сп I fb(InK..dT (A) Подставив Сп из уравнения (k) в уравнение (1) и решив полученное уравнение относительно См. получают Cj« ((d)-f in I0iln Хп-а:л1рв(1пКпГЗ,(5) 45 концентрацию метана в контролируемом объеме шахтной атмосферы.

Перед запуском в работу устройство градуируют. Процесс градуировки устройства заключается в следующем. Значения Смд и Спд заносятся в задат- чики 2 и 1. Значение d заносят в за- датчик 17, значение К„ заносят в за- датчик 16, Э6| - в задатчик 15, а значение cferT в задатчик 18. Величины С м и С„А являются заранее известными для конкретной лавы, где будет установлено устройство, значение d

50

55

0

5

0

5

0

5

0

5

известно из конструкции устройства, а величины эе, , Эепи Кп определяют, пропуская через контролируемый объем искусственные смеси с известными концентрациями пыли и метана и измеряя каждый раз величины 10, 1П и 1РЬ(например, по методу наименьших квадратов по уравнениям (k) и (5).

Работа устройства осуществляется следующим образом.

При запуске устройства исполнительным механизмом 13 герметизируют контролируемый объем Ц и откачивают оттуда чистый воздух. Устанавливают обтюратор 11 в показанное на фиг.1 и 2 положение, соединяют выход фотодиода 6 с входом второго блока 26 хранения-выборки. В блоке 26 фиксируется значение 10, которое логарифмируется в блоке 27 и заносится в оперативное запоминающее устройство 28 в виде (1п10). Эти операции обычно „ осуществляют (как и операции градуировки) на заводе-изготовителе устройства .

При включении устройства в работу импульсом с генератора 23 шаговый двигатель ставит обтюратор 11 в показанное на фиг. 1 и 2 положение, а управляемый коммутатор 25 соединяет фотодиод 6 с входом третьего блока 32 хранения-выборки. Начинается первый такт измерения. Поток инфракрасного излучения от источника 5 проходит через контролируемый объем толщиной d и регистрируется фотоприемником 6. Сигнал с фотоприемника 6 поступает на вход третьего блока 32 хранения-выборки, где формируется сигнал 1П согласно уравнению (1). В логарифматоре 20 при этом формируется сигнал 1ШП.

По окончании первого такта импульсом с генератора 23 шаговый двигатель 10 устанавливает обтюратор 11 в показанное на фиг. 3 положение, а управляемый коммутатор 25 соединяет фотодиод 6 с входом первого блока 19 хранения-выборки. Начинается второй такт измерений. Рассеянный в направлении вперед поток инфракрасного излучения проходит через кольцо 38 и попадает на фотодиод 6. Сигнал с фотоприемника 6 поступает на вход первого блока 19 хранения-выборки где формируется сигнал 1№ согласно уравнению (2).

По окончании второго такта сигнал

1„ из блока 32 и сигнал 1Рьиз блока 19 поступают на входы второго измерителя 33 отношений, где формируется сигнал ,) 1 , который поступает на вход третьего измерителя 3 отношений, на второй вход которого с задатчика 16 поступает сигнал Кр. На выходе блока 3 формируется сигнал 1РВ(1ПКП) , который поступает на входы блоков 22 и 35. На второй вход измерителя 35 отношений с задатчика

17поступает сигнал d и поэтому на выходе блока 35 формируется сигнал IpB(InKnd) , численно равный концентрации пыли Сп в контролируемом объеме согласно уравнению (Ц). На второй вход блока 22 умножения из задатчика

18поступает сигнал деп Поэтому на выходе блока 22 формируется сигнал ЭЈП1 Рв (1ПКП) , который поступает на второй вход второго измерителя 30 разности. На входы первого измеритеПосле этого начинается первый та уже второго цикла измерений, которы как и описанный состоит из двух так тов. Длительность одного цикла из мерений составляет около 0,15 с. (п 0,07 с. на каждый такт и около 0,01 на переходные процессы и обработку сигналов).

Ю По истечении 288000 тактов (или циклов, или 6 ч непрерывной работы) на выходе делителя частоты 2k на 288000 появляется импульс, по действием которого исполнительный

15 механизм 13 герметизирует контролируемый объем k и откачивает оттуда воздух, шаговый двигатель 10 ставит обтюратор 11 в показанное на фиг.1 и 2 положение, управляемый коммута20 тор 25 соединяет выход фотодиода 6 с входом второго блока 26 хранения- выборки, сбрасывается содержимое оп ративного запоминающего устройства 28. После этого сигнал с фотодиода

ля 29 разности с блоков 28 и 20 посту- 25 6 поступает в блок 26 и на его выходе формируется сигнал 1в, сигнал 10 логарифмируется в логарифматоре 27 и сигнал (In I0) запоминается в

пают сигналы In Ifl и In In. На выходе измерителя 29 разности формируется сигнал (In I0-ln In), который поступает на первый вход второго измерителя 30 разности. На выходе блока 30 формируется сигнал Јln I0-ln In- -Unl pB(InKft)- который подается на первый вход измерителя отношений 31. На входы блока 21 умножения с за- датчиков 17 и 15 подаются сигналы &, и d поэтому на выходе блока 21 формируется сигнал (9,cJ), поступающий на второй вход блока 31. На выходе измерителя отношений 31 формируется сигнал (a,d) IQ-In In - -Эел1Рв(1пКпГ , который согласно уравнению (5) численно равен концентрации метана в контролируемом объеме. Сигналы о концентрациях пыли и метана с блоков 35 и 31 поступают на входы блока 36, где индицируются и регистрируются в процентах содержания метана и в мг/м3 содержания пыли. Эти же сигналы Сп и См с блоков 35 и 31 подаются на входы порогового блока 1, где сравниваются с CHI- налами и задатчиков 2 14. При выполнении одного из условий Сп Сп. или на выходе порогового блока 1 появляется сигнал, включающий сигнализатор 3, который сигна« лиэирует об опасной пылегазовой обстановке в лаве.

оперативном запоминающем устройст- 30 ве 28.

После этого снова начинается пер вый такт первого цикла измерений и все происходит снова в описанной по 35 следовательности.

Формула изобретени

40 1 Способ газовой защиты для уго ных шахт, основанный на просвечивании контролируемого объема шахтной атмосферы пучком инфракрасного излучения, регистрации интенсивности

45 прошедшего через контролируемый объе потока инфракрасного излучения 1П, на задании порогов и на сигнализаци опасной обстановки, отличающийся тем, что, с целью повы50 шения достоверности защиты, дополнительно регистрируют интенсивность рассеянного в направлении вперед по

ка инфракрасного излучения 1РЬ, пороги задают по допустимым концентра

55

циям метана С и пыли

СпдВ шахтной

атмосфере, дополнительно регистриру ют интенсивность прошедшего через чистый разреженный воздух потока ин фракрасного излучения 10 определяю

После этого начинается первый такт уже второго цикла измерений, который как и описанный состоит из двух тактов. Длительность одного цикла измерений составляет около 0,15 с. (по х 0,07 с. на каждый такт и около 0,01 с на переходные процессы и обработку сигналов).

По истечении 288000 тактов (или циклов, или 6 ч непрерывной работы) на выходе делителя частоты 2k на 288000 появляется импульс, под действием которого исполнительный

5 механизм 13 герметизирует контролируемый объем k и откачивает оттуда воздух, шаговый двигатель 10 ставит обтюратор 11 в показанное на фиг.1 и 2 положение, управляемый коммута0 тор 25 соединяет выход фотодиода 6 с входом второго блока 26 хранения- выборки, сбрасывается содержимое оперативного запоминающего устройства 28. После этого сигнал с фотодиода

оперативном запоминающем устройст- ве 28.

После этого снова начинается первый такт первого цикла измерений и все происходит снова в описанной по- следовательности.

Формула изобретения

1 Способ газовой защиты для угольных шахт, основанный на просвечивании контролируемого объема шахтной атмосферы пучком инфракрасного излучения, регистрации интенсивности

прошедшего через контролируемый объем потока инфракрасного излучения 1П, на задании порогов и на сигнализации опасной обстановки, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности защиты, дополнительно регистрируют интенсивность рассеянного в направлении вперед пото ка инфракрасного излучения 1РЬ, пороги задают по допустимым концентра

циям метана С и пыли

СпдВ шахтной

атмосфере, дополнительно регистрируют интенсивность прошедшего через чистый разреженный воздух потока инфракрасного излучения 10 определяют

и

значения концентраций пыли Сп и ме- - тана См,

Сп .Kpd) ,

см fte.d)-O.n i0- in in рТ-Рй (пкп) J

где d - толщина контролируемого объема ,

ielf 3Cn коэффициенты ослабления ин™

фракрасного излучения метаном и пылью; Кп градуировочный коэффициент,

сравнивают концентрации Сп и См с до15

пустимыми концентрациями Сп. и

СмД и

при превышении концентрациями пыли или метана допустимых концентраций

сигнализируют об опасной пылегазовой

Остановке в шахте.

2 Устройство газовой защиты для угольных шахт, содержащее пороговый блок,, к входу которого подключен за- датчик, а к выходу подключен сигнализатор, а также установленные друг против друга по разные стороны от контролируемого объема шахтной атмосферы толщиной d лазерный инфракрасный светодиод и инфракрасный фотодиод, отлича ющееся тем, что, с целью повышения достоверности защиты, оно снабжено одним неподвижным коллиматором, вращающимся обтюратором с двумя подвижными коллиматорами, пя , тыо задатчиками, блоком хранения-выборки, логарифматором, двумя блоками умножения, генератором импульсов, делителем частоты, управляемым коммутатором, цепью из последовательно соединенных второго блока хранения-выбор ки, второго логарифматора, оперативного запоминающего устройства, двух измерителей разности и измерителя отношений, а также цепью из последовательно соединенны- третьего блока хранения-выборки и трех измерителей отношенийs причем информационный вход управляемого коммутатора соединен с

10

™

15

20

5W+6812

выходом инфракрасного фотодиода, первый управляющий ,вход соединен с первым выходом генератора импульсов, второй управляющий вход соединен с вхо- дом оперативного запоминающего устройства и с выходом делителя частоты, вход которого соединен с вторым выходом генератора импульсов, а входы управляемого коммутатора соединены с входами блоков хранения-выборки, выход первого из которых соединен с вторым входом второго измерителя отношений, а выход третьего блока хранения-выборки через первый логарифма тор соединен с вторым входом первого измерителя разности, выходы первого и четвертого измерителей отношений соединены с вторым и третьим входами порогового блока, четвертый вход которого соединен с вторым за- датчиком, выход третьего измерителя отношений соединен с первым входом блока умножения, второй вход которого соединен с третьим задатчиком, а выход соединен с вторым входом второго измерителя разности, второй вход третьего измерителя отношений соединен с четвертым задатчиком, второй

OQ вход четвертого измерителя отношений соединен с пятым задатчиком и с первым входом второго блока умножения, второй вход которого соединен с шестым задатчиком, а выход соединен с вторым входом первого измерителя отношений, при этом неподвижный коллиматор выполнен расширяющимся и установлен у лазерного инфракрасного све- тодиода широкой стороной к инфракрасному фотодиоду, первый подвижный коллиматор выполнен сужающимся и установлен перед инфракрасным фотодиодом одной лопасти обтюратора узкой стороной к светодиоду, а второй подвижный коллиматор выполнен кольцевым и установлен на второй лопасти обтюратора „

25

35

40

45

J щщщ

§ /II 1

Ј H со «o

Q

Редактор Л„ Зайцева

Составитель И. Назаркина

Техред Л.Сердюкова Корректор М. Шароши

Заказ 126

Тираж 377

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 11J035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Ј

И

ча fe / /

Шь ът

Ci

Г

Ni

SI

€

Подписное