Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния газовой защиты на угольных шахтах и других объектах промышленности . Пути повышения ее эффективности Задачи и методика исследований . 12
1.1 Причины воспламенения метана и пути их предупреждения Аппаратура и методы борьбы с метаном в шахтах. 12
1.2 . Анализ существующих способов и средств контроля работоспособности средств автоматического контроля метана , 25
1.3 Цель задачи и методика исследований. 33
2. Разработка метода автоматического метрологического контроля и коррекции чувствительности стационарных датчиков метана . 35
2.1 Перспективные пути развития аппаратуры контроля метана. 35
2.2 Исследование термокаталитического датчика метана, работающего в динамическом режиме. ( составление математической модели) 47
3. Разработка методик и алгоритмов определения величины мультипликативной составляющей погрешности измерения и коррекции показаний термокаталитического датчика метана. Экспериментальная проверка полученных результатов . 66
3.1 Методика определения величины мультипликативной составляющей основной погрешности измерения и проведения коррекции показаний термокаталитичекого датчика метана, использующая вычисление постоянной времени переходного процесса. 69
3.2 Методика определения величины мультипликативной составляющей основной погрешности измерения и проведения коррекции показаний термокаталитичекого датчика метана, без определения постоянной времени переходного процесса . 79
3.3 Математическая обработка данных полученных в результате экспериментов. 86
3.4 Ограничения по применению разработанных методик. 90
3.5 Разработка алгоритма проведения измерения , метрологического контроля и коррекции показаний метанометра, разработка функциональной схемы прибора реализующего алгоритм. 92
4. Анализ причин, приводящих к ухудшению работоспособности датчиков метана, эксплуатируемых в горных условиях . 101
4.1 Влияние увлажненной угольной и породной пыли на работу термокаталитического датчика метана. 102
4.2 Воздействие отравляющих примесей (каталитических ядов), содержащихся в рудничной атмосфере, на работу термокаталитического датчика метана . 105
4.3 Влияние среды содержащей высокие концентрации метана на работоспособность термокаталитического датчика метана. 106
4.4 Анализ преднамеренных нарушений работоспособности аппаратуры газовой защиты. 115
5. Обоснование частоты проведения контроля и уровня изменения чувствительности элемента необходимого для проведения коррекции . 118
Заключение. 122
Библиография 125
- Анализ существующих способов и средств контроля работоспособности средств автоматического контроля метана
- Исследование термокаталитического датчика метана, работающего в динамическом режиме. ( составление математической модели)
- Методика определения величины мультипликативной составляющей основной погрешности измерения и проведения коррекции показаний термокаталитичекого датчика метана, без определения постоянной времени переходного процесса
- Воздействие отравляющих примесей (каталитических ядов), содержащихся в рудничной атмосфере, на работу термокаталитического датчика метана
Введение к работе
В настоящее время в России эксплуатируется около 100 шахт
признанных опасными по выделению метана. Участившиеся за
последние годы серьезные аварии, повлекшие гибель шахтеров,
говорят о том, что оборудование, обеспечивающее безопасность работ
на этих шахтах, либо морально устарело, либо просто физически
изношено. Это обусловлено тем, что большое количество заводов и
производств шахтной автоматики осталось на территории государств,
входивших в состав бывшего СССР, а оставшиеся в России
испытывают серьезные экономические трудности, Поскольку
оснащение шахт импортным оборудованием - чрезвычайно дорогостоящая задача, особую актуальность приобретают разработки и решения, позволяющие достигнуть мирового уровня безопасности с помощью отечественной аппаратуры.
Одним из инструментов инженерно-технического контроля за
содержанием метана в шахтной атмосфере являются интерферометры
типа ШИ-3 , ШИ-5, ШИ-10, ШИ-11, ШИ-12 (Чурилов А.А., Центарский
И.А, Роут Г.Н., Глазов Д.Д ,1993, с.177), основанные на оптическом
принципе действия. Действительно, приборы этого класса имеют ряд
достоинств: при эксплуатации нет необходимости в частой калибровке
прибора, удобный диапазон измерений - от 0 % до 6% объемных долей
метана (перекрывается нижний предел взрываемости
метановоздушных смесей), а при концентрациях, превышающих 6% объемной доли метана, интерферометры показывают так называемую "белую шкалу", что позволяет применять их не только в забоях и выработках, но и в куполах, пазухах и других местах скопления метана.
Основными же недостатками этой аппаратуры являются сравнительно крупные габариты и масса, субъективность зрительной
оценки показании, (интерфереционная картинка требует стабильного хорошего зрения), а также необходимость принудительной подачи анализируемых газовых смесей к прибору с помощью специальных пробоотборников. Оптические приборы требуют применения специальных фильтров для удаления из проб угольной пыли и прочих не измеряемых газовых компонентов, так как они пригодны только для анализа бинарных смесей, что неприемлемо для многих отраслей промышленности.
Все эти недостатки привели к тому, что для непрерывного контроля содержания метана в горных выработках угольных шахт, в атмосфере зданий и сооружений, связанных с добычей, транспортированием и использованием природного газа, а также в нефтяной, нефтеперерабатывающей, химической и других отраслях промышленности, где в процессе производства возможно появление и скопление горючих газов и паров, наибольшее распространение получили газоанализаторы метана и других горючих газов и паров, основанные на термокаталитическом принципе с диффузионным подводом анализируемой газовой смеси и использованием чувствительных элементов пелисторного типа.
Широкому распространению термокаталитических метанометров и газоанализаторов горючих газов и паров диффузионного типа с пелисторными чувствительными элементами способствовали простота конструкции датчика; высокая чувствительность и селективность к горючим газам и парам; возможность определения взрывоопасности среды, включающей сумму горючих газов и паров; малое потребление электрической энергии, простота обслуживания, более низкая стоимость по сравнению с приборами, основанными на других принципах действия.
Масштабность применения только шахтных термокаталитических метанометров может быть проиллюстрирована на примере угольной
промышленности быв. СССР, где на 400 угольных шахтах, опасных по газу и пыли, постоянно в эксплуатации находилось более 25000 стационарных метанометров, около 80000 портативных переносных метанометров и более 160000 индивидуальных метанометров, встроенных в фару головных светильников (в среднем на каждой шахте эксплуатируется порядка 60-70 стационарных метанометров, около 200 портативных и 400 индивидуальных метанометров). Примерно такое же распространение получили шахтные метанометры построенные на термокаталитическом принципе во всех странах с развитой угольной промышленностью (Китай, Япония, США, Великобритания, ЮАР, Индия, Австралия, Польша и др.).
Наряду со многими преимуществами термокаталитических датчиков - они обладают также и рядом недостатков, связанных как с несовершенством технологий изготовления идентичных по своим характеристикам чувствительных элементов, так и неодинаковостью последующего поведения этих элементов во времени - одни более подвержены старению и постепенной потере чувствительности, другие при тех же условиях эксплуатации более стойки и сохраняют первоначальное значение чувствительности значительно дольше.
Другой недостаток, присущий в большей или меньшей степени всем катализаторам, связан с подверженностью их отравлениям и частичной или полной потере чувствительности при работе в атмосфере, содержащей "каталитические яды" (пары различных силиконовых соединений, сероводород, другие сернистые соединения и пр.). Так как в большинстве термокаталитических газоанализаторов используются мостовые измерительные схемы, то еще одним недостатком является "дрейф нуля".
Вследствие указанных недостатков, термокаталитические метанометры в процессе эксплуатации требуют достаточно частой периодической метрологической поверки, в процессе которой
определяется аддитивная погрешность, обусловленная дрейфом "нуля и мультипликативная погрешность, появляющаяся в результате изменения чувствительности (как правило, её снижения).
При превышении нормативных значений погрешностей производится соответствующая корректировка показаний. Процедура метрологической поверки, особенно для шахтных стационарных метанометров, достаточно трудоемка, связана с продувкой реакционной камеры датчиков стандартной поверочной газовой смесью (ПГС) и чистым воздухом, доставляемых к месту установки стационарных датчиков в специальных баллончиках или кислородных подушках. Все операции по метрологической поверке выполняются обслуживающим персоналом вручную, что приводит к значительным затратам рабочего времени, связанным с хождением по горным выработкам, протяженность которых в среднем на шахте составляет 50-60 км и проведением самой процедуры поверки. Следует также отметить, что калибровка с помощью ПГС требует дополнительных денежных затрат на приобретение соответствующего оборудования (баллончики, редукторы, кислородные подушки), периодическое заполнение баллончиков поверочными газовыми смесями и транспортировку их к пунктам централизованного приготовления ПГС.
На каждой шахте численность персонала, обслуживающего системы контроля рудничной атмосферы составляет 10-20 человек. Удельный вес стационарных метанометров в этих системах достаточно высок и, как правило, составляет 60^-80%. На поверочные операции задалживаеся не менее 50% рабочего времени обслуживающего персонала.
Поэтому весьма актуальной является задача автоматизации контроля за чувствительностью датчиков стационарных шахтных метанометров , а также проведения автоматической коррекции их показаний , что позволило бы избежать дорогостоящих и трудоемких
поверочных операций, исключить присутствие и участие в процедуре поверки обслуживающего персонала, что в свою очередь, во-первых исключает субъективный фактор, во-вторых высвобождает часть обслуживающего персонала, создавая значительный экономический эффект.
Попытки решить эту проблему неоднократно предпринимались во всех угледобывающих странах. К ним можно отнести такие разработки как: предлагаемый американской фирмой MSA вариант дистанционной калибровки аппаратуры, основанный на использовании размещенных в месте установки датчиков баллончиков с ПГС и чистым воздухом; разработанный в ИҐД им. Скочинского в 80-е годы метод дистанционной комплексной проверки термокаталитического датчика, включающий определение погрешности измерения концентрации метана и отклонения нуля датчика с использованием метана, содержащегося в анализируемой атмосфере и т.п..
Однако ни один из перечисленных путей не решал проблему полностью, а по ряду технических и организационных причин серийное производство подобной аппаратуры не производилось.
Целью диссертационной работы является разработка метода автоматического метрологического контроля выходного сигнала термокаталитического датчика метана, включающая обоснование и выбор параметров и режимов работы, обеспечивающих реализацию метода. А также разработка способа автоматической коррекции выходного сигнала термокаталитического датчика шахтных метанометров, не требующего применения стандартных поверочных газовых смесей ( ПГС) и чистого воздуха.
Другой целью является разработка алгоритма,
регламентирующего реализацию указанного метода с помощью современных средств микропроцессорной техники.
Идея работы состоит в отказе от классической оценки выходного
сигнала по его абсолютной величине и переход на измерение разницы
сигналов в двух разнесенных по времени точках переходного процесса
частичного выгорания метана на чувствительном элементе в
реакционной камере датчика с ограниченным диффузионным доступом
анализируемой метановоздушной смеси. Переход от статического
метода измерения к динамическому позволяет не только судить о
величине выходного сигнала, но и по характеристикам переходного
процесса оценить качественно и количественно изменение
чувствительности датчика, определить погрешность измерений и провести автоматическую коррекцию выходного сигнала, если значение погрешности превышает нормативное значение.
Методы исследований: аналитическое обобщение
литературных и фондовых материалов, составление, решение и анализ дифференциальных уравнений математической модели газового баланса в реакционной камере, компьютерное моделирование, опытное физическое моделирование в лабораторных условиях.
Научные положения , защищаемые в работе:
метод автоматического метрологического контроля и коррекции выходного сигнала термокаталитического датчика метана шахтных метанометров, позволяющий непрерывно отслеживать погрешность измерений и провести автоматическую коррекцию выходного сигнала, если значение погрешности превышает нормативное значение;
выбранные и научно обоснованные параметры
термокаталитического датчика и режимы его работы, обеспечивающие реализацию метода метрологического контроля и коррекции показаний чувствительного элемента без применения стандартных ПГС и чистого воздуха;
математическая модель датчика метана с ограниченным доступом метано-воздушной смеси в реакционную камеру;
алгоритм метода автоматического метрологического контроля и коррекции показаний датчика метана, находящегося в метано-воздушной смеси любой концентрации в пределах диапазона измерений, регламентирующий реализацию метода с помощью современных средств микропроцессорной техники;
экспериментальный компьютерно-аппаратный образец шахтного метанометра, реализующий предложенный алгоритм контроля и автоматической коррекции показаний датчика метана, находящегося в метано-воздушной смеси любой концентрации в пределах диапазона измерений.
Достоверность научных положений обоснована сходимостью результатов аналитических и экспериментальных исследований, проведенных на лабораторных макетах .
Научная новизна. Впервые предложен метод получения информации о работоспособности и точности показаний датчика метана непосредственно во время измерения, с помощью метана, содержащегося в рудничной атмосфере, исключающий применение ПГС, чистого воздуха и каких - либо тестовых воздействий; установлена взаимосвязь между параметрами переходного процесса газообмена в реакционной камере, соединенной с атмосферой калиброванным эквивалентным отверстием, и чувствительностью датчика; разработан алгоритм коррекции выходного сигнала датчика, позволяющий определить истинную концентрацию метана в момент измерения.
Практическая ценность. Применение предложенного метода автоматического метрологического контроля и коррекции позволяет повысить надежность работы термокаталитических датчиков метана, за счет увеличения частоты поверочных операций, повышения точности показаний, исключения ручного труда и связанного с ним субъективного фактора при поверочных и регулировочных работах, сократив при этом численность обслуживающего персонала.
Реализация работы. Положения работы использовались при
создании лабораторного компьютерно-аппаратного макета
термокаталитического датчика метана с непрерывным контролем и коррекцией чувствительности.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались
и получили положительную оценку на XIV научно технической
конференции с участием зарубежных специалистов «датчики и
преобразователи информации и систем измерения, контроля и
управления - датчик-2000» , на научном семинаре отделения
рудничной аэрологии и борьбы с внезапными выбросами ИГД им. А.А. Скоч и некого.
Публикации. По результатам выполненых исследований
опубликованно 5 статей, получено положительное решение
Федерального Института Промышленной собственности (ФИПС) от 13 января 2003 года на выдачу патента РФ по заявке № 2001124017/28 (026100).
Анализ существующих способов и средств контроля работоспособности средств автоматического контроля метана
Как уже указывалось выше , основными приборами газового контроля на шахтах России и за рубежом являются термокаталитические метанометры и шахтные интерферометры , поэтому существующие методы и средства контроля и работоспособности средств АКМ ориентированы именно на эти типы аппаратуры.
Применение оптических приборов как стационарной аппаратуры контроля содержания метана или для построения систем АКМ затруднено следующими причинами: - прецизионность конструкций оптико-механических систем и сложность их обслуживания, ремонта и замены в шахтных условиях; - отсутствие эксплозиметрических возможностей; высокая себестоимость. В связи с этим, для создания стационарных метанометров и систем АКМ в России и за рубежом используется аппаратура, основанная на термокаталитическом (термохимическом) принципе действия, обеспечивающем простоту конструкции датчика метана, малые габариты и низкую стоимость.
Все термокаталитические метанометры в условиях эксплуатации поверяются несколькими способами: методом сличения с показаниями выверенного контрольного прибора; с помощью поверочных газовых смесей (ПГС); с использованием испытательных поверочных камер. (Карпов Е.Ф., Биренберг И.Э., Басовский Б.И.,1984, 177с.)
Метод сличения с показаниями выверенного контрольного прибора на практике применяется главным образом для контроля правильности показаний датчиков стационарных метанометров , Этот метод очень прост в реализации , а его достоверность целиком и полностью зависит от точности контрольного прибора.
Метод, основанный на поверке датчиков с помощью ПГС, применяется при регулировке всех типов метанометров в процессе эксплуатации, выпуска и ремонта приборов.
Метод с использованием испытательных поверочных камер получил наибольшее распространение в процессе выпуска и ремонта . В испытательных камерах поверяются все типы метанометров . Эксплуатация на шахтах систем АКМ как правило, требует применения комбинации всех трех методов проверки работоспособности аппаратуры. Например, при эксплуатации аппаратуры АМТ- 3, согласно требованиям завода изготовителя, (Инструкция по эксплуатации АМТ-3 , 1971г.) для полного обеспечения ее функций, исправной и надежной работы на шахте должны выполняться следующие регулярные работы: ежесуточная проверка правильности показаний датчиков метана ДМТ-3 , аппаратов сигнализации и самопишущих приборов на стойках приема телесигналов с помощью интерферометров Ши-3, Ши-10, срабатывания световой и звуковой сигнализации; ежемесячная проверка точности показаний и срабатывания световой и звуковой сигнализации с помощью контрольных смесей или ПГС.
Технический прогресс существенно видоизменил средства аэрогазового контроля , но мало коснулся способов поверки аппаратуры.
Приведем выдержку из «Дополнения к временному руководству по образованию и эксплуатации систем аэрогазового контроля в угольных шахтах с учетом системы контроля окружающей среды («СКОС») фирмы Трансмитон ». (Шилов ВИ. Колосюк В. П. Муранов Б. А. Смирнов О.В. ШатилоА.Н. , 1997 , с20)
При ежесуточной проверке , в ремонтную смену производятся следующие работы: Внешний осмотр оборудования и кабельных линий с целью выявления нарушений целостности корпусов датчиков , кабелей .надежности их присоединения , заземления .наличия пломб, правильности расположения датчиков в выработке;
Проверку правильности показаний концентрации метана дисплеем датчика путем сверки с показаниями интерферометра или автоматического переносного прибора в месте установки При поверке разница показаний не должна превышать погрешностей допустимых технической характеристикой, в противном случае датчик с дисплеем должны быть подвергнуты внеочередной проверке контрольными метано-воздушными смесями и регулировке или замене; Проверку действия сигнализации и выдачи команд на отключение отдатчика метана;
При ежемесячной проверке правильности показаний датчика метана, действие сигнализации и срабатывание на отключение электроэнергии осуществляется его продувкой метано-воздушной смесью через специальную накладку. Вначале слесарем по обслуживанию подается воздух , набранный в кислородную подушку , и при необходимости корректируется «ноль». Затем камера датчика продувается контрольной смесью с концентрацией метана , соответствующей проверяемой уставке срабатывания , но не более чем на 0.3% превышающей ее. Вышеуказанная проверка может проводиться с помощью поверочных газовых смесей (ПГС).
Видно , что несмотря на более чем двадцатилетний интервал, различия в правилах поверки АМТ-3 и современной системы «СКОС» незначительны. Так, например, методика приготовления контрольных метановоздушных смесей в резиновых подушках вообще не претерпела изменений. ( Бабокин И.А., Вильчицкий В В , Костарев А.П. и др., 1978 , с,449)
Несколько лучше сложилась ситуация с приборным парком службы ВТБ. Здесь по прежнему эксплуатируются интерферометры ШИ-10, ШИ - 11 , хотя на смену им на многих шахтах в середине 90-х внедрены переносные метанометры МЕД-01 и МСТ-01, использующие термокаталитический принцип измерения, в качестве испытательных поверочных камер применяется камера «КИМ».
Исследование термокаталитического датчика метана, работающего в динамическом режиме. ( составление математической модели)
Одним из наиболее перспективных направлений в решении задач, связанных с измерением объемных долей метана в воздушной среде в диапазоне 0-5% , является термокаталитический (термохимический) принцип газового анализа с использованием чувствительных элементов (первичных преобразователей), работающих в динамическом режиме. В предыдущей главе сказано, что метод снятия информации при работе чувствительного элемента в динамическом режиме имеет ряд существенных преимуществ по сравнению со статическим съемом информации в установившемся режиме. Здесь и выигрыш по энергопотреблению и отсутствие дрейфа 0 и улучшение метрологических характеристик чувствительных элементов и построенных на их базе датчиков метана. Реализация динамического режима работы датчика осуществляется путем импульсного питания чувствительного элемента, размещенного в реакционной камере с ограниченным доступом диффузионного потока анализируемой метано-воздушной смеси через газообменный фильтр, калиброванное отверстие, капилляр и тому подобные средства и приемы ограничения доступа. Импульс тока (напряжения) нагревателя чувствительного элемента, в течение которого производится нагрев до рабочей температуры, выгорания метана и снятия информации, чередуется с паузой, в течение которой при снятом импульсе тока (напряжения) происходит выравнивание концентраций метана между анализируемой атмосферой и реакционной камерой, в которой во время импульса часть метана выгорает.
После установления газового равновесия цикл завершается, на чувствительный элемент вновь подается импульс, и начинается очередной цикл. Этот раздел посвящен теоретической и экспериментальной оценке характера протекания во времени процесса диффузии анализируемой смеси через калиброванное отверстие в стенке реакционной камеры и процесса окисления метана на чувствительном элементе. На основании этой оценки даны рекомендации по выбору параметров термокаталитических датчиков, работающих в динамическом режиме. Сначала рассмотрим характер изменения во времени dt концентрации метана dCk в реакционной камере за счет выгорания (окисления) метана на чувствительном элементе в форме пологого цилиндра, внутренняя поверхность которого каталитически активна. Диффузионный поток во внутренний канал осуществляется с обеих сторон канала, Для такого случая дифференциальное уравнение имеет вид: где Ck - концентрация метана в реакционной камере, в мольных долях, - концентрация метана в середине канала, в мольных долях, - коэффициент диффузии метана при определяющей температуре - площадь сечения внутреннего канала чувствительного элемента, - длина внутреннего канала чувствительного элемента, м - коэффициент эффективной внутренней поверхности чувствительного элемента, V - объем реакционной камеры, м3. Для определения характера изменения во времени dt концентрации метана dCk в реационной камере за счет диффузионного поступления в нее из анализируемой атмосферы метано-воздушной смеси через калиброванное отверстие в стенке камеры, составим дифференциальное уравнение: где Д - коэффициент диффузии метана в воздухе, м2/с, Fo - площадь сечения калиброванного отверстия, м2 Lo - длина канала калиброванного отверстия (толщина стенки камеры), (Са- Ск) - градиент концентраций, обеспечивающий диффузионный поток через калиброванное отверстие, в мольных долях.
Методика определения величины мультипликативной составляющей основной погрешности измерения и проведения коррекции показаний термокаталитичекого датчика метана, без определения постоянной времени переходного процесса
Также как и в полном варианте выбирается время t 1 и определяется время t2, при U2 = 0.9 U1: фиксируется время At = tgi , замеряется выходной разностный сигнал AU=U1-U2 пропорциональный концентрации метана. В последующем, при проведении циклических измерений при том же значении t-i определяют новое U 1f после чего непрерывно отслеживают значение выходного сигнала до достижения U 2 = 0.9 US в момент t 2. Записывается значение U"2 в момент t2 . Если t 2 совпадает с 12, коррекция не проводится, и выходной разностный сигнал вычисляется как: Если же t 2 не совпадает с t2,, то вычисляется: нескорректированный разностный выходной сигнал: Величину вносимой коррекции определим как отношение: At / а скорректированный разностный выходной сигнал как Реальная концентрация метана определяется: Кпр - коэффициент преобразования, равный удельной чувствительности эталонного датчика. Эксперимент. См. рис. 3.3 и таблицу 3.1 . Для концентрации 1.02% СН4 (S1- нормальная чувствительность , S2 - отравление силиконом ). До отравления(при градуировке): =1000мс , t2=1220MC , At=220MC, AU=0.01025B. После отравления: t!=1000MC , t 2=1300MC , Дґ=300мс согласно (3.5), коррекционное отношение нескорректированный разностный выходной сигнал элемента скорректированный разностный выходной сигнал Показания чувствительного элемента при этой концентрации до отравления составляли 0.01025, таким образом погрешность проведенной коррекции составила 0.26%, что аналогично коррекции проведенной с помощью вычисления постоянной времени переходного процесса .
Для того , чтобы убедится в отсутствии зависимости проводимой коррекции от величины концентрации метана, проведем аналогичный расчет при 2.48% СН4. См. рис.3.3 и таблицу 3.1 (S3- нормальная чувствительность , S4 - после отравления силиконом ). До отравления(при градуировке): После отравления: =1000мс , 1 2=1300мс , отношение разностный выходной сигнал элемента ди,=и1-и,2= 0.2 - 0.182 = 0.0180В. скорректированный разностный выходной сигнал Показания чувствительного элемента при этой концентрации до отравления составляли 0.0245, таким образом погрешность проведенной коррекции составила 1.029%, что немного больше коррекции, проведенной с помощью вычисления постоянной времени переходного процесса . На основании изложенного, методика определения действительного значения концентрации метана С по измереннному ДІГ - как разницы сигналов в двух фиксированных во времени точках кривой выгорания , без вычисления постоянной времени .будет иметь вид: 1.1 Выбирается эталонный датчик .обладающий средней для своего типа чувствительностью ( для выбранного типа чувствительного элемента 25мв на 1 % СН4 в мостовой схеме). Датчик помещается в стандартную реакционную камеру, соединенную с атмосферой калиброванным отверстием, Снимается кривая выгорания, и выбирается t1 ( В начале зоны диффузионной релаксации ), . 1.2 Замеряется 1 в момент времени t1. 1.3 Замеряется время Х2 , исходя из требований U2 =0.9 Ui 1.4 Вычисляется Кпр=(и1-и2)/ПГС -удельная чувствительность. 1.5 Вычисляется At = t2—t-,, заносится в память. 1.6 Значение времен t1 , t2 и постоянной времени заносятся в память прибора, и не изменяются в течение всего срока эксплуатации. 2. Проведение измерений метрологического контроля и коррекции. Сразу после включения прибора, первые 10 циклов измерения на дисплей или экран выводится слово «Тест». Измерения, метрологический контроль и коррекция не производятся, так как в это время проходит термостабилизация датчика.
Воздействие отравляющих примесей (каталитических ядов), содержащихся в рудничной атмосфере, на работу термокаталитического датчика метана
Как известно, работа термокаталитического датчика метана основана на окислении на его поверхности метана содержащегося в рудничной атмосфере. Чем большее количество метана окислится на поверхности катализатора в единицу времени, тем больше будет выходной сигнал. Величиной характеризующей каталитическую активность датчика метана, является удельная производительность у.
Анализируя уравнения (2.4) и (2.13) приходим к выводу , что единственным параметром математической модели , который может изменится (уменьшиться) под воздействием каталитических ядов, является кэ - коэффициент эффективной внутренней поверхности чувствительного элемента, характеризующий удельную каталитическую активность у и входящий в коэффициент А. Возникающая при этом погрешность измерения носит мультипликативный характер .
Рассмотрев уравнение (2,13) с точки зрения входящих в него величин, можно сделать вывод аналогичный полученному в предыдущей главе, что коррекция выходного сигнала в основу которой будет положена компенсация разницы во времени выгорания (постоянной времени выгорания ) , будет полностью нивелировать возникающие в результате изменения каталитической активности искажения.
Термокаталитические датчики метана как в отечественных, так и зарубежных шахтных метанометрах используются для измерения довзрывных концентраций метана. Однако, в аварийных ситуациях, возможны случаи длительного (несколько часов) пребывания датчика в среде с повышенной концентрацией метана (до 50 об. % СН4 и более).
Как показывает опыт эксплуатации стационарных датчиков газоаналитической аппаратуры АМТ-3 и комплекса "Метан", после длительного пребывания датчика в концентрациях метана, превышающих стехе о метрическое соотношение между кислородом воздуха и метаном ( 9,1 об.% СНД датчик метана теряет частично свою чувствительность за счет зауглероживания каталитически активной поверхности.
Параметрически этот эффект аналогичен отравлению катализатора рассмотренному в предыдущем разделе, однако имеет ряд специфических особенностей. В мостовых измерительных схемах наблюдается двузначность показаний и опрокидывание сигнала (например, в АМТ-3), когда окисление горючих составляющих происходит не только на рабочем, но и на сравнительном чувствительном элементе. При этом выделение тепла за счет окисления на сравнительном элементе превышает таковое на рабочем и сигнал мостовой измерительной схемы меняет свой знак.
В этом разделе анализировались физико-химические явления, происходящие в термокаталитическом датчике при попадании его в среду высоких концентрации СН4 , проведена экспериментальная оценка характера изменения выходного сигнала для реальных конструкций и разработаны рекомендации по методам защиты датчика от зауглероживания каталитически активной поверхности .
Механизм гетерогенного каталитического окисления метана в воздухе носит сложный характер и зависит от соотношения метана и кислорода в газовой смеси.
В общем случае, при увеличении метана от 0 до практически 100 об.% СН4 в метано-воздушной смеси и соответственно уменьшении кислорода от 20,9 об.% 02 до долей об.% 02, на поверхности катализатора имеют место следующие реакции :( Карпов ЕЕ. Сучков А.А., 2000, с118) а) для стехиометрических смесей метана с воздухом, когда кислорода достаточно для полного (глубокого) окисления метана: осуществляется по уравнению (4.1) с выделением тепла пропорционального концентрации метана.
По мере снижения содержания кислорода и нарушения стехиометрического соотношения в действие вступает механизм соответствующий реакциям (4.2-4.9) с выделением СО, Н2, С(сажи) последняя образует на поверхности каталитического элемента "коксик", который блокирует активные центры и снижает чувствительность датчика.
Многолетний опыт эксплуатации АМТ-3 (Карпов Е.Ф. Басовский Б.И.,1994, с. 126) и неоднократные проверки датчиков в лабораторных условиях при высоких концентрациях СН4 (10 -100 об. %), подтвердили механизм окисления в соответствии с уравнениями (4.2-4.9) с образованием Н2, СО, С(сажи) по косвенным показателям: -образование сажи по появлению на поверхности катализатора «коксика» и снижению чувствительности, вследствие блокирования активных центров; -выделение Н2 и СО по реакции их окисления на сравнительном элементе и снижению температуры на рабочем элементе, так как преобладающая при высоких концентрациях СН4 реакция (4.4) идет с поглощением тепла (-44 кДж/моль).
Окисление СО и Н2 на сравнительном элементе датчика АМТ-3 объясняется наличием на поверхности элемента компактной платины (нагреватель), на которой при рабочих температурах 360-500С метан не окисляется, а для окисления СО и Н2 этой температуры вполне достаточно. В приборах с точечными чувствительными элементами (пелисторами), в которых платиновая нагревная спираль замурована в тело элемента, незначительный эффект опрокидывания наблюдается при концентрациях близких к 100 об.% СН4, но не за счет горения Н2 и СО на сравнительном элементе, а вследствие эндотермичности реакции (4.4) и небольшой разницы в теплоотводе рабочего и сравнительного элементов (рис. 4.2). ( Карпов Е.Е. ,2001, с.215)
Как отмечалось выше, при работе датчика в статическом режиме в метано-воздушной смеси высокой концентрации он постепенно теряет чувствительность вследствие зауглероживания. Характер изменения чувствительности датчика пелисторного типа в метано-воздушной смеси, с концентрацией порядка 40 об.% СН4 представлен на рис. 4.3 Установлено, что после работы в среде с высокой концентрацией СН4 при последующем помещении датчика в метано-воздушную смесь низкой концентрации, или в чистый воздух с одновременным повышением рабочей температуры чувствительного элемента на 20-40%, на его поверхности происходит выгорание "коксика" и частичное восстановление чувствительности датчика. В зависимости от времени газовых перегрузок, восстановленная чувствительность после прокалки составляет 70-90% от первоначальной, зафиксированной при градуировке.
Все это привело к необходимости поиска новых путей измерения концентрации метана, позволяющих избежать явлений «зауглероживания» и « опрокидывания».
