Оптико-электронные средства оперативного контроля запыленности шахтного воздуха

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 99» МОСКВА, МГГУ, 25.01.99 - 29.01.99_______

В.И. Голинько, проф, д.т.н., В.Е. Колесник, доц, к.т.н., Национальная горная академия Украины

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА ОПЕРАТИВНОГО КОНТРОЛЯ ЗАПЫЛЕННОСТИ ШАХТНОГО ВОЗДУХА

Авторы статьи на протяжении многих лет занимаются разработкой теории методов и технических средств для контроля факторов безопасности, связанных с запыленностью воздуха, придерживаясь концепции, суть которой сводится к поэтапному созданию и постоянному совершенствованию косвенных методов обнаружения пыли и датчиков пылевых частиц, работающих на основе этих методов, с последующей разработкой технических и гигиенических средств контроля запыленности различного назначения и модификаций применительно к условиям и виду пыли, позволяющих дополнительно учитывать дисперсный состав пыли и скорость запыленного потока [1,3].

Как показал анализ известных методов и опыт создания приборов, наиболее перспективным для контроля пыли является оптический метод [2,3], который достаточно хорошо изучен. Он подразделяется на четыре направления: денситометрический, абсорбционный, интегрального светорассеяния и счета частиц, основанного на светорассеянии иди ослаблении света. В результате теоретических и экспериментальных исследований авторами был предложен и разработан оптический абсорбционный счетчик частиц с формированием интегральных характеристик за счет обработки получаемой от множества частиц информации [4]. Его применение, как показали дальнейшие исследования, позволяет реализовать все основные позиции принятой концепции совершенствования пылевого контроля[2]. Идея такого счетчика базируется на использовании миниатюрных оптикоэлектронных элементов, позво-

ляющих сформировать измерительный объем, достаточный для разрешения отдельных частиц, без линзовой оптики. При этом фото-метрирование производится с минимальными искажениями контролируемого запыленного потока. На основе запатентованного счетчика конструировались различные варианты аэрозольных детекторов. Схема одного из экспериментальных образцов многоцелевого назначения приведена на рисунке.

Детектор имеет проточный измерительный канал, через который пропускается запыленный воздух. В стенках канала просверлены отверстия, у которых по разные стороны размещены элементы опто-пары с диафрагмами для формирования тонкого направленного пучка света сечением. Электронный преобразователь обеспечивает, за счет цепи обратной связи (цепь ОС), создание в измерительном объеме стабильного светового пучка, заданной интенсивности, и формирование информационных импульсов от пролетающих частиц пыли, которые выделяются на конденсаторе Ср и подаются на вход устройства обработки сигнала и далее на цифровой индикатор (на рисунке показаны пунктиром).

Важной особенностью запатентованного устройства является автоматическая компенсация загрязнения оптического канала благодаря упомянутой цепи ОС и возможность контроля степени загрязнения. Это существенно для надежности и повышения работоспособности измерителя запыленности, так как пыль является и контролируемым и возмущающим фактором одновременно.

Еще одной особенностью схемы измерителя, созданного на ба-

зе упомянутого абсорбционного детектора, является то, что на конденсаторе Ср вместе с информационными импульсами выделяется шумовое напряжение, которое соизмеримо с амплитудой импульсов от малых частиц размером порядка 2-5 мкм. Следует иметь ввиду, что естественная нестабильности шума приводит к значительному дрейфу нуля, что затрудняет регистрацию малых концентраций пыли. Для его устранения переменный сигнал детектируется схемой Д1 с отсечкой напряжения снизу на уровне амплитуды шумового напряжения. Иными словами, шум отсекается от полезного сигнала на уровне выбранного исм. В этом случае напряжение шумов не накапливается измерительным преобразователем. Конечно, при таком подавлении шумов отсекаются и полезные импульсы, вызываемые малыми частицами, однако следует помнить, что шум и информационные импульсы взаимно независимы, поэтому появление последних равновероятно как в положительный, так и в отрицательный полупериод переменного шумового напряжения. При этом существует возможность регистрации информационных импульсов с амплитудой ниже уровня отсечения. Это происходит в момент совпадения фаз, когда амплитуда шума и амплитуда импульса от частицы складываются, и суммарная амплитуда сигнала превысит уровень отсечки, т.е. исм. Несинфазные с шумом информационные импульсы такой же амплитуды внесут меньший вклад в выходной сигнал интегратора или вообще не будут учтены. Таким образом, информация о малых частицах не теряется полностью, а лишь снижается их

вклад в общий сигнал. Это позволило существенно повысить точность измерений концентрации общей массы пыли оптическим методом.

На основе предложенного детектора авторами совместно с НПО "Красный металлист" разработан портативный прибор для оперативного измерения запыленности шахтной атмосферы - ИЗША.

Краткая техническая характеристика ИЗША Диапазон измерения массовой концентрации пыли, мг/м3

10-500

Предел допустимой основной абсолютной погрешности , мг/м3

±(1+0,25С) Плотность вещества пыли, кг/м3

1000-3000

Номинальное напряжение аккумуляторной батареи, В 2,4

Масса, кг, не более 3,5

Время установления показаний, с, не более 60

Уровень взрывозащиты -

особовзрывобезопасный РО Вид взрывозащиты -

искробезопасная электрическая цепь Иа

Прибор снабжен автономным побудителем расхода воздуха для принудительного протягивания аэрозоля и пылезаборным патрубком, который обеспечивает минимальные искажения контролируемой среды в процессе измерений. Учет плотности вещества пыли осуществляется автоматически после установки конкретного его значения по априорным данным в предусмотренном для этого режиме работы прибора. Градуировка и проверка рабочих приборов ИЗ-ША производится с помощью имитатора пыли, который выполнен в виде отдельной конструкции и входит в комплект.

Градуировка имитатора запыленности осуществляется по образцовому прибору ИЗША, который градуируется и аттестуется по результатам исследований в пылевой камере. Аттестация производится по отдельной методике при сопоставлении концентрации пыли, создаваемой в камере и изме-

ренной аспирационным гравиметрическим методом, с показаниями ИЗША.

Приемочные испытания подтвердили работоспособность предложенных технических решений. Прибор устойчиво функционирует в широком диапазоне изменений концентрации пыли при скорости потока не более 6 м/с. Дрейф нуля от загрязнения измерительного канала практически отсутствует. Существенное загрязнение оптического канала, которое легко устраняется, наблюдалось через 10-15 дней непрерывной эксплуатации при средней запыленности воздуха около 100 мг/м3.

На таком же принципе работает стационарный датчик запыленности воздуха ДЗВ-500. Прибор предназначен для непрерывной работы в условиях горных выработках с возможностью передачи информации о запыленности по свободной паре телефонных проводов в диспетчерскую шахты. Опытные образцы датчика испытывались на одной из шахт ПО "Макеевуголь". Ведутся работы по корректировке прибора по результатам испытаний.

Следующее направление, которое разрабатывалось авторами, -это создание оптико-электронного прибора для двухступенчатого гигиенического контроля запыленности воздуха рабочей зоны. За рубежом, как известно, сложилась практика учета только тонкодисперсной пыли, способной попадать в глубокие дыхательные пути. Поэтому при измерениях запыленности принимают во внимание, так называемые, кривые задержки пыли и снабжают пылеизмерительные приборы соответствующими разделительными уст-ройствами[6]. Эти устройства вносят значительные возмущения в контролируемые потоки, снижая достоверность проводимых измерений. Альтернативой им могут быть косвенные измерители содержания пыли, функция преобразования которых падает в области указанных размеров частиц пыли. Так работает, например, извест-

ный оптический пылемер марки "TM digital", работающий на принципе полярного фотометра с регистрацией интегрального светорассеяния на частицах под углом около 600. Интенсивность светорассеяния в этой области углов быстро снижается с увеличением размера пылинок. Это позволило обойтись без разделительного устройства, снизив до минимума искажения пылевого потока, однако прибор может контролировать только тонкодисперсную фракцию пыли.

Для одновременного получения информации об общей концентрации пыли и ее тонкой фракции авторами предлагается использовать рассмотренный выше счетчик частиц[7]. В нем регулировкой уровня отсечения шума и вообще части импульсов с амплитудой, превышающей шум, при помощи величины исм, можно управлять функцией преобразования измерителя запыленности в области тонкодисперсной фазы аэрозоля. Это позволяет настраивать измерительный преобразователь для регистрации, как общей массы пыли, так и массы только грубой ее фракции. На практике одновременную регистрацию

можно реализовать формированием второго канала Д2 с большей величиной исм. Этот канал показан на схеме пунктиром. При этом требуемая масса тонкой фракции пыли может быть получена вычитанием из полученного значения общей массы пыли значения массы ее грубой фракции. Границу раздела грубой и тонкой пыли, которая в этом случае определяется уровнями исм для Д1 и Д2, можно подобрать экспериментально.

Перспективным можно считать также разработку на основе упомянутого оптико-электронного детектора совмещенного прибора для одновременного контроля содержания пыли в воздухе и скорости запыленных потоков в горных выработках шахт. Такой прибор целесообразно выполнить в виде конструкции, включающей носимый преобразовательный блок и выносной измерительный зонд[8].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Голинько В.И. Колесник В.Е. Белоножко В.П. Кривохижа Б.М. Совершенствование оперативного контроля запыленности воздуха в угольных шахтах // Уголь Украины.-1996.-№8.- С. 37-39.

2.Голинько В.И., Колесник В.Е. Контроль пылевых выбросов // Экотехнология и ресурсосбережение .1995.- N6.- С. 53-56.

3.Голинько В.И., Колесник В.Е. Совершенствование методов и техники пылевого контроля // Науковий вісник НГА України. - 1998. - № 1. - С. 45-49.

4.Пат.1390 Україна, МКВ G 01 N 15/06. Пристрій для контролю вмісту пилу в газовому потоці /В.І.Голінько,

В.Є.Колєснік .- Опубл. 25.03.94, Бюл. N1.

5.Иванов А.П. Оптика рассеивающих сред.-Минск.:Наука и техни-ка.-1969.-624с.

6.Смачивание пыли и контроль

запыленности воздуха в шахтах. / Под редакцией Г.Д.Лидина. М.: Наука,

1979.- 196 с.

7.Голинько В.И., Колесник В.Е.,

Заусалин А.В. Двухступенчатый контроль запыленности оптико-

электронным абсорбционным счетчиком: Сборник научных трудов НГА Украины..№ 3, Том 5.-

Днепропетровск: РИК НГА Украины, 1998. -С. 109 -112.

8.Голинько В.И., Колесник В.Е.

Контроль скорости в потоках, выбрасываемых промышленными предприятиями: Сборник научных трудов

НГА Украины..№ 3, Том 5.-

Днепропетровск: РИК НГА Украины, 1998.- С. 113-117.

© В.И. Голинько, В.Е. Колесник

В.Е. Колесник, доц., к.т.н., Национальная горная академия Украины

ДАТЧИК КОНТРОЛЯ СКОРОСТИ ВОЗДУХА В ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ ТРУБОПРОВОДАХ

Контроль скорости воздушного потока в вентиляционных трубопроводах должен решать две задачи: во-первых, проверку целостности оболочки трубопровода, а во-вторых, определение объемов подаваемого в проходческие забои воздуха.

Первая задача решается с помощью лопастного или мембранного напоромеров, которые обычно устанавливают сразу за вентилятором и они фактически служат для проверки целостности

стыковочного участка вентиляционного трубопровода (рукава). Вторая задача решается, как правило, либо классическим методом при помощи пневмометриче-ских трубок с микроманометрами либо тахометрическими анемометрами с винтовыми вертушками из пластмассы или легких металлических сплавов. Пневмо-метрические трубки обеспечивают измерение скорости примерно с 5 до 40 м/с [1] . При этом они имеют нелинейные характери-

стики, плохо работают в запыленной среде и не удобны при продолжительных непрерывных измерениях [2]. Анемометры имеют характеристику, близкую к линейной, и удобны в обращении. Но они рассчитаны преимущественно на измерение скорости в диапазоне 0,25 -10 м/с. Максимальная скорость потока для таких приборов обычно не превышает 20 м/с и зависит от типа установки или подвески вертушек.

Диапазон скоростей воздушного потока для большинства шахтных трубопроводов составляет от 2 до 20 м/с. При этом требуется непрерывный контроль, причем на противоположном от вентилятора конце трубопровода. Таким образом, требуется простой надежный датчик скорости воздушного потока, работоспособный в течение длительного времени в тяжелых климатических условиях шахт и довольно высоких скоростей потока.

С участием автора разработан оригинальный автоколебательный датчик скорости, работоспособный в промышленных условиях [3]. Принцип измерения скорости потока таким датчиком основан на регистрации частоты колебаний неудобообтекаемого тела, закрепленного в трубчатом корпусе на шарнирной оси по образцу часового маятника. Упрощенная схема датчика представлена на рис. 1.

В результате анализа воздействия набегающего потока на неудо-бообтекаемое тело в виде призмы с лопастью после некоторых упрощений было получено дифференциальное уравнение движения тела относительно оси в канонической форме[4]

р"-(ру2/ртй2)sinр(cosр>-2sinр)=0.

где р"=62р/АГ!- вторая производная угла поворота р тела от времени у-скорость потока, м/с; й-ширина основания призмы, направленного к потоку, м; р и рт -соответственно плотность воздуха и материала призмы.

Это уравнение аналогично уравнениям других маятниковых систем [5], а его фазовые траектории, в зависимости от сообщаемой

телу энергии (в данном случае от энергии набегающего потока воздуха) и начального смещения, могут быть замкнутыми или разомкнутыми. В случае замкнутых траекторий тело - колеблется, а при разомкнутых - вращается вокруг оси. Для измерения скорости потока интерес представляет колебательный режим фазовых траекторий, т.е. область периодических решений дифференциального уравнения (1).

В колебательном режиме зависимость угловой частоты имеет вид Ю=С V

где с - безразмерный коэффициент, численно равный корню квадратному из значения интеграла в формуле(7), а, в общем, случае, зависящий от конструктивных параметров датчика. Теперь можно записать круговую частоту колебаний тела относительно оси потока как

f=m/2л=k у

где к=с/2п. Таким образом, частота колебаний f линейно возрастает от скорости V и убывает с увеличением параметра й, а, кроме того, зависит от соотношения плотности газа и материала тела, хотя и в степени 1/2. Значение коэффициента с можно определить экспериментально.

Измеритель частоты автоколебаний может быть построен по схеме, приведенной на рис.2.

Схема содержит катушку индуктивности 1 с сердечником 2,

размещаемую в корпусе датчика под лопастью 3. Если лопасть выполнена из пластмассы, ее необходимо армировать металлом, например, полоской из магнитомягкого материала. Катушка включена в контур высокочастотного генератора электрических колебаний 4 частотой. Далее следует демодулятор 5, формирователь импульсов 6 и вольтметр 7. Колеблющаяся лопасть пересекает поле катушки 1 над сердечником 2, при этом в контуре генератора 4 возникают потери, приводящие к амплитудной и фазовой модуляции частоты генератора. Демодулятор 5 выделяет возникающие низкочастотные импульсы, которые усиливаются и преобразовываются формирователем 6, а далее поступают на интегрирующий вольтметр с цифровым табло 7.

Экспериментальная проверка проводились в воздушном потоке на двух образцах датчиков. В одном из них ширина й передней грани призмы колеблющегося тела составила 6,2мм, а в другом -7,5мм. В обоих случаях длина лопасти составляла примерно 1,5 й. Исследования проводились на аэродинамическом стенде. Контроль фактической скорости осуществлялся чашечным анемометром типа МС-13, и трубкой Пито с микроманометром по стандартной методике. В результате экспериментов были получены две номинальные функции преобразования датчиков в виде прямых линий регрессии: F=2.977v-0.752 и

F=2.637v-0.538. С учетом удвоения частоты схемой, коэффициенты преобразования скорости потока в частоту колебаний тела составили соответственно для каждого датчика 1,32Гц-с/м и 1,48Гц-с/м, что на порядок ниже, чем у тахометриче-ских приборов. Это важно при длительной эксплуатации, так как значительно снижается износ подпятников. Коэффициенты парной линейной корреляции оказались очень близкими к 1 (соответственно

Рис.5. Схема измерителя частоты автоколебаний датчика

0.999 и 0.9998), что подтверждает высокую линейность датчиков. Датчики оказались работоспособными вплоть до достигнутой на стенде скорости «60м/с. Скорость, при которой начинались колебания, для й=6,2мм составила «2,5м/с, а для й=7,5мм «0,9м/с. Это несколько выше, чем у тахо-метрических датчиков, но в два-три раза ниже начальной скорости пневмометрических трубок. Дат-

чик сохраняет работоспособность в сильно запыленной среде

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

¡.Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества . Изд. 3-е, пе-рераб. и доп. Л.: Машиностроение, 1975 .-776 с. С ил.

2. Киясбейли А.Ш. Перельштейн М.Е. Вихревые измерительные приборы. Библиотека приборостроителя . М ., Машиностроение , 1978 .- 152 с.

3. Пат.1708, Украша, МКВ G 01 F 1/00. Пристрш для конролю

швидкості потоку повітря або газу /

B.Є.Колєснік, В.І.Голінько. -Опубл. 25.10.94, Бюл.N3.

4. Колесник В.Е. Разработка автоколебательного датчика скорости газо-воздушных потоков: Сборник научных трудов НГА Украины. № 3, Том 5. Проблемы экологии горного производства и обеспечение безопасности жизнедеятельности. - Днепропетровск: РИК НГА Украины, 1998.-

C. 105 - 109.

5. Амелькин В. В. Дифференциальные уравнения в приложениях. -М.: Наука. 1987. -160 с.

© В.Е. Колесник