УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЗРЫВООПАСНОСТИ ПЫЛЕВОЗДУШНОЙ СМЕСИ

Полезная модель относится к горному делу, а именно к технике безопасности при отработке месторождений полезных ископаемых, и может быть использована для экспресс - оценки взрывоопасности взвихренной в воздух угольной пыли и смеси угольной и инертной пыли непосредственно в горных выработках.
Угольная и другая горючая пыль, взвихренная в воздухе, представляет взрывоопасную смесь. Основной причиной взрыва угольной пыли является наличие очага горения вследствие самовозгорания угольной пыли. Взрываемость углеродсодержащей пылевоздушной смеси зависит от марки вещества, выхода летучих веществ, крупности углеродсодержащей пыли, ее концентрации в воздухе, наличия кислорода в смеси, температуры воспламенения. Наиболее взрывоопасной является угольная пыль крупностью 5-100 мкм. В шахте, как правило, размер витающей пыли составляет 30-50 мкм. Критериями взрывчатости угольной пыли являются, нижний предел концентрации взвешенной угольной пыли, и норма негорючих веществ в осланцованной угольной пыли. Плотность горючих частиц угля составляет 1,3 г/см3, а инертной пыли 2,2 г/см3.
Существуют различные технические решения измерения параметров пыли.
Известно техническое решение определения содержания негорючих веществ в смеси угольной и инертной пыли, заключающееся в измерении потока отраженного β-излучения (авторское свидетельство СССР №1711049, кл. G01N 23/22, опубликовано 07.02.1992 г., БИ №5). Сущность известного решения заключается в том, что β-частицы, отраженные от породы, покрытой угольной пылью, или смеси угольной и инертной пыли, создают в ионизационной камере ток, пропорциональный толщине слоя пыли и соотношению между негорючими и горючими веществами в смеси.
Основным недостатком этого технического решения является его низкая точность, особенно при работе с влажной пылью (до ±20%). Кроме того, при работе с приборами, основанными на данном принципе, возникают большие сложности в метрологическом обеспечении. По указанным причинам приборы, действие которых основано на этом решении, не нашли широкого применения. Кроме того, анализ проводится длительное время и только отложенной пыли.
Известен пылемер, в основу работы которого положен объемно-денситометрический метод измерения (авторское свидетельство СССР №208327, кл. G01N 15/02, опубликовано в 1968 г.). Известный пылемер содержит корпус, в котором помещены источник и приемник света, вторичный прибор, фильтрованная лента с защитной пленкой, классификатор пыли и насосное устройство.
Принцип действия известного устройства заключается в том, что запыленный воздух с помощью насосного устройства пропускают через фильтрованную ленту, где происходит осаждение частиц пыли, а о запыленности воздуха судят по светопоглощающей способности пятна пыли на ленте.
Основным недостатком известного устройства является низкая точность измерения (±15%), т.к. на получаемый результат существенное влияние оказывают такие факторы, как петрографический состав пыли, влажность и зольность ее.
3
Известно устройство для измерения концентрации пыли в воздушном потоке, содержащее измерительную камеру, ловушки инфракрасного излучения, приемники рассеянного света, микропроцессор и блок инфракрасных излучателей, установленных с возможностью последовательного включения или отключения каждого из них в пределах диапазона измерения, причем излучатели имеют длину волны 930-950 нм и установлены под углами от 50 до 70° к оптической оси приемника (патент РФ на ПМ №61883, кл. G01N 15/02, опубликовано в 2007 г.). Устройство обеспечивает диапазон измерений концентрации пыли в пределах 0-2000 мг/м и по крупности измеряемых частиц -0,1÷100 мкм, при этом точность измерения составляет до 2,5%.
Опыт работы с этим известным устройством показал, что оно требует значительных затрат энергии и времени на переключение излучателей и их настройку на требуемый диапазон измерений. Даже при обычном режиме работы, т.е. когда не требуется разделение пыли по дисперсному составу, затраты энергии и время измерения остаются большими.
Известен более совершенный датчик для измерения концентрации пыли, содержащий инфракрасный излучатель и оптический приемник. Датчик помещен в корпус и имеет вычислительное устройство, выдающее показания на индикатор, расположенный в стационарном или переносном приборе. Поток запыленного воздуха под действием депрессии поступает в измерительную камеру датчика, где на него воздействует инфракрасное излучение с волной 940 мм от излучателя. Часть этого излучения отражается от витающих частиц пыли, содержащихся в воздухе, и попадает в оптический приемник 2, установленный под углом 25° к оптической оси излучателя, а вторая его часть, ослабленная в результате взаимодействия с частицами пыли, улавливается оптическим приемником, установленным под углом 205° к оптической оси излучателя. Остальная часть излучения, не встретившая частицы пыли, проходит в ловушку (световой лабиринт) и гасится. Электрические сигналы от оптических приемников поступают в вычислительное устройство, где происходит обработка их с последующей выдачей результатов на индикатор (полезная модель РФ №80503, МКИ E21F 5/00, опубликовано 10.02.2009).
Недостатками этого технического решения являются низкие оперативность и точность измерения, несмотря на то, что хотя анализ проводится в реальном времени, но только по отложенной пыли. При этом датчик не имеет возможности выдавать информацию о средней плотности пыли и среднем диаметре частиц, которая необходима для оценки взрывоопасности воздушной среды.
Техническим результатом является расширение функциональных возможностей и повышение оперативности и точности оценки взрывоопасности за счет получения трех характеристик, определяющих взрывоопасность пылевоздушной смеси, в местах добычи, транспортировки, хранения и переработки/обогащении угольной пыли.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство, содержащее размещенные в корпусе измерительную камеру, связанное с ней вычислительное устройство, оптический излучатель и расположенный с ним в одной плоскости оптический приемник для просвечивания потока пылевоздушной смеси в измерительной камере, снабжено двумя вентиляторами, воздушным фильтром, газоотводной системой выхлопа и газодинамическим дифференциальным датчиком частиц для получения спекловых стробоскопических изображений потока пылевоздушной смеси, выполненным в виде трех отводных трубок разного диаметра и переменного сечения, причем в корпусе выполнены одно входное отверстие, в котором установлен упомянутый воздушный фильтр, два выходных отверстия, в первом из которых установлен первый вентилятор для обдува оптических излучателя и приемника, а во втором - другой вентилятор, связанный через газоотводную систему выхлопа с выходом измерительной камеры, при этом входы отводных трубок через отверстия в упомянутом воздушном фильтре связаны с атмосферой, а выходы - с входом измерительной камеры.
Кроме того, оптический излучатель может быть выполнен в виде светодиодного лазера, а оптический приемник - в виде матрицы приема отраженного оптического сигнала.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана общая схема устройства для определения взрывоопасности пылевоздушной смеси.
На фиг. 2 показана вычислительная схема газодинамического дифференциального датчика частиц (ГДДЧ) для анализа спекловых изображений.
На фиг. 3, показаны калибровочные кривые запаздывания частиц для каждой отводной трубки ГДДЧ.
Устройство содержит размещенные в корпусе 1 измерительную камеру 2, связанное с ней вычислительное устройство 3, оптический излучатель 4 и расположенный с ним в одной плоскости оптический приемник 5 для просвечивания потока пылевоздушной смеси в измерительной камере 2, снабжено двумя вентиляторами 6 и 7, воздушным фильтром 8, газоотводной системой выхлопа 9 и газодинамическим дифференциальным датчиком частиц 10 для получения спекловых стробоскопических изображений потока пылевоздушной смеси, выполненным в виде трех отводных трубок 11 разного диаметра и переменного сечения, причем в корпусе 1 выполнены одно входное отверстие, в котором установлен упомянутый воздушный фильтр 8, два выходных отверстия, в первом из которых установлен первый вентилятор 6 для обдува оптических излучателя и приемника, а во втором - другой вентилятор 7, связанный через газоотводную систему выхлопа 9 с выходом измерительной камеры 2, при этом входы отводных трубок через отверстия в упомянутом воздушном фильтре 8 связаны с атмосферой, а выходы - с входом измерительной камеры 2.
Кроме того, оптический излучатель может быть выполнен в виде светодиодного лазера, а оптический приемник - в виде матрицы приема отраженного оптического сигнала.
Работа датчика заключается в отборе пробы шахтной атмосферы устройством под действием всасывающего вентилятора и последующем анализом движения запыленного воздуха в газодинамическом датчике посредством оптической системы, которая позволяет бесконтактно определить содержание в частицах горючих и негорючих частиц и сравнить с минимально допустимыми значениями. Кроме содержания горючих одновременно определяется концентрация частиц и их средний диаметр.
Одной из задач авторов является создание устройства, позволяющего получать одновременно концентрацию пыли, среднюю плотность пыли и средний диаметр частиц
Устройство в основном предназначено для использования в системах пожаро-взрывобезопасности. Принцип его работы основан на анализе спекловых изображений получаемых в результате освещения светодиодными лазерами. Вычислительное устройство также содержит аппаратно-программные средства компенсации вредных факторов, искажающих результаты измерения. По результатам проведенных стендовых и шахтных испытаний подтверждена его работоспособность и эксплуатационные качества. Анализ изображений запыленного потока позволяет получить следующий функционал:
- Определение среднего диаметра пыли: от 2 до 100 мкм.
- Определение массовой доли частиц плотностью меньше 1,4 [гр/см3] и больше 1,4 [гр/см3] (регулируемая величина)
- Определение количества частиц в единице объема [см3/сек.].
- Время измерения 1,5 сек.
Первичный преобразователь состоит из диодных лазеров и матриц приема отраженного оптического сигнала. Оптическая система не имеет подвижных частей. Оптические части, контактирующие с запыленным воздухом, обдуваются фильтрованным воздухом. Для этого в состав датчика входит второй вентилятор для обдува воздухом, содержащий на входе фильтр.
Таким образом, устройство способно в реальном времени оптическим способом измерять и передавать информацию о концентрации, средней плотности и размере частиц витающих в шахте.
Путь достижения этого результата полезной моделью заключается в конструкции специального газодинамического дифференциального датчика частиц (ГДДЧ). Размеры ГДДЧ, подобраны с помощью математического моделирования так, что частицы с большей плотностью запаздывают от потока газа при ускорении на большую величину, чем частицы с меньшей плотностью. Эту разницу измеряет электронно-оптическая часть устройства и на основе закона запаздывания частиц в газе от скорости собственно воздуха определяет плотность.
Порядок работы устройства для определения взрывоопасности пылевоздушной смеси, содержащего ГДДЧ, вентилятор, электронно-оптическую часть и вычислительное устройство с контроллером с интерфейсами (не показаны), заключается в том, что вентилятор всасывает запыленный воздух с постоянной объемной скоростью, который проходя через отводные трубки ГДДЧ в виде смеси воздуха и пыли ускоряется по закону Бернулли на кратную величину в течение 30 мс, при этом скорость частиц изменяется в меньшую сторону от скорости газа в результате действия Стоксовых сил и силы тяжести. Путем анализа зафиксированных спекловых стробоскопических изображений запыленного потока стробоскопически подсвеченного лазерными диодами определяется степень отставания частиц. Поскольку проводятся сравнительные измерения через три отводные трубки ГДДЧ, то требования к постоянству объемной скорости не существенные.
Кроме того, путем автоматического анализа зафиксированных электронно-оптической системой изображений устройство определяет количество частиц в кадре и средний размер отражающей свет частицы. Эти величины позволяют определить концентрацию частиц в единице объема и средний диаметр частиц.
Эффект в использовании устройства достигается в виде способности измерения 3-х параметров пылевоздушной смеси (шахтного воздуха), определяющих горючесть пылевоздушной смеси, тем самым увеличивая точность определения взрывоопасности пылевоздушной смеси.
Порядок процедуры измерения с помощью вычислительного устройства выглядит следующим образом:
1. Фиксируем спекловые стробоскопические изображения.
2. Определяем количество частиц за единицу времени.
3. Определяем средний размер изображения частицы.
4. Определяем среднюю скорость движения частиц.
5. Определяем по калибровочной кривой запаздывания частиц среднюю плотность.
Таким образом, достигается технический результат при использовании предлагаемой полезной модели, которым является расширение функциональных возможностей и повышение оперативности и точности оценки взрывоопасности за счет получения трех характеристик, определяющих взрывоопасность пылевоздушной смеси, в местах добычи, транспортировки, хранения и переработки/обогащении угольной пыли.
Литература.
1. ГОСТ «Приборы контроля запыленности и пылевзрывобезопасности на угольных шахтах».
2. Дж. Фрайден Современные датчики. Справочник. Москва: Техносфера, 2005, ISBN 5-94836-050-4
3. Грин X., Лайн В. Аэрозоли пыли, дымы и туманы. Изд-во «Химия», 1972, 428 стр.
4. Фукс Н.А. Механика аэрозолей, М. «Академиздат», 1955 г. 351 с.
5. Поздняков Г. А. Научные основы, методы и технические средства нормализации атмосферы подготовительных забоев угольных шахт по пылевому фактору. Дисс. на соиск. учен, степени докт. техн. наук, М. - ИГД им. А.А. Скочинского, 1997 г. - 383 с.
6. Чудинов СТ. Модели и алгоритмы прогнозирования аэрогазовой ситуации для информационно - аналитической системы безопасности шахты. Автореферат диссертации на соиск. учен, степени канд. техн. наук., Москва 2009 г.
7. Эльмар Фукс, Ханс-Георг Бласгуде. Стандарты по защите от взрывов в горной промышленности безопасность, экономичность, охрана окружающей среды. // Глюкауф. - 2007, №1(2), - с.56-65.
8. Диколенко Е.А. Причины взрывов газо-пылевоздушных смесей в шахтах и способы их предупреждения // Безопасность труда в промышленности. 1988. - №8.-. с. 12-15.
9. Поздняков Г.А. Результаты сравнительных испытаний приборов контроля рудничной атмосферы // Г.А. Поздняков, С.Б. Романченко, П. Войтас, К. Либецки // Научные сообщения / ННУГП ИГД им. А.А. Скочинского. - М., 2003. - Вып. 325. - с. 176-184.
10 Приборы и оборудование для измерения запыленности. Каталог ЗАО НП Эко ИНТЕХ, 2005 г, стр. 19.
11. Правила безопасности в угольных шахтах (ПБ 05-618-03) серия 05. Выпуск 11-М ГУП «Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнодзора России». - 2003. 296 с.