Способ автоматического контроля запыленности шахтной атмосферы Советский патент 1992 года по МПК G01N21/00 

Изобретение относится к горной автоматике, а именно к способам автоматического контроля запыленности шахтной атмосферы, и может быть использовано на угольных шахтах для контроля общей запыленности с целью управления вентиляцией и орошением и для контроля содержания компонентов пыли с целью определения ее силикозности для обеспечения безопасного труда шахтеров.

Известен способ контроля запыленности шахтной атмосферы, включающий взвешивание пылевого фильтра, установку пылевого фильтра в заборщик воздуха, пропускание через нулевой фильтр заданного объема щахтной атмосферы, извлечение из

заборщика воздуха пылевого фильтра и повторное его взвешивание и определение по результатам двух взвешиваний концентрации С пыли в шахтной атмосфере.

Недостатками известного способа являются низкая экспресность и необходимость применения ручного труда.

Известен способ автоматического контроля запыленности (дыма) шахтной атмосферы, предусматривающий просвечивание слоя шахтной атмосферы с фиксированной толщиной Е инфракрасным излучением, определение интенсивности li° излучения, прошедшего через контролируемый объем, просвечивание контролируемого объема бетта-излучением,определение интенсивности l2 бетта-излучения, прошедшего через контролируемый объем, и определение общей концентрации пыли С по разности интенсивности li° и 12°.

Недостатками известного способа являются низкая точность контроля, связанная с неодинаковыми в; ияниями угольной, известняковой и песчанниковой пыли на интенсивности li° и 12°, и невозможность раздельного определения содержаний угольной, известняковой и песчанниковой пыли в шахтной атмосфере, а также высокая сложность реализации способа.

Целью изобретения является повышение точности контроля запыленности шахтной атмосферы.

Поставленная цель достигается тем, что в способе автоматического контроля запыленности шахтной атмосферы, предусматривающем просвечивание слоя шахтной атмосферы с фиксированной толщиной Р излучением и определение интенсивности излучения, прошедшего через контролируемый объем, просвечивание контролируемого объема, осуществляют полихроматическим инфракрасным излучением, определяют интенсивности прошедшего через слой инфракрасного излучения в диапазонах длин волн 0,8-2 мкм И, 6,8-7,8 мкм 12 и 9,2-10,5 мкм 1з и по значениям ин.тенсивностей li, l2 и 1з судят о содержаниях известняковой, песчанниковой и угольной пыли в рудничной атмосфере.

Установлено, что наибольшую точность определения запыленности можно обеспечить при определении интенсивностей прошедшего инфракрасного излучения в трех диапазонах длин волн 0,8-2 мкм li, 6,8-7,8 мкм 12 и 9,2-10,5 мкм 1з, По интенсивностям И, 2 и 1з судят о содержаниях отдельных компонентов пыли в шахтной атмосфере.

На фиг. 1 показана функциональная схема устройства для реализации способа; на фиг. 2 - зависимости коэффициентов пропускания К инфракрасного излучения угольной, известняковой и песчанниковой пылью от длины волны А.

Устройство содержит полихроматический источник 1 инфракрасного излучения и симметрично расположенные (относительно пучка 2 инфракрасного излучения от источника 1) приемники инфракрасного излучения 3-5. На линиях источник - приемНИКИ перед приемниками 3-5 установлены фильтры 6-8 на длины волн соответственно 0,8-2, 6,8-7,8 и 9,2-10,5 мкм. Выходы приемников 3-5 через усилители 9-11 и логарифматоры 12-14 соединены с

информационными входами блока 15 решения системы трех линейных уравнений, к задающим входам которого подключены задатчики 16-27. Выход блока 15 решения системы трех линейных уравнений соединен с входом блока 28 индикации и регистрации.

Способ реализуется следующей последовательностью операций.

Просвечивают слой шахтной атмосферы с толщиной I от источника 1 излучения.

Определяют интенсивность И прошедшего через слой толщиной I инфракрасного излучения в диапазоне длин волн 0,82 мкм

fi 1о1 ехр - «ytCy - «nfCn - «ntCn 101 ехр -f( СуСу + «п Сп + «пСп) (1)

с помощью фильтра 6 и приемника 3.

Одновременно определяют интенсивность 2 прошедшего через объем толщиной t инфракрасного излучения в диапазоне длин волн 6,8-7,8 мкм

12 1о2 ехр -f( «уСу + 0;;Си + «пСп) (2)

с помощью фильтра 7 и приемника 4.

Одновременно определяют интенсивность 1з прошедшего через объем толщиной С инфракрасного излучения в диапазоне длин волн 9,2-10,5 мкм

13 1оз ехр -f( + + ) (3)

с помощью фильтра 8 и приемника излучения 5.

Решая систему уравнений (1), (2) и (3) (при измеренных значениях И, h и 1з, известном значении {и определенных в процессе градуировки значениях loi, 1о2, 1оз, «у, «у, «у, Ои, Ои , Ои, an, an, an) относительно концентраций угольной Су, известняковой Си и песчанниковой Сп пыли и общей концентрации пыли С Су + Си ++Сп, определяют из концентрации:

Су--(м-мЖ,)

f (n7o2.) Wn« « ctUP

((,)J-, Ся-- fnj i-cnJi)(c(;;d;-cA;;,;v

(гп 3o2- f i) nV

(п Ег71з)(ы;о((;;)3; f5)

CH 4Pfn7o7- l))H .)

- (fnC/oj- ()(o(yo(-o(yo( ,)-(еп7.з-гг7аз)Го(и;-о ;о(;); (6)

с г J , - гл3,)(о(

, ,ч . .

+ с.у с(„-с( ) (EnJo -2nJ2)fa;c( c(l,d n dydn-ct; o(; .с(;о(; га(;с( Е Дз)(о(уо1;/ ,|Г.1 ,11 ,)( ,/, / //l,l 1,г,1

-о(уО((„с(„-с(иО(). Ш

где 1о1,1о2 и 1оз- интенсивности прошедшего через контролируемый объем толщины инфракрасного излучения в диапазонах длин волн соответственно 0,8-2,0 и 6,8-7,8 и 9,2-10,5 мкм при нулевых концентрациях пыли Су Си Сп 0;

«у, «у и «у - линейные коэффициенты ослабления (в см инфракрасного излучения угольной пылью в диапазонах длин волн соответственно 0,8-2, 6,8-7,8 и 9,2-10,5 мкм;

Ои, Ой -линейные коэффициенты ослабления инфракрасного излучения известняковой пылью в диапазонах длин волн соответственно 0,8-2,0 и 6,8-7,8 и 9,210,5 мкм;

(Хп, ccnvt Gfn -линейные коэффициенты ослабления инфракрасного излучения песчанниковой пылью в диапазонах длин волн соответственно 0,8-2,0, 6,8-7,8 и 9, мкм.

Устройство работает следующим образом.

Поток инфракрасного излучения от источника 1 излучения направляется .на контролируемый объем шахтной атмосферы толщиной t

После прохождения через шахтную атмосферу инфракрасное излучение попадает на фильтры 6-8. Фильтр 6 пропускает инфракрасное излучение в диапазоне длин волн от 0,8 до 2,0 мкм, которое затем попадает на приемник 3. Приемник 3 излучения определяется интенсивностью li прошедшего через шахтную атмосферу потока инфракрасного излучения в диапазоне длин волн согласно формуле (1) 0,8-2,0 мкм. Аналогично приемник 4 излучения после фильтра 7 регистрирует поток прошедшего через атмосферу инфракрасного излучения в диапазоне длин волн 6,8-7,8 мкм интенсивностью 12 согласно формуле (2), Аналогично приемник 5 излучения после ф|лльтра 8 регистрирует интенсивность 1з согласно формуле (3), прошедшего через слой шахтной атмосферы той же толщины инфракрасного излучения в диапазоне длин волн 9,2-10,5 мкм.

Сигналы, пропорциональные интенсивностям И, 12 и 1з, с приемников 3-5 излучения усиливаются усилителями 9-11. Усиленные сигналы логарифмируются в логарифматор.ах 12-14 и полученные сигналы, пропорциональные Гп ti, tn l2 и Гп 1з, с логарифматоров подаются на информационные входы блока 15 решения системы трех линейных уравнений:.

Гп li Гп 1о1 - 1(ау Су + Ои Си + «п Сп) ; (8) Гп 12 fnlo2 - 1( Оу Су + ой Си + «пС) (9) Гп 1з fn 1оз -1( «уСу + ойСи + ) (10)

Чтобы из системы линейных уравнений (8), (9) и (10) однозначно определить искомые концентрации, необходимы не только значения fn li, fn (2 и fn 1з.на информационных входах блока 15, но нужны и значения tn loi, Сп 1о2, fn 1оз, %, огу, «у. Oil, аи ,«и, «п, сии двенадцать значений определяют в процессе градуировки устройства, например по методу наименьших квадратов (по методу максимального правдоподобия или иному), и заносят в задатчики соответственно 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 и 27. Блок 15 решает систему уравнений (8), (9) и (10) и согласно алгоритмам по формулам (4), (5) (6) и (7) определяет искомые концентрации Су, Си, Сп и С СУ+ Си + Сп. Сигналы о концентрациях с блока 15 поступают в блок 28, где индицируются и регистрируются непосредственно в единицах концентрации пыли...

Отметим при этом, что градуировку устройства для повышения точности целесообразно проводить в следующей последовательности. Помещают устройство в герметичную камеру с шахтной атмосферой среднего содержания компонентов (метана, угарного и углекислого газов, влаги и др.), среднего давлен1/)я и средней температуры, измеряют значения fn loi, Сп 1о2, fn 1оз сигналов на выходах логарифматоров 12-14 и заносят эти .значения в задатчики 16-18. Заполняют камеру угольной, известняковой и песчанниковой пылью, чтобы их концентрации в шахтной атмосфере в камере достигали средних значений Су, Си и Сп (для лавы, на которую градуируется устройство) и измеряют сигналы (п ii, tnb, fn 1з с логарифматоров 12-14. Увеличивают концентрацию угольной пыли в камере на ДСу Су - Су и измеряют сигналы fn li , fn 12 , fn 1з на выходах лог арифматоров 12-14. По сигналам fn i,,fn 2, fnls, tn li , fn l2 , fn 1з рассчитывают коэффициенты огу, «у,

fn Ti - En TI

.ЕЛСу ,

fn la - tn l2

(11)

fACy ;

fn 1з - fn 1з . EACv

Увеличивают концентрацию известняковой пыли в камере А Си Си - Си и измеряют сигналы fn Il, fn l2 , fn 1з на выходах логарифматоров 12-14. По сигналам En И , fn l2 , fn 1з , fn 1i, En 2 , fn 1з рассчитывают коэффициенты ослабления инфракрасного излучения известняковой пылью. Полученные значения коэффициентов ослабления «у, ау, Оу, Ои, cui, ей заносят в за датчики 19-24. Увеличивают концентрацию песчанниковой пыли на А Сп от Сп до Сп ; АСп Сп - Сп в камере и измеряют сигналы En li. En la, En 1з на выходах логарифматоров 12-14. Рассчитывают значения коэффициентов ослабления инфракрасного излучения песчанниковой пылью:

а . е

Еп 11 - Еп 11

ЕАСп fn l2 -Pnl2

(12)

fn 1з - Pn 1з fACn

и заносят полученные значения в задатчики 25-27. Как показала практика, наиболее целесообразно изменять концентрации пыли в камере А Су, А Си и АСп на 1/4 диапазона измерения концентрации соответствующей пыли.

Пример выполнения устройства. В качестве источника 1 применен глобар с температурой нагрева 600°С и модулятором инфракрасного излучения с частотой 18 Гц. В качестве фильтров 6-8 применены интерференционные фильтры на диапазоны пропускания соответственно 0,8-2,0, 6,8-7,8 и 9,2-10,5 мкм. В качестве приемников 3-5 применены полупроводниковые болометры, В качестве логарифматоров 12-14 применены плоскостные диоды.В качестве задатчиков 16-27 применены источники регулируемого постоянного напряжения. Усилители 9-11 выполнены на аналоговых микросхемах. Блок 15 выполнен на аналоговых микросхемах с интеграторами сигналов Еп И, fn 12 и Еп 1з на информационных входах. Погрешйость измерения концентраций Су, Си, Сп, С не превышает 5 отн.% при быстродействии не более 1 с и толщине Е 250 мм.

Обоснование диапазонов длин волн 0,8-2,0, 6,8-7,8 и 9,2-10,5 мкм проводилось на основании показанных на фиг. 2 экспериментальных зависимостей К f(A). Видно, что при 0,8 AAi 2,0 мкм коэффициенты пропускания Кп Ки, Ку 0,14 К; при 6,8 мкм AAi 7,8 мкм К Кп; Кк 0,1 Ку, при 9,2 мкм : AA.J, 10,5 мкм Ку « я Ки и Кп 0,11 Ку. Таким образом, в каждом из трех диапазонов длин волн два коэффициента пропускания близки между собой и существенно отличаются от третьего коэффициента. Это обеспечивает наиболее близкую к единичной обусловленность системы уравнений (8), (9) и (10), что приводит к наименьшей погрешности определения концентраций Су, Си, Сп, С Су + Си + СпДля определения технико-экономиче0 cкoй эффективности изобретения в качестве базового объекта примем принятый на шахтах способ определения запыленности шахтной атмосферы, основанный на пропускании заданного объема шахтной атмосферы через пылевой фильтр и взвешивании осевшей пыли. Техническими преимуществами изобретения по сравнению с базовым объектом являются: увеличена экспрессность (в базовом объекте время из0. мерения составляет около 5 мин, в изобретении - 1 с); повышена точность (в базовом объекте относительная погрешность измерения составляет 10%, в изобретении-ме нее 5%): расширены функциональные

5 возможности (в базовом объекте определяется лишь количество всей пыли С, в изобретении дополнительно определяются концентрации Су, Си и Сп); устранен ручной труд (в базовом объекте взвешивание

0 фильтра, заборщик воздуха, забор воздуха, извлечение фильтра, его повторное взвешивание и расчет суммарной концентрации С Производится вручную). За счет только последних двух технических преимуществ изобретение позволяет улучшить условия труда шахтеров и дает социальный эффект (путем определения Су, Си и Сп и исключения ручного труда) и за счет удешевления контроля дает экономический эф0 фект.

Формулаизобретения Способ автоматического контроля запыленности шахтной атмосферы, включающий просвечивание слоя шахтной

5 атмосферы фиксированной толщины излучением и измерение интенсивностей прошедшего излучения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности контроля запыленности шахтной атмосферы,

просве ивание слоя осуществляют источником полихроматического инфракрасного излучения, при этом измеряют интенсивности прошедшего через слой излучения в следующих спектральных диапазонах: 0,8-2; 6,87,8 и 9,2-10,5 мкм и по прлученным значениям интенсивностей судят о содержании известняковой, песчанниковой и угольной пыли в шахтной атмосфере.

Изобретение относится к способам определения концентрации пыли и может быть использовано как для контроля общейзапыленности атмосферы на угольных шахтах, так и для контроля за концентрацией отдельных компонентов пыли. Целью изобретения является повышение точности контроля запыленности шахтной атмосферы. Указанная цель достигается тем, что в трехканальном спектрометрическом пылемере измерение прошедшего через слой шахтной атмосферы излучения проводят в следующих спектральных диапазонах: 0,8-2 мкм, 6,8-7,8 мкм и 9,2-10,5 мкм. Подобный выбор спектральных диапазонов позволяет достичь близкой к единице обусловленности системы трех линейных уравнений,,связывающих интенсивности излучения, подающего на слой шахтной атмосферы фиксированной толщины и излучения, прошедшего через этот слой в указанных диапазонах. Этим повышается точность решения системы относительно искомых концентраций. 2 ил.

cpuai