Способ сигнализации метановыделения в шахтах и устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН цм св 50 4 ТЕНИЯ ЛЬС 976. увеличен ние скор иг елени яемь сопутств индициру ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЬГГИЯМПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ И Н АВТОРСИОМУ СВИ(56) Авторское свидетельство СССРюг 807159, кл, С 01 И 21/31, 1979.Поспелов 11,П. Рудничная автоматика и телемехаиикя. М.: Недра, 1983,с. 175-178.Патент ПНР Р 98168,кл. С 01 И 21/4 Ь, оиублик. 1Патент ФРГ 1. 2438294,кл. Е 21 Г 17/18, опублик, 1978.(57) Изобретение относится к горнойавтоматике и предназначено для сигнализации метановыделения в угольныхшахтах для предотвращения взрывов.Цель - повышение надежности сигнализации о процессе метановыделения засчет точного контроля содержаний (С)метана и сопутствующих газов одновременно путем одновременной компенсации Флуктуаций запыленности, влажности, давления и т-ры шахтной атмосФеры(ША) при одновременном упрощении, атакже осуществление комплексной сиг,нализации по превышениям концентрацийили скоростей их увеличения. Для этого поток инФракрасного излучения (ИКИ) с непрерывным спектром пропускают через контролируемый объем ША заданной толщины 1,. Регистрируют интенсивность прошедыего ИКИ с длиной волны, соответствующей максимуму поглощения метана и сопутствуюцих углекислого и угарного газов. Затем поток ИКИ с непрерывным спектром нроиуска 1 ют через контролируемый объем ЫА толщины 1, и калиброванные кюветы с метаном и соиутствуюцими газами и регистрируют интенсивность проыедшего ИКИ. Поток ИКИ с непрерывным спектром пропускают через контролируемый объем ША другой толщины 1, 1, и регистрируют интенсивность прошедшего ИКИ, Также пропускают поток ИКИ с непрерывным спектром через контролируемый объем ЫА той же ыирииы и калиброванные кюветы и регистрируют интенсивность ИКИ, прошедшего через ША, а С контролируемого 1.-го газа в ЫА определяют по математической Формуле. Сравни- ффффф вают С всех трех контролируемых газов (д за заданное время с допустимыми С ген и определяют скорости их увеличения. (;ф Если какое-либо из С превышает допустимое С или какая-нибудь скорость я превыыает заданное зиячести,увеличения, то выдают недопустимо больыом метанов горной выработке. Оиредезаданное время С метана и .ющих газов регистрируют и т. 2 с. и 1 з.и, Ф-лы, Ь ил.Сигнализатор 108 - усилитель мощйости постоянного тока с сиреной на выходе, В качестве трехканального регистратора и индикатора 109 может быть использован, например, любой многоканальный регистратор и Индикатор агрегатного комплекса АСЭТ.Калибровка устройства на заводе- изготовителе состоит в следующем. Чтобы уменьшить до минимума погрешность, нужно как можно точнее подобрать толщину нейтрального фильтра 13 для вы,полнения условия (23). Подгонку фильтра можно осуществить, например, его шлифовкой для снятия требуемой толщины, Дальнейшего уменьшения погрешности (уже инструментальной составляющей) достигают подбором (из всей имеющейся партии фотодиодов) близких по параметрам пар 15-16, 17-18 и 19- 20, а среди партии плоскостных полупроводниковых диодов подбирают близкие по параметрам тройки 53-54-55, 67-68-69 и 8-79-80. Среди измери телей отношений целесообразно подбирать близкие по параметрам четверки 49-51-52-58, 62-63-64-71, 73-74-75- 82, среди партии усилителей целесообразно отбирать близкие по параметрам пары 40-41, 42-43, 44-45. Подбор позволяет более чем вдвое уменьшить инструментальную погрешность. Структура устройства, подгонка фильтра 13, отдельных пар, троек или четверок функциональных элементов позволяют свести суммарную погрешность анализа содержаний любого из контролируемых газов до величины менее 0,057. абсолютных. Устройство способно сигна 40 лизировать о недопустимо сильном метановыделении при выходе за допустимые пределы любой из трех концентраций или любой из трех скоростей повышения концентраций.Для определения технико-экономической эффективности в качестве базового объекта взят ИК-гаэоанализатор СО, СО и метана в шахтной атмосфере типа Р 1-201 В (производства японской фирмы "Рикен Кейки"), Техническими преимуществами изобретения по сравнению с базовым объектом являются исключение необходимости стабилизации температуры детекторов, расширение диапазона измеряемых концентраций с 10 до 100/, снижение потребляемой мощности с 100 до 20 ВА, исключение сложной электронной схемы линеаризации шкалы, уменьшение погрешности (абсолютной с 0,5 до 0,053, относительной с 5 до 0,05 Х), уменьшение времени измерения с 10 до 3 с, упрощение схемы обработки сигнала, уменьшение веса с 26 до 10 кг, снижение стоимости, исключение необходимости применения компрессора, обеспыливающих фильтров и осушающих фильтров, расширение функциональных воэможностей за счет сигнализации о недопустимо большом метановыделении при превышении любой из трех концентраций или при превышении скорости увеличения любой из трех концентраций.Формула изобретения1. Способ сигнализации метановыде.-." ления в шахтах, основанный на пропускании через контролируемый объем атмосферы заданной толщиныЬ инфракрасного излучения и регистрации интенсивности прошедшего инфракрасного излучения 1, с длиной волны, соответствующей. максимуму поглощения д-го конт-. ролируемого газа, о т л и ч а ю щ и й", с я тем, что, с целью повышения надежности сигнализации о процессе метановыделения за счет точного контроля содержаний метана и сопутствующих газов одновременно путем одновременной компенсации Флуктуаций запыленности, влажности, давления и темпера-туры шахтной атмосферы при одновременном упрощении, дополнительно пропускают инфракрасное излучение той же длины волны через объем атмосферы той же толщины Ь и кювету с чистым контро, лируемым газом и регистрируют интенГ сивность прошедшего инфракрасного иэ= . лучения 1, пропускают инфракрасное излучение той же длины волны через объем атмосферы другой толщины Ь и регистрируют интенсивность прошедшего инфракрасного излучения 1, пропускают инфракрасное излученйе той же длины волны через объем атмосферы другой толщины Ь и кювету с чистым контролируемым газом и регистрируют интенсивность прошедшего инфракрасноСго излучения Т 1, причем потоки инфракрасного излучения на контролируемый объем атмасферы формируют от общего источника с непрерывным спектром, а регистрацию интенсивностей прошедшего инфракрасного излучения с длиной50 волны, соответствующей максимуму поглощения -го контролируемого газа,осуществляют на одинаковых от источника расстояниях, при этом процентноесодержание Сд-го газа в шахтной5атмосфере определяют из соотношенияС;=1;,1 и(1, /1) 1 и(1 /1,) -1 (1;/1",)3где К - отношение пути инфракрасного излучения через кювету с-м контролируемым газом кпути инфракрасного излучениячерез контролируемый объем 15шахтной атмосферы,определяют скорости увеличения концентраций каждого -го контролируемого газа, процентные содержания искорости увеличения концентраций срав нивают с заданными значениями и припревьпдении любой из них заданных значений сигнализируют о недопустимомметановыделении, при этом одновременно контролируют метан, углекислыйи угарный газы.2. Устройство для сигнализацииметановыделения в шахтах, содержащееисточник инфракрасного излучения,два детектора с усилителями и блок 30индикации и регистрации, о т л и -ч а ю щ е е с я тем, что, с цельюобеспечения достоверной сигнализациио процессе метановыделения за счетточного контроля содержаний метанаи сопутствующих газов одновременнопутем одновременной компенсации Флуктуаций запыленности, влажности, давления и температуры шахтной атмосферы при одновременном упрощении, оно 40снабжено и калиброванными кюветамис контролируемыми газами, 2 и полосовыми светофильтрами, у которых середина полосы пропускания соответствует середине полосы поглощения контролируемого газа, и управляемыми коммутаторами, 2 и элементами задержки,4 и измерителями отношений, Зи логарифматорами, п измерителями разности, и блоками умножения, и задатчиками, 2(и) детекторами с усилителями, нейтральным инфракрасным светофильтром, блоком управления, механизмом перемещения и Фиксации источника инфракрасного излучения и герметичным корпусом, в котором симметрично относительно пучка инфракрасного .излучения и.перпендикулярно к его осиустановлены детекторы с полосовыми светофильтрами, а между и полосовыми светофильтрами и детекторами установлены калиброванные кюветы с контролируемыми газами и герметичный корпус, причем калиброванные кюветы с контролируемыми газами и герметичный кор-. пус снабжены подвижными мембранами, при этом выходы пары детекторов с усилителями для каждого -го газа соединены с входами соответствующего управляемого коммутатора, первый выход которого непосредственно соединен с первым входом первого измерителя отношений и через первый элемент задержки соединен с первым входом второго из " мерителя отношений, второй выход соединен с вторым входом второго измерителя отношений и первым входом третьего измерителя отношений, третий выход соединен с вторым входом первого измерителя отношений, четвертый выход соединен с вторым входом третьего измерителя отношений, выходы измерителей отноыений соединены с входами соответствующих логарифматоров, первьгл из которых через второй элемент задержки, а третий - непосредственно соединены с входами измерителя разности, выход которого соединен с первым входом четвертого измерителя отношений, к второму входу которого подключен второй логарифматор, выход четвертого измерителя отноыений соединен с первым входом блока умножения, к второму входу которого подключен задатчик, а к выходу - блок индикации и регистрации, первый выход блока управления соединен с управляющими входами управляемых коммутаторов, а второй его выход соединен с входом механизма перемещения и фиксации источника инфракрасного излучения, элементы схемы других каналов измерения соответствующих газов соединены аналогично.3. Устройство по п. 2, о т л и - ч а ю щ е е с я тем, что, с целью осуществления комплексной сигнализации по превышениям концентраций или скоростей их увеличения, блок индикации и регистрации выполнен в виде и блоков дифференцирования, и интеграторов со сбросом, 2 и задатчиков, 2 и пороговых элементов, трех элементов И 5 К, сигнализатора и и-канального регистратора и индикатора, причем входы блока индикации и регистрации соединены с блоками дидхЬере ипрования и интеграторами со сбросом, выхо-.ды которых соединены с первыми входами пороговых элементов, вторые входыкоторых соединены с задатчиками, выходы блоков диФференцирования соединены с входами первого элемента ИЛИ,выходы интеграторов со сбросом соединены с входами второго элемента ИЛИ,выходы первого и второго элементовИЛИ соединены с входами третьегоэлемента ИЛИ, выход которого соединенс входом сигнализатора, при этом выходы интеграторов со сбросом соединены также с входами и-канального регистратора и индикатора.1518549 ирня сно аз 6585/40 Тираж 4 твенного комитета по изобретениям и открытиям 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5Изобретение относится к горнойавтоматике в частности к способамсигнализацйи метановыделения в угольных шахтах, и может быть использовано как автономное устройство для сигнализации о процессах метановыделения для принятия своевременных мерпо предотвращению взрывов при интенсивном метановыделении, а также дляобнаружения пожаров на ранних стади,ях, для прогнозирования внезапных выбросов и, кроме того, в комплексныхсистемах автоматической газовой защиты и в автоматических системах шахтной вентиляции. фЦель изобретения - повьппение надежности сигнализации о процессе метановыделения за счет точного контроля содержаний метана и сопутствующих газов одновременно путем одновременной компенсации влияния флуктуацийзапыленности, влажности, давления итемпературы шахтной атмосферы, а также влияния Флуктуаций содержаний сопуствующих газов при одновременном упрощении способа и обеспечении его применения в угольных шахтах, а также осуществление комплексной сигнализации по превышениям концентраций или скоростей их увеличения.1На фиг. 1 схематически показанблок отбора информации устройства (герметичный корпус и механизм перемещения и Фиксации источника инфракрасного излучения даны в разрезе); на Фиг. 2 - разрез А-А на Фиг. 1; на фиг. 3 - Функциональная схема устройства для случая сигнализации метановыделения по концентрациям метана, углекислого и угарного газов в шахт. ной атмосфере; на Фиг. 4 - функциональная схема блока индикации и регистрации.Обычно для устранения влияния флуктуаций запыленности на результат газ обеспыливают фильтром. Увеличение точности приводит к одновременно-. му снижению экспрессности (пока газ очищают, уже имеет место повыыение предельной концентрации и происходит взрыв). Для устранения влияния Флуктуаций влажности газ осушают. Сушка газа осуществляется еще дольше фильтрации от пыли. При этом повышение точности также приводит к сильному запаздыванию результатов. Как фильтрация, так и суыка приводят к усложнению способа и устройства. Для компенсации влияния флуктуаций давленияи температуры шахтной атмосферы нарезультаты анализа применяют еще более сложные меры: стабилизируют этипараметры после отбора пробы газав закрытый сосуд либо применяют коррекцию за счет дополнительного изме-.рения давления и температуры. В первом случае снижается экспрессностьи в обоих случаях усложняется анализ. Таким образом, классический путьобеспечения достоверной сигнализациио метановыделении обязательно связансо снижением экспрессности и с увеличением сложности. Одновременно компенсировать влияния флуктуаций четырех сильных возмущающих Факторов(пыль, влага, давление и,температура)даже в лабораторном газовом анализене удается из-за указанных технических противоречий - повышение точности приводит к недопустимому усложнению, Кроме того, даже если бы удалосьповысить точность за счет компенсацийвсех 4 Факторов, то и в этом случаене обеспечивается достоверная сигнализация о метановыделении за счетнизкой экспрессности и низкой представительности (Фильтрация и сушкапробы обязательно приводят к значительному снижению количества одновременно анализируемой шахтной атмосферы), Нужно также учитывать и воэмож-ность применения гипотетического средства с Фильтрацией, сушкой, измерением давления и температуры в угольныхшахтах, Однако при таком сильном усложнении гипотетическое средствонеработоспособно в шахте. Изобретение одновременно обеспечивает повышение точности сигнализации за счет контроля нескольких газов с высокой точностью при устранении основных влияющих факторов без усложнения устройства. Для обеспечения достоверной сигнализации о процессе метановыделения существенны все совокупности признаков способа и устройства. 11 ри исключении или видоизменении любого из признаков достоверность сигнализации будет ниже. Кроме того, изобретение позволяет применить в устройстве низкостабильные и дешевые блоки и элементы, не требует. стабилиУ зации напряжения питания, повышает представительность даже по отношению к менее точным средствам.515185Устройство для сигнализации метана- выделения в шахтах содержит изотропный источник 1 инфракрасного излучения, закрепленный на кронштейне 2,5 шток 3 которого скользит в отверстии 4 кронштейна 5 герметичного корпуса 6. Механизм перемещения и фиксации источника инфракрасного излучения выполнен в виде тянущего подпру жиненного электромагнита 7, ыток которого 8 скреплен со штоком 3 кронштейна 2, В отверстии 4 кронштейна 5 закреплены две пары фиксаторов 9 и 10; верхняя пара фиксаторов фикси рует источник 1 в верхнем (Фиг. 1) положении, при котором шток 8 тянущего подпружиненного электромагнита 7 под действием пружины выдвинут вверх. При включении обмотки электромагни та 7 шток 8 по каналу 11 перемещается вниз и тянет за собой шток 3 кронштейна 2 и источник 1 в положение, показанное на фиг. 1 пунктиром, Около этого положения источника 1 на 25 кронштейне 12 закреплен сфераобразный нейтральный инфракрасный светофильтр 13.В герметичном корпусе 6, закрытом крышкой 14, симметрично относительно пучка излучения ат источника 1 и перпендикулярно к аси установлены дЕтекторы 15 - 20 (на Фиг. 3 представлена схема устройства для сигнализации метановыделения по концентрациям трех35 газов и поэтому показано 2 пдетекторов), для чего детекторы расположены на одинаковом расстоянии при2/( ЗЬО о центральном угле ш= - = -- =60 и по 2 п 2 3 40 вернуты чувствительными областями со- ответственно 21 - 26 к оси пучка (центру 0 корпуса 6). На одинаковых расстояниях от детекторов установлены паласовые инфракрасные светофильт ры (например, интерференционные) 27 - 32, Светофильтры 27 и 28 имеют полосу пропускания ИК-излучения около 3,39 мкм, соответствующую полосе поглощения метана СН 4, светофильтры 29 и 30 - полосу 4,3 мкм, соответствующую полосе поглощения углекислого газа, светофильтры 31 и 32 - полосу 4,71 мкм, соответствующую полосе поглощения угарного газа, Между и детекторами и и паласовыми фильтрами установлены калиброванные кюветы с контролируемыми газами: 33 с метаном, 34 с углекислым газом и 35 с угарным 49огазом, Чтобы обеспечить одинаковое давление в контролируемом объеме шахтной атмосферы (с длиной пути инфракрасных лучей в нем соответственна Е или Ь, при разных положениях источника 1) в герметичном корпусе 6 1и в калиброванных кюветах 33 - 35 с контролируемыми газами в крышке 14 корпуса имеются подвижные мембраны 36 - 39.Выходы детекторов 15 - 20 через усилители 40 - 45 соединены с входами управляемых коммутаторов 46 - 48, выходы детекторов 15 и 16 соединены с усилителями 40 и 41 (для измерения концентрации метана) и связаны с входами первого управляемого кам."утятара 46, выходы детекторов 17 и 18 соединены с усилителями 42 и 43 для измерения интенсивности ИК-излучения в области длин волн около 4,3 мкм и связаны с входами второго управляемого коммутатора 47, я выходы детекторов 19 и 20 соединены с усилителями 44 и 45 для измерения интенсивности ИК-излучения в области длин волн около 4,7 мкм и связаны с вхадями третьего управляемого каммутятаря 48.Первый выход каммутятара 46 непосредственно соединен с первым (левым) входом первого измерителя 49 отношений и через первый элемент 50 задержки - с первым (левым) входом второго измерителя 51 отношений, второй выход соединен с вторым (прявым) входом второго измерителя 5 1 атнаыений и первым (левым) входом третьего измерителя 52 отнаыений, третий выход соединен с вторым (правым) входом первого измерителя 49 отношений и четвертый выход соединен с вторым (правым) входом третьего измерителя 52 отношений. Выход измерителей 49,51 и 52 отношений соединены с входами соответствующих логарифматаров 53 - 55, первый из которых через второй элемент 56 задержки, я третий - непосредственно соединены с входами измерителя 57 разности, выход которого соединен с первым входом четвертого измерителя 58 отношений, к вьорому входу которого подключен вторая лагарифматор 54, Выход четвертого измерителя 58 отноыений соединен с первым входом блока 59 умножения, к второму входу которого подключен зядятчик 60, а к выходу - блок 61 индикации и регистрации.11 ервый 62, второй 63 и третий 64измерители отношений, первый 65 и,второй 66 элементы задержки, первый67, второй 68 и третий 69 логариФма 5торы, измеритель 70 разности, четвер-тый измеритель 71 отношений, блок 72умножения и задатчик 73 второго канала измерения содержания углекислогогаза в шахтной атмосфере соединеныаналогично описанному для первого канала (Фиг, 3).Аналогично соединены и функциональные блоки третьего канала для измерения содержания угарного газа: 15измерители 73-75 отйошений, элементы 76 и 77 задержки, логарифматоры78 - 80, измеритель 81 разности, четвертый измеритель 82 отношений, блок83 умножения и. эадатчик 84. 11 ервый 20выход блока 85 управления соединенс управляющими входами коммутаторов46 - 48, а второй - с электромагнитом 7.Блок 61.индикации и регистрации 25может быть выполнен, например, какпоказано на Фиг. 4, В состав .блока 61входят: три блока дифференцирования86 - 88, три интегратора 89 - 91 сосбросом (устройства выборки-хранения),30генератор 92 импульсов, шесть устройств 93-98 сравнения (пороговыеэлементы), ыесть эадатчиков 99 - 104,три элемента ИЛИ 105 - 107, сигнали-.затор 108 и трехканальный регистратори индикатор 109,Входы блока 61 индикации и регистрации соединены с первыми входамиблоков 86 - 88 дифференцирования ис первыми входами интеграторов 89-91со сбросом. Вторые входы (обнуляюцие)интеграторов 89-91 со сбросом соединены с выходом генератора 92 импульсов. Выходы блоков 86-88 дифференцирования и интеграторов 89-91 сосбросом соединены с первыми входамипороговых элементов 93 - 98, вторыевходы которых соединены с выходамизадатчиков 99 - 104, выходы первыхтрех пороговых элементов 93 - 95 соединены с входами первого элеглентаИЛИ 105, а выходы пороговых элементов 96 - 98 - с входами второго элемента 1 ПЫ 106. Выходы первого 105 ивторого 106 элементов ИЛИ соединеныс входами третьего элемента ИЛИ 107,55выход которого соединен с входом сиг"нализатора 108, Выходы интеграторов89 - 91 со сбросом соединены с входами трехканального регистратора и индикатора 109,Контроль содержания метана С1 з углекислого газа С и угарного газа Св шахтной атмосфере осуществляютпутем выполнения следующих последовательностей операций:поток инфракрасного излучения снепрерывным спектром пропускают через контролируемый объем шахтной атмосферы заданной толщины Ь;регистрируют интенсивности пронедшего излучения 1 с длиной волныФ соответствуюцей максимуму поглощения/ метана 1, углекислого газа 1 и угарного газа 1 ;поток инфракрасного излучения с непрерывным спектром пропускают через контролируемый объем шахтной атмосферы той же заданной толщины Ь и калиброванные кюветы с метаном, угле- кислым газом и угарным газом;регистрируют интенсивности прошеднего через контролируемый объем и калиброванные кюветы инфракрасного излучения с длиной волны около 3,39 мкм через атмосферу и кювету с метаном/1, с длиной волны 4,3 мкм через атмосферу и кювету с углекислым газом 1", с длиной волны 4,7 мкм через ат(О мосферу и кювету с угарным газом 1поток инфракрасного излучения с непрерывным спектром пропускают через контролируемый обьем шахтной атмосферы другой толщины Ь ФЬ;регистрируют интенсивности прошедшего излучения 1" с длиной волны, соответствуюцей максимуму поглощения/ И метана 1, углекислого газа 1 иИугарного газа 13поток инфракрасного излучения с непрерывным спектром пропускают через контролируемый объем шахтной атмосферы той же толцины и калиброванные кюветы с метаном, углекислым и угарным газами;регистрируют интенсивности прошедшего через атмосферу толцины Ь и соответствующую кювету излфчения с длинами волн соответственно около1 к/ 3,39 мкм 1, около 4,3 мкм 1 и около 4,7 мкм 1содержание контролируемого х-го газа в шахтной атмосфере определяют по Формулам;С,=К 1 п(1 /1 )Г 1 (1,/1,)- Ы(1,"/1) 3 (1)для метана, где К - отношение пути инфракрасного излучения через кювету с метаном к пути инфракрасного излучения через контролируемый объем шахтной атмосферы;С К 1 п(1 /1 ) 1 п(1 у/1)- 1(1/1 ) 1 (2) для углекислого газа, где К - отношение пути инфракрасного излучения через кювету с углекислым газом к пути инфракрасного излучения через .контролируемый объем шахтной атмосферы (в Х);С =К 1 (1, /1,) Ьп(1 /15)- 1 п(1 /1,")(3)для угарного газа, где К- отношение пути инфракрасного излучения через кювету с угарным газом к пути инфракрасного излучения через контролируемый объем шахтной атмосферы (в 7.)сравнивают содержания всех трех контролируемых газов (метана, углекислого и угарного газов) за заданное время с допустимыми содержаниями;определяют скорости увеличения содержаний метана й С , углекислого Д Си угарного Д С 3 газов с заданными значениями увеличения скоростей д С,Й 3 33 фесли какое-либо из содержаний превышает допустимое содержание или какая-нибудь скорость увеличения содержания превышает заданное значение скорости увеличения содержания, то выдают сигнал о недопустимо большом метановыделении в горной выработке;определяемые за заданное время содержания метана, углекислого и угарного газов С , С и С регистрируют и индицируют.Устройство работает в два такта следуюшим образом.В первом такте источник 1 устанавливается в положение, показанное на фиг. 1, а переключатели управляемых коммутаторов 46 - 48 устанавливаются в положения, показанные на фиг. 3. В корпусе 6 находится чистый воздух под атмосферным давлением. Инфракрасное излучение от иэотропного источника 1 с непрерывным спектром проходит через контролируемый объем шахтной атмосферы к корпусу 6 по направлению к детекторам 15,17 и 19; излучение на пути к детектору 15 фильтруетсянолосовым интерференционным светофильтром 27, который пропускает на детектор 15 лишь инфракрасное излучение с длиной волны около 3,39 мкм, на детектор 17 светофильтр 29 пропускает лишь инфракрасное излучение с длиной волны около 4,3 мкм, на детектор 19 светофильтр 31 пропускает лишь излучение с длиной волны около 4,7 мкм. Интенсивность излучения 1. на детектор 15 определится соотноше- нием ехр(-Ь, ЬС ), (4) 1где 1о 15 интенсивность излучения надетектор 15 в вакууме (еслипоместить показанное нафиг. 1 устройство в чистый, сухой разреженный воздух;коэффициент ноглошения излучения с длиной волны около3,39 мкм шахтной атмосферой,коэффициент Ь в наибольшейстепени определяется концентрацией метана, но зависит также от запыленности,влажности, температуры идавления шахтной атмосферы,а также от содержания вшахтной атмосфере концентраций других газов;концентрация (содержание)метана в шахтной атмосфере, 3путь излучения от источника 1 к детектору 15 в контролируемой шахтной атмосфере. 20 25 30 35 40 Интенсивность инфракрасного излучения на детектоР 191 =1 ехр(-Ь ЬС ), (6)мегде 1 -"интенсивность в вакууме;С - концентрация угарного газа; Аналогично интенсивность инфракрасного излучения на детектор 171 =1 ехр(-Ь ЬС ), (5) 45где 1 - интенсивность в вакууме;С - концентрация углекислогогаза;Ь - коэффициент поглоцения ин фракрасного излучения с длиной волны 4,3 мкм шахтнойатмосферой.30 1 =1 дехРГ-Ь 1(К+С); (9)К =й 100%ф.з 1 п / , (10)Интенсивность излучения с длинойволны около 4,7 мкм на детектор 20и отношение записываются аналогично:1"=1 "ехр -Ь 1. (К +Сд ) 3;К,=а, .1 О 0%Гт.зЫР 3 . (12) Сигналы, соответствующие интенсивностям 1 и 1 , с детекторов 15 и 16 усиливаются усилителями 40 и 41 и через коммутатор 46 поступают на входы первого измерителя 49 отношений, на выходе которого Формируется сигнал 1 /1,поступающий на вход логарифматора 53, С выхода логарифматора сигнал 1 н(1 /1) подается на вход2второго элемента 56 задержки. Ка вход первого элемента 50 задержки поступает сигнал 1 .55Аналогично во, втором канале на выходе измерителя 62 отношений фор имируется сигнал 1 /1, который логарифмируется в логарифматоре 67, и в Ь - коэффициент поглощения излучения.с длиной волны 47 мкмшахтной атмосферой.В это же время инфракрасное излучение через атмосферу, фильтры 28,30 и 32 и кюветы 33 - 35 соответственно с метаном, углекислым газов и угарным газом попадает соответственно на детекторы 16,18 и 20, Интенсивность из О лучения с длиной волны около 3,39 мкм на детектор 16 записывается в виде1 =1 ехр-Ь,1(К +С )3, (7) где 1 - интенсивность в вакууме; 15К - отношение жути инфракрасныхлучей.на детектор 16 в метане к их пути в шахтной атмосфере 1., %.Значение К в показанной на Фиг.1 20 и 2 конструкции устройства определяется из выраженияК =с 1 .100%6.здп/3 , (8)1где й - толщина кюветы с метаном; 25/5 - угол между осью пучка и направлением на центр детектора 16.Аналогично записываются интенсивность излучения с длиной волны около 4,3 мкм на детектор 18 и отношение: элемент бб задержки поступает сигнал 1 п(1 /1,), а в элемент 65 задержки- сигнал 1".В третьем канале в элементе 76в( задержки Формируется сигнал 1 , а в элементе 77 задержки - сигналПо истечении первого такта длительностью й с блока 85 управления на управляющйе коммутаторы 46 - 48, которые устанавливаются на время переходного процесса длительностью С в нейтральное положение, поступает сигнал. Во время переходного процесса управляющие коммутаторы 46 - 48 устанавливаются в положение, при котором входы коммутаторов отсоединяются от их выходов. Затем с блока 85 управления на электромагнит 7 поступает сигнал, под действием которого в него втягивается шток 8, перемещая кронштейн 2 с источником 1 вниз. При достижении источником 1 нижнего заданного положения (показано пунктиром на Фиг. 1) шток 3 Фиксаторами 10 Фиксируется в отверстии 4, а находящийся и далее под током электромагнит 7 продолжает на все время второго такта длительностью С удерживать шток 8 в нижнем положении.В начале второго такта с блока 85 управления на управляемые коммутаторы 46 - 48 поступает сигнал, под действием которого переключатели коммутаторов переключаются в правые положения: усилитель 40 соединяется с первым входом измерителя 52 отношений н вторым входом измерителя 51 отношений, выход усилителя 41 соединяется с вторым входом измерителя 52 отношений, выход усилителя 42 - с входами измерителей 63 и 64 отношений, выход усилителя 43 - с вторым входом измерителя 64 отношений, выход усилителя 44 - с вторым входом измерителя 74 отношений и с первым входом измерителя 75 отношений, с вторым входом которого соединяется выход усилителя 45.Во время второго такта измерения излучение от источника 1 на пути к любому из детекторов 15 - .20 сначала проходит через нейтральный светоФильтр, ослабляющий излучение любой длины волны от 3 до 6 мкм в одинаковое число раз, численно равное И, а затем проходит через контролируемый объем шахтной атмосферы толщиной 1 (1 .30 На путя к детекторам 16,18 и 20 излучение дополнительно проходит еще через кюветы 33-35 с контролируемыми газами.Интенсивности излучения на детек 5 торы 15,17 и 19 определяются нз соотношений:1 В 1, ехр(-Ь,Ь,С,) р (13)1 Оф 1 ехр(-Ь Ь С ); (14)1 Ю 1 ехр(-Ь Ь,С ). (15)Как и в формулах (4) - (6), здесь1 я ш1 о ю 1 аа и 1 е - соответственно интенсивности на детекторы 15,17 и 19 в вакууме; Ъ,Ь и Ь - коэффициенты поглощения соответствующими газами; Ь 1 - путь излучения от источника 120 к детекторам в контролируемой шахтной атмосфере.11 о аналогии с (7), (9) и (11) интенсивности инфракрасного излучения 25 на детекторы 16,18 и 20 соответственно записываются в виде:1 =Щ, ехр-Ь Ь, (К, +С, ) 3(16)1 =Я 1 щ ехр-Ь, Ь, (К+С)3 4(17)ехр 1;Ь Ь(К +С )1, (18)где К =с 1,100 ХЬ 1 здп/1-К =д,.1 ООХЬзпР , (19)К 1=б100 ХЬ з 1 п,Р =К1 ООХ Ьв дп,/З; . (20)К =Й 10 ОХЬ ззпР, щК=Й40 э 100 Х Ьз 1 пР , (21)Уравнения (19) -(21) имеют место, так как Ь зп /=ЬзпРравно расстоя 1нию от оси пучка излучения до чув ствительной .области любого из детекторов.Во время второго такта на вход измерителя 52 отношений подаются сигюНалы 1 з И 1 у на его выходе форми 50 руется сигнал 1/1 , который логариф/мируется логарифматором 55, и сигнал 1 п(14/1) подается на вход (суммирующий) измерителя 57 разности, на вычитающий вход которого с элемента 56 задержки (где на время переходного процесса был задержан сигнал)( (подается сигнал 1 п(1 /1 ), а на выходе измерителя 57 разности формируется сигнал 1 п(1 /1) " 1 п(1. /1).3 1 С детектора 15 на второй вход измерителя 51 отношений подается сигнал 1 З,а на его первый вход к этому времени с элемента 50 задержки подается задержанный ранее в нем на времясигнал 1 . На выходе измерителя 51 отношений формируется сигнал 1, 7(который после логарифмирования в блоке 54 поступает в четвертый измеритель 58 отношений,на другой вход которого подается сигнал 1 п(1/1 з) -/ -1 п(1/1) . На выходе четвертого изме рителя 58 отношений формируется отношение поступивших на его входы сигналов1 п(1 /1 )11 п(1 /13)-1 п(1 /-т1 ) , которое поступает на первый вход блока 59 умножения, на второй вход которого с задатчика 60 поступает сигнал К 1, численно равный отношению сигналов согласно (8). На выходе блока 59 умножения формируется ,сигналА=К,1 п(1,/1,) Г 1 п(1/1) - 4-1 п(1/1). (22)Чтобы сигнал А численно равнялся значению концентрации метана .С., полученному из решения системы уравнений (4), (7), (13) и (16), необходимо выполнить условие10,-И 102(23)Поясним физический смысл условия (23), Из фйг. 1 видно, что Ь,(Ь. Поэтому во втором такте измеренияинтенсивность 1 71 приблизительно во столько раз, во сколько раз больше чем Ь . Для удовлетворения, (23), при котором система уравнений (7), (4), (13) и (16) имеет однозначное решение, не зависящее от сильно/ флуктуирующих параметров Ь и 1, перед нижним положением источника 1 установлен нейтральный фильтр 13, ослабляющий излучение от источника 1 до любого из детекторов в И раз, где =10 /10.Таким образом, при правильно подобранной толщине фильтра 13 по величине отношения 1 /1, определяемого на заводе-изготовителе устройства при его калибровке, на выходе блока 59 умножения в конце второго такта измерения формируется сигнал А согласно (22), численно равный концентрации метана (или другого гаэа)в.шахтной атмосфере, Этот сигнал затем поступает в блок 61.Аналогично во втором такте измере- ния содержания углекислого газа в шахтной атмосфере формируются сигналыф1 и 1 на входах измерителя 64 отношений и 1/1 на его выходе, который поступает на вход логарифматора 69. На выходе п еднего появляется сигнал 1 п(Х., ), на выходе элемента 66//03Л задержки формируется сигнал 1 п(/ /"), на выходе измерителя 70 разности - сигнал 1 п(1"/1 )-1 п(Х/1)3, на второй вход измерителя 63 отнои, 15 шений поступает сигнал 1, а на первый с элемента 65 задержки подается сигнал 1 ; на выходе измерителя 63 отношений формируется сигнал 1/1), который логарифмируется в блоке 6820 и подается на четвертый измеритель 71 отношений, на другой вход которого подается сигнал1 п(1/1"-1 п(1"/1 ), На выходе блока 71 Формируется сиг 1 п(1",/",) Гп (Х,"/Х",)-1 п(1,"/Х",)который подается на первый вход блока.72 умножения, на второй вход которого подается сигнал К, численно равный отношению согласно (10), на выходе блока 72 умножения Формирует 30 ся сигналС,=К 1 п(1 /1,) Г 1 п(14/Х)- который при условии (23) численно равен концентрации (в %) углекислого газа.Во время второго такта измерения концентрации угарного газа формируюти ГИся также сигналы 1 З и 1 на входах 401 в.щизмерителя 75, 1 / на его выходе, 1 п(1 /1") на одном входе измерителя 81,ц разности и 1 п(1"/1 ) на другом и Г 1 п(1/ /1 )-1 п(1 /1 ) на его выходе; на входах измерителя 74 отношений формируются 45 сигналы 1" и 1 ", а на его выходе - сигнал 1" / , который логарифмируется в блоке 19; на входы измерителя 82 отношений поступают сигналы 1 п(1/1,)1 п(1 /1 )-1 п( /1 ), а на его выхо . де формируется сигнал 1 п(Х/1 ) 11 п(Х/ /1 ) -1 п (1 "/1, Этот сигнал вместе 3 2с сигналом К с задатчика 84 поступает на входы блока 83 умножения, на 1выходе которого Формируется сигнал16который при выполнении условия (23) численно ранен концентрации (в Х) угарного газа.В конце второго такта сигналы с блоков 59,72 и 83 умножения поступают в блок 61 (фиг.4) . Сигналы С,С и С поступают на входы интеграторов со сбросом, где они интегрируются за 2-5 циклов измерения (каждый из которых состоит из двух тактов) и подаются на входы трехканального регистратора и,индикатора 109, где регистрируются и индицируются за 2-5 циклов в виде процентных содержаний метана, углекислого и угарного газов. Одновременно сигналы С, С и С поступают на входы блоков дифференцирования, где за 2-5 циклов измерения определяются средние скорости изменения концентраций А С , й С и 6 С. Эти средние значения скоростей изменения (увеличения) концентрации подаются на входы соответствующих пороговых элементов 93 - 95, где они сравниваются с заданными значениямискоростей изменения д С, д С и д СЗ. Еслибы С ЬС то на выходе элемента 93 появляется единичный сигнал, в противном случае сигнал на, выходе порогового элемента 93 равен нулю. Если Ь СМСгз, то на выходе порогового элемента 94 появляется единичный сигнал, в противном случае сигнал на выходе элемента 94 равен нулю. Если ЬС ЯСу, то на выходе порогового элемента 95 появляется единичный сигнал, в противном случае сигнал на выходе элемента 95 ранен нулю, Сигналы с выходов пороговых элементов 93 - 95 подаются на входы элемента ШШ 105, на выходе которого появляется единичный сигнал при напичин единичного сигнала хотя бы на одном из его входов. Сигналы о средних значениях концентраций С,С и СЗ с выходов интеграторов 89 - 91 со сбросом подают-, ся на входы соответствующих пороговых элементов 96 - 98, на вторые входы которых с задатчиков 102 - 104 подаются сигналы о заданных предельныхзначениях концентраций Ся,Ся и СЗю При выполнении условия СС на выходе порогового элемента 96 появляется единичный сигнал, в противном случае сигнал на выходе элемента 96 равен нулю, При выполнении условия С Сна выходе порогового элемента 97 появляется единичный сигнал, в против 17151854918,ном случае сигнал на выходе элемента 97 равен нулю. При выпцлнении условия С) Ся на выходе порогового элемента 98 появляется единичный сигнал, в противном случае сигнал на выходе5 элемента 98 равен нулю. Сигналы с выходов пороговых элементов 96-98 подаются на входы элемента ИЛИ 106. На выходе элемента 106 появляется единичный сигнал, если хотя бы на одном из его входов появляется единичный сигнал, т,екогда хотя бы одно значение концентрации превышает предельное значение. Сигналы с выходов элементов ИЛИ 105 и 106 подаются на входы элемента ИЛИ 107. На выходе элемента ИЛИ 107 появляется единичный сигнал при появлений единичного сигнала хотя бы на одном из его двух входов. Таким образом, на выходе элемента ИЛИ 107 единичный сигнал появляется, если хотя бы одна средняя концентрация превышает предельное значение или хотя бы одна средняя 25 скорость увеличения концентрации превышает соответствующее заданное значение скорости изменения. При появлении единичного сигнала на выходе элемента 1 Ц 1 И 107 сигнализатор 108 подает 30 сигнал о недопустимом метановыделении в горной выработке, Такая шестикритериальная сигнализация повышает достоверность сигнализации, так как сигнал возникает и при любом единичном из шести превышений и при любых одновременных сочетаниях превышений по два, три, четыре, пять и ыесть. Схема сигнализации сигнализируе о недопустимом метановыделении при лю 40 бом из 63 возможных случаев превышения (суммарное число сочетаний из шести элементов по одному, два, три, четыре, пять и ыесть элементов 6+15+ +20+15+6+1=63)45В конце каждого второго такта с блока 85 управления поступает сигнал на электромагнит 7 для его установки в исходное (Фиг. 1) положение. После этого следующий сигнал с блока 85 управления поступает на коммутаторы 46 - 48, они устанавливаются в положение, показанное на фиг.3, и начинается первый такт нового цикла измерения.55После каждых 2-5 циклов измерения с генератора 92 импульсов на обнуляющие входы интеграторов 89-91 со сбросом поступает короткий импульс, под действием которого содержимое интеграторов со сбросом сбрасывается и начинается новое измерение из 2-5 циклов.Пример реализации устройства, Источник 1 - лампа накаливания с температурой около 500 С (которая соответствует максимуму излучения на длине волны 3,75 мкм и которая даже в случае повреждения не приводит к загоранию метана). Температура 500 С обеспечивает достаточно интенсивное инфракрасное излучение на всех требуемых диапазонах 3,39, 4,3 и 4, мкм и не достаточна для возможной аварии из-за загорания метана при повреждении лампы накаливания. Для меньшего поглощения инфракрасного излучения колба лампы накаливания выполнена из иртрана, Детекторы 15-20 выполнены в виде Фотодиодов на основе РЬБ, светофильтры 27-32 - полосовые поглощающие интерференционные Фильтры с полосами пропускания 3,39, 4,3 и 4,7 мкм, Усилители 40-45 - операционные усилители на микросхемах. Управляемые коммутаторы 46 - 48 - ключи на биполярных или 110 П-транзисторах. Измерители 49,51,52,62 - 64,3 - 75,58,66 и 77 - аналоговые усилители на операционных усилителях с умножением в цепи обратной связи. Логарифматоры 53 55,67 - 69, 78 - 80 - плоскостные полупроводниковые диоды. Элементы 50, 56,65,66,76 и 77 задержки - конденсаторные аналоговые запоминаюшие устройства с операционными усилителями и замкнутой обратной связью, Задатчики 60,73,84,99 - 104 - источники опорного напряжения с потенциометрами на выходе, Блоки 59,72 и 83 умнокения - множительные устройства на управляемом дифференциальном усилителе, Измерители 57,70 и 81 разности - дифференциальные усилители. В качестве блока 85 управления используется стабилизированный кварцем генератор на частоту 100 си делители на триггерах с коэффициентами деления 1:2 и 1;64 (делитель содержит 6 триггеров). Блоки 86-88 дифференцирования - специальные низкочастотные дифферен" циаторы, Генератор импульсов - стабилизированный кварцем генератор с частотой на выходе (короткие импульсы длительностью около 1 мс) около 0,01 Гц. Пороговые элементы 93-98 - однопороговые компараторы. Элементы 105-107 - логические элеь:енты ПЫ,