Способ определения концентрации метана в шахтной атмосфере

(21) 4368234/ (22) 26.01,88 (46) 23.10.8 (71) Конотоп 3 9, Бюл.ский эле регист- электокислении метана рации интенсивнос лемент потоеский ромехан ла приче выбир циент погл полосе, С , средняя ко максимальная, аентрации метана,ил е ти измене ен и но ко)ть использо чиков анализ томатике и мож дновременн роении даи метанаматическо ий запыл я и темп ту ле хтной атмосфезовой защиты центрац для авт ры,ахт льны чертежехема уст выш ия является п ет увеличения обрет Целние то ва для определения ости эа с СУДАРСТ 8 ЕННЫЙ НОМИТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТ И П.1 НТ СССР ПИСАНИЕ ИЗОБРЕ ВТОРСНОМУ С 8 ИДЕТЕПЬСТВУ завод "Красный металлист" (72) В,П. Белоножко А,М. Онищенко, А,А, Марченко, Ю,Ф, Ска цкий и Б,А, Жолинский(56) Авторское свидетельство СССР В 1075125, кл. С 01 И 21/61, 1982.Авторское свидетельство СССР 11 1116182, кл. Е 21 Р 9/00, 1983. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ МЕТАНА В ШАХТНОЙ АТМОСФЕРЕ (57) Изобретение относится к горной автоматике и может быть использовано при построении датчиков определения концентрации метана в шахтной атмосфере для автоматической газовой защиты в угольных шахтах. Целью изобретения является повышение точности анализа путем одновременного повышения скорости изменения выходного сигнала при изменении концентрации метана путем снижения влияния флуктуаций запыленности, влажности, давления и температуры г ахтной атмосферы, В способе анализа концентрации метана в етение относится к горнон ав 2гшахтной атмосфере, основанном на нагревании элемента, каталитическом ромагнитного излучения от элемента с окисляемым на нем метаном, часть элемента изолируют от контакта с шахт ной атмосферой, предотвращая каталитическое окисление метана на этой части, и дополнительно регистрируют интенсивность 1- электромагнитного излучения от изолированной части элемента, которое прошло через контролируемый объем шахтной атмосферы. Элемент нагревают до температуры около 580 С пропусканием через него стабильного по величине тока от стабилизатора тока, Электромагнитное излучение регистрируют в полосе 3,19- 359 мкм, а о концентрации метана судят по величине отношения зарегистрированных интенсивностей 1 /1;м 1 измеряют на расстоянии 1., аемом из условий ЪС 1.,(1 и 1)1меряют на расстоянии 1, выбираемом из условия ЬС с 1, =2, где Ь - коэффиощения метана в указанной я выходного сигналаконцентрации метана приснижении влияния флукности, влажности, даватуры шахтной атмосфе)оказана ункциональ10 концентрации метана в шахтной атмосфереУстройство состоит иэ нагревательного элемента (например, термокаталитического), неизолированная часть1 которого контактирует с шахтнойатмосферой, а изолированная часть 2покрыта гаэонепроницаемой пленкой 3,прозрачной для инфракрасного излучения (например, иэ сапфира).Нагревательный элемент через выключатель 4 подключен к стабилизатору 5 тока, К открытой части 1 нагревательного элемента примыкает камера 6 с анализируемым объектом 2 шахтной атмосферы,Камера 6 открыта со стороны части1, а также в перпендикулярных к плоскости чертежа направлениях, Это обеспечивает свободный доступ шахтной атмосферы в камеру и на открытую часть1 нагревательного элемента,Против открытой части 1 эа камерой6 установлен фотоприемник 8, смонтированный в контейнере-коллиматоре 9.Против изолированной части 2 нагревательного элемента за камерой 6установлен дополнительный Фотоприемник 10, смонтированный во второмконтейнере-коллиматоре 11,Перед основным фотоприемником 8установлен первый полосовой (например, интерференционный) фильтр 12,а перед дополнительным фотоприемником 1 О установлен второй полосовойфильтр 13. Толщина контролируемогообъема 1 перед основным фотоприемником 8 меньше толщины 1.г контролируемого объема шахтной атмосферыперед дополнительным фотоприемником 10,Выходы фотоприемников 8 и 10 через усилители 14 и 15 соединены свходами измерителя 16 отношений, выход которого соединен с входом блока 17 индикации и регистрацииНагревательный элемент из открытой 1и закрытой 2 частей, выключатель 4и стабилизатор 5 тока размещены вкорпусе 18 из металлической сетки 19со стороны открытой части 1. Сетка19 является огнепреградителем,Определение концентрации метана вшахтной атмосфере осуществляют следующей последовательностью операций,Через открытую и изолированнуючасти нагревательного элемента пропускают стабильный по величине ток 1,15 20 25 30 35 40 45 50 55 нагревая им элемент до температурыоколо 580 С. Регистрируют интенсивность 1, потока инфракрасного излучения в полосе 3,19-3,59 икм от открытой части элемента с окисляемымна нем метаном, Регистрируют интенсивность 1 -, потока инфракрасного излучения в полосе 3,19-3,59 мкм отзакрытой части нагревательного элемента, нагретого от стабилизатора тока до температуры около 580 С, Определяют значение отношения зарегистрированных интенсивностей 1 /1Повеличине отношения 1/1 судят о концентрации метана в шахтной атмосфере, Интенсивность 1 т регистрируютна расстоянии Е от открытой части,а интенсивность 1- регистрируют нарасстоянии 1. от изолированной частинагревательного элемента, где Е с 1,Устройство работает следующим образом.Включают выключатель 4, подключаястабилизатор 5 тока к нагревательномуэлементу, Постоянный по величине ток1 проходит через нагревательный элемент, нагревая его открытую 1 и изолированную 2 части до постоянной температуры около 580 С,оКогда открытая часть 1 нагреласьдо температуры 580 С, на ней происходит термокаталитическое горение(окисление) метана,От горения повышается температура открытой части и растетсопротивление этой части нагревательного элемента К, тем в большей степени, чем выше концентрация метана,Поскольку из стабилизатора 5 токав нагревательный элемент поступаетпостоянной силы ток 1, то выделяемаяна открытой части электрическая мощгность Р =1 К растет с ростом кон 1центрации метана.Из-эа нагрева открытой части 1стабилизатором 5 тока из открытойчасти излучается инфракрасное излучение, интенсивность которого пропорциональна Р =1 К , Из-за термоката 7литического горения метана на открытой части 1 излучается инфракрасноеизлучение, интенсивность 1 которогопропорциональна концентрации метана С.Таким образом, на основной фотоприемник 8 от открытой части 1 излучается инфракрасное излучение интенсивностью 1,+. На пути 1 черезшахтную атмосферу инфракрасное иэлу5 151чение ослабляется так, что обе интенсивности уменьшаются в одинаковое число раз,Интенсивность потока инфракрасного излучения на основной фотоприемник 8 может быть представлена в виде1 (1,+1 )1 с,ехр-ЬЬ,С 3, (1)где с - аппаратурный коэффициент;Ь - коэффициент поглощения инфракрасного излучения в полосе с длиной волны 3,39 мкмпосередине, например, полосы от 3,19 до 3,59 мкм.При этом инфракрасное излучение от открытой части 1 элемента имеет широкий непрерывный спектр с максимумом, приходящимся на длину волныо3,39 мкм при 580 С и с уменьшающейсядлиной волны в максимуме при интенсификации горения метана, т.е. приповышении температуры открытой части. Эксперименты показывают, что росттемпературы от концентрации зависитот размеров открытой части и ат мощности Р, . При диаметре элемента 3 мм,его длине 2 мм и мощности Р= Вттемпература открытой части 1 приувеличении концентрации от 0 доо3 об;Х увеличивается на 52 С, т,е.от 580 до 632 С, что соответствуетизменению длины волны в максимуме от3,39 до 3,2 мкм.Как показывают эксперименты, интенсивности 1 и 1 2 могут быть с достаточной точностью аппроксимированылинейными функциями вида1, =а,+е,с; (2)(3)где а - свободный член, численноравный интенсивности 1, принулевой концентрации метана;е,е 2 - угловые коэффициенты, численно равные приростам соответствующих интенсивностей приединичном увеличении концентрации метана,Подставив 1, и 1 2 из (2) и (3)в (1) получают1 д=ад+С(ед+езЦ 1 с ехр "Ы,С 3 (4)В устройстве значение Ь, выбираюттаким, что при максимальном значенииопределяемой концентрации метана Свыполняется условиеЬЬ, Сс 1. (5)При выполнении условия (5) интенсивность согласно (4) увеличиваетсяво всем диапазоне роста концентрацииметана от С=0 до С=С , При ЬЬС= 6908бна верхней части диапазона наблюдается перегиб; а при ЬЬС)1 перегиб назависимости 1 по (4) наблюдаетсяпри концентрации С;сС, когда СЬ 2 Ь1, а при дальнейшем увеличении СС;интенсивность 1 согласно (41 уменьшается,От стабилизатора 5 тока в изолированную от шахтной атмосферы часть 2поступает тот же ток 1. СопротивлениеК 2 части 2 элемента остается постоянным (К сотай), так как на немгорения метана не происходит, а теп 5 лопередачей по спирали элемента можно пренебречь. Выделяемая на изолированной части 2 элемента мощностьР 2 1 К=сопвй остается постоянной.2Из-.за нагрева изолированной части20 2 элемента стабилизатором 5 тока допостоянной температуры 580 С иэ этойчасти излучается инфракрасное излучение, интенсивность 1 которого постоянна, пропорциональна Р 2=1 К а мак 225 симум интенсивности соответствуетдлине волны 3,39 мкм.Таким образом, на дополнительныйфотоприемник 10 от изолированной части 2 элемента излучается инфракрас 30 ное излучение интенсивностью 1 , неизависящей от концентрации метана вшахтной атмосфере. На путичерез шахтную атмосферу интенсивность1 экспоненциально ослабляется и надополнительный фотоприемник 10 попадает интенсивностью 1 2 согласно выражениюехр (-Ъ. 2 С),6)где 1 с 2 - аппаратурный коэффициент.40 Сигналы с фотоприемников 8 и 10,пропорциональные интенсивностям 1 и1 -, усиливаются усилителями 14 и 15и подаются на входы измерителя 16 отношений, на выходе которого формирует 45 ся сигнал, пропорциональный отношению 1 /1-:1/1 . 1 с,а,+С(е,+е 2) ехр(-ЬЬ,С)1 с 21;, ехр(-ЪЬ 2 С) =1 с с, 1 а Га,+С(е,+е 2)ехр ЬС(Ь 2 Ь;Я (7)50Сигнал 12/1 - с выхода измерителя6 отношений, являющийся мерой концентрации метана С, подается в блок17 индикации и регистрации, где отображается (в об,й) содержания метана,55Сущность повышения точности путемодновременного увеличения чувствитель-ности и снижения влияния флуктуацийзапыленности влажности, давления и1516908 температуры шахтной атмосферы поясняют на основе анализа формулы (7).При увеличении запыленности одновременно уменьшаются значения а , еи е и увеличивается значение Ь. Умейьшения а, е, и е приводят кяуменьшению, а увеличение Ь - к росту правой части уравнения (7). За счет этого происходит снижение влияния 10 флуктуаций запыленности, Физически это объясняется одновременными уменьшениями интенсивностей 1, и 1, согласно (2) и (3), увеличением в (4) и увеличение Ъ в (6), т.е, увеличение запыленности приводит к ухудшению горения метана на открытой части 1 элемента, к снижению температуры открытой части 1, к увеличению поглощения инфракрасного излучения на путях 1 и 1к фотоприемникам 8 и 10. Аналогичные картины наблюдаются при увеличении влажности и давления шахтной атмосферы. С ростом температуры шахтной атмосферы повышается интенсивность горения метана нд открытой части 1 (из-за чего увеличиваются интенсивности 1и 1 ) и одновременно уменьшается коэффициент поглощения Ь, а одновременный рост а 30 е и еи уменьшение Ь приводя. и слабой зависимости отношения 1/1от температуры.Зависимость (7можно представить в виде 35 1 /1=(1 с +1 сС)ехрЪС(1,-1.,)3, где 1 с =1 с 1 с,1:,; а,=сопят и 1 с =1 с,1 с 1- (е,+е ) =сопвй. 15 40 45 50 гретом элементе и регистрации интен 55 Длины путей 1 и 1инфракрасного излучения через шахтную атмосферу подбирают при юстировке устройства.Процесс подбора 1.осуществляют следующим образом, Увеличивают концентрацию метана от 0,8 С до Си следят за изменением интенсивности 1, Если с ростом С от 0,8 С до С интенсивность 1 т падает, то умень-. шают 1. до увеличения 1 , Если с ростом С от 0,8до Синтенсивность 1 - растет, от 1 О до 1,05 1 то расстояние 1 увеличивают до обеспечения прироста на 57 О с увеличением концентрации от 0,8 С до С , т.е. от 2,4 до 3 об,7., Таким образом обеспечивают увеличение числителя в ( 7), т,е. увеличение интенсивности 1 т на 18,3 отн.7 при увеличении содержания метана иа 1 абс,7 по объему. Расстояние 1. подбирают таким, что при средней концентрации метана С, =1,57 значение Ь 1. С, =2, Это обеспечивает уменьшение интенсивности1при увеличении концентрации от 0,8 С до С на 57, т.е, уменьшение интенсивности 1,-, иа 8,3 отн,7 О при увеличении содержания метана на1 абс.7. по объему. Такая юстировка устройства приводит к возникновению чувствительности 1,105, на 10,57. увеличения отношения 1/1 - при увеличении содержания метана на 1 абс,7. по объему. При этих условиях обеспечиваются и минимальные суммарные,влияния флуктуаций запыленности, давления и температуры шахтной атмосферы. Так при увеличении запыленности шахтной атмосферы на 107., т.еот 300 до 330 мг/м , величина отношения 1/1- уменьшается лишь на 1,37, т,е, на 0,127. по метану. При увеличении относительной влажности от 0,8 цо 0,9, т,е, на 107. при 35 С, величина отношения 1/1уменьшается на 17 О, т,е. менее чем нд 0,17 по метану, Увеличение давления на 107 от номиндльного приводит к уменьшению отношения 1/1 на 0,57, т,е, менее чем на О, 057, в 1 иокдзаниях по метану. Увеличение темоиературы от 35 до 45 С приводит к увеличению отношения 1 /1 . на 0,127,Й т.е. к изменениям в показаниях менее чем на 0,012 об,7 по метану. Значения 1, и 1.при юстировке составляют 1=60 мм и 1. =250 мм при ширине полосы пропускания фильтров 12 и 13 от 13,9 до 3,59 мкм.После юстировки устройство градуируют, приводя в однозначное соответствие показания блока 17 индикации и регистрации (пропорциональные отношению 1 /1; ) с концентрацией метана С,тГрадуировка может проводиться любым известным методом, например методом наименьших квадратов на поверочных газовых смесях. Формула изобретенияСпособ определения концентрации метана в шахтной атмосфере путем каталитического окисления метана на насивности оптического излучения от этого элемента, о т л и ч д ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точ -кости зд счет увеличения скорости151 6908 15 ахомов Корректор М. Пож Составитель Техред М,Мо Редактор Бобкова 9 Подписноеа по изобретениям и открытиям при 1 Е 1 Т СГ РЖ, Раушская наб., д, ц/5 аказ 782 Тираж НИИЛИ Государственно 11303комит Москв оиэводственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. 1 пг;ряо,изменения выходного сигнала при изменении концентрации метана при одновременном снижении влияния флуктуаций запыленности, влажности, давления и температуры, нагрев элемента осуоществляют до 580 С стабилизированным электрическим током, регистрацию интенсивности оптического излученияпроводят в полосе 3,19-359 мкм отдвух участков элемента, один из которых изолирован от шахтной атмосферыпричем интенсивность 1 оптического излучения от неизолированного участкарегистрируют на расстоянии 1 оп 1.- деляемом из соотношения Ь 1,С 1, а интенсивность 1 от изолировангоФна расстоянии 1., определяемом иэ соотношения Ы,С, =2, где 1 - коэффициент поглощения метаном излученияв укаэанной полосе, С, - максимальнаязаданная концентрация метана, С,. -средняя концентрация метана, причемо концентрации метана судят п отношению 1/1 .