Способ настройки шахтных инфракрасных сигнализаторов метана и устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКРЕСПУБЛИК 01295 и 4 Е 21 Г 17/ САНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ плани,Басова гцита ь - М.: Ж ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ ТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Конотопский электромеханический завод Красный металлист(56) Хикс Ч. Р. Основные принципы рования эксперимента. - М.: Мир, с. 406.Карпов Е. Ф., Биренберг И. Э., ский Б. И. Автоматическая газовая з и контроль рудничной атмосферь Недра, 1984, с. 177 - 184.Авторское свидетельство СССР1105667, кл. Е 21 Г 17/18, 1982.(54) СПОСОБ НАСТРОЙ.КИ ШАХТНЫХ ИНФРАКРАСНЫХ СИГНАЛИЗАТОРОВ МЕТАНА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к горной автоматике и позволяет с высокой точностью измерять содержание метана за счет установления оптимальных значений параметров датчика сигнализатора метана. Способ основан на минимизации погрешности (П) измерения содержания метана. Для этого изменяют расстояния . между источником (И) 1 и детектором (Д) 2 инфракрасногоизлучения датчика сигнализатора метана с помощью вертикальной стойки 9 с делениями 10. Затем последовательно изменяют углы сси яд коллимации И 1 и Д 2 посредством гаек 7 и 8 держателей 5 н 6, полосы1295011 пропскания Хи 3 р фильтрами-монохрома- торами 3 и 4 излучения от И 1 к Д 2 и напряжения С питания И . Механизмом смены и фиксации, состоящим из крестовины 25, вала 26 и фиксатора 27, последовательно устанавливают кюветы с чистым воздухом В, метаном Им 32, парами воды Лl, угольной пыли А. 33, угарными Х и углекислыми Му. газами межлу И 1 и Д 2. Кюветы состоят из цилиндров 29 с окнами 30 и 31. При устаИзобретение относится к горной автоматике, а именно к способам и устройствам для установления оптимальных значений параметров и настройки шахтных сигнализаторов метана, и может быть использовано 5 на заводах-изготовителях сигнализаторов и на угольных шахтах для настройки сигнализаторов на заданные условия контроля содержания метана в шахтной атмосфере.Целью изобретения является повышение О точности измерения содержания метана за счет установления оптимальных значений параметров датчика сигнализатора метана, а также повышение безопасности настройки и ее ускорения.На фиг. 1 схематически показано уст ройство для настройки шахтных сигнализаторов метана (источник, детектор и кюветы даны в разрезе); на фиг. 2 - регулируемый источник инфракрасного излучения с регулируемым коллиматором и первым регулируемым фильтром-монохроматором, раз.рез; на фиг. 3 - приемник инфракрасного излучения с регулируемым коллиматором и вторым регулируемым фильтром-монохроматором, разрез.Датчик сигнализатора метана выполнен 25 в виде регулируемого источника 1 и приемника 2 инфракрасного излучения.В состав устройства входят первый 3 и второй 4 регулируемые фильтры-монохроматоры, два регулируемых коллиматора, каждый из которых состоит из держателя 5 ЗО или 6 и гайки 7 или 8 соответствснно. Механизм изменения расстояния и его фиксации состоит из вертикальной стойки 9 с миллиметровыми делениями 10, по которой с помощью хомутов 11 и 12 могут перемешаться горизонтальные штанги 13 и 14. Для точной 35 установки штанг 13 и 14 в требуемые положения механизм имеет лве микрометрические подачи. Микрометрическая подача нижней горизонтальной штанги 13 состоит из рамки 15, микрометрического винта 16, микрометрической гайки 17 и стопорноговинта 18. новке каждой кюветы измеряют сигналы с Д 2 и индицируют блоком 34 индикации. По измеренным сигналам рассчитывают П о до получения минимального значения П по формуле о =Юв - Но,+ (Ув - Лlх)о+ +(фв - ЛуР) ОзР +(А в - Лув) Оул/Ув - Фм, Для ускорения настройки первые тринадцатые значения а, и., о; . Хв, Ъв и l должны равномерно заполнять диапазон их изменений. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 3 ил. 1 табл. Микрометрическая подача верхней го. ризонтальной штанги 14 состоит аналогично из рамки 19, микрометрического винта 20, микрометрической гайки 21 и стопорного винта 22. В каждом из хомутов 11 и 12 закреплен нониус 23 или 24, с помощью которого хомут может быть установлен в требуемое положение с погрешностью не более 0,05 мм.Механизм смены и фиксации положения состоит из горизонтальной шестикрылой крестовины 25, установленной на вертикальном валу 26.Вертикальный вал 26 через фиксатор 27, а вертикальная стойка 9 непосредственно прикреплены к основанию 28.На концах каждого из шести крыльев крестовины 28 закреплены кюветы толшиной И . 0,011,. Кюветы выполнены цилиндрическими, герметичными и одинаковыми по размеру. Каждая кювета состоит из цилиндра 29 и двух окон 30 и 31, завальцованных в цилиндре так, чтобы они были параллельны друг другу и расположены на расстоянии д друг от друга. Окна 30 и 31 кювет выполнены из прозрачного для инфракрасного излучения материала и имеют одинаковую толщину Во всех кюветах - одинаковое давление, равное атмосферному. Первая кювета заполнена чистым воздухом, вторая - метаном 32, третья - парами воды, четвертая - нанесенной на тонкую пленку угольной пылью 33 (пленка выполнена из прозрачного для инфракрасного излучения материала), концентрацией д т 5 , где т - масса пыли в кювете, 5 площадь пленки, равная площади открытой части окна кюветы.Кюветы закреплены на одинаковых расстояниях от оси вала 26 и установлены вертикально. При поворотах вала на угол 60 кюветы последовательно устанавливаются на линии источник 1 - детектор 2 посредине между чувствительным слоем детектора 2 и излучаюшей поверхностью источника 1.Выход детектора 2 соединен с входом блока 34 индикации, выход регулируемого1295011 Параметр Значения в опытах 131) Т 331111 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 237 191 283 30 53 168 145 260 76 99 306 122 214 92 32 112 82 52 12 132 42 22 122 62 72 102 21 105 35 49 77 84 98 91 70 28 84 42 56 10 2 12 4 6 10 20 18 22 26 24 8 14 Ыи, град д.д, град Аи, мкммкм Па 4 6 20 2 26 16 20 5 45 50 65 40 20 35 8 22 14 12 10 1810 60 30 25 15 55 3источника 35 напряжения соединен с регулируемым источником 1 инфракрасного излучения.Способ осуществляется следующим образом.Конкретный настраиваемый сигнализатор метана предназначен для конкретного объекта контроля, например для контроля шахтной атмосферы конкретного угольного бассейна. Тогда становятся известны дисперсии о, а, оа, а (п - пары воды,2 2 2 2у - угольная пыль, уг - угарный газ, ул - углекислый газ). Задают диапазоны варьирования параметров датчика сигнализатора метана. Так, например, для инфракрасного сигнализатора с регулируемым источником инфракрасного излучения в виде глсбара (карборундового излучателя, нагреваемого пропусканием через него электрического тока) диаметром Ы = 6 мм и приемником инфракрасного излучения в виде иммерсионного боло- метра с диаметром окна да = 14 мм эти диапазоны могут составить;расстояния источник в детект от 1, -= =30 мм до У.макс = 306 мм, Л 1, = Емакс -- Е.мак= 276 мм;угла коллимации потока излучения от источника от аймак = 12 (при полностью свинченной гайке 7 из держателя 5) до ам макс = 132 (при полностью навинченной гайке 7 на держатель 5), Ла= 120,полосы пропускания регулируемого фильтра-монохроматора 3 у источника от а -.= =2 мкм до Ьк макс = 26 мкм, и ЛЬ, Лмакс -- Хмкк=24 мкм; Перед проведением первого опыта устанавливают и фиксируют значения параметров из первого столбца таблицы: Ь = = 237 мм, ам = 92, Ха = 21, Хщ = 10 мкм Ха = 8 мкм, У = 1 О В.При этом отметим, что при установке расстояния Е = 237 мм его отсчитывают угла коллимации потока излучения к детектору от яамкк = 21 (при полностью свинченной гайке 8 из держателя 6) до адмакс == 105 (при полностью навинченной гайке 8на держатель) и Лак= 84;напряжения питания источника (соответствующего изменению температуры глобараот 100 до 1200 С) от Умкк = 5 В до Цмас == 65 В, Л(l = 60 В;полосы пропускания регулируемого филь 1 О тра-монохроматора 4 у детектора от Хамка==2 мкм до Хамакс = 26 мкм. и ЛХа = 24 мкм.Для равномерного заполнения пространства варьируемых параметров Гсс, аа,Х, Ха, 17 значения этих параметров в первыхтринадцати опытах (число опытов равно152 к+ 1, где к - число варьируемых параметров) задают из следующего соотношения:тринадцать значений параметра должныполностью и равномерно заполнять диапазон варьирования этого параметра. Отсюдаполучаем1, = 30, 53, 76, 99, 122, 145, 168, 91, 214,237, 260, 283 и 306 мм:ас,= 12, 22, 32, 42, 52, 62, 72, 82,92, 102,12, 122 и 132,и = 21, 28, 35, 42, 49, 56, 63, 70,25 77 84 91, 98 и 105Х= 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24и 26 мкм;Ха = 2, 4, 6, 8. 10. 12. 14, 16, 18, 20, 22, 24и 26 мкм;У = 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55,30 60 и 65 В,По таблице случайных чисел выбираютследующие значения параметров в первыхтринадцати опытах так, чтобы источник 1 и детектор 2 находились на одинаковых расстояниях от центра кюветы: сначала, зная положение центра 55 кюветы на делениях (шкале) 1 О, устанавливают грубо штангу 14 с детектором, фиксируют ее стопорным винтом 22 и потом микрометрической гайкой 21 подводят хомут.2724и определяют номер наибольшей из них (пусть, например, наибольшей оказалась погрешность о 12). Затем из таблицы вычеркивают -Й столбец, номер которого совпадает с -м номером наибольшей погрешности. Определяют средние значения каждого из параметров в оставшихся (без вычеркнутого) опытах+ 42+22+122+62+102- 92+32+ 112+ 82+ д 2+ 12.+ 132Уу ------------- Р -После этого, зная средние значения параметров в оставшихся опытах, рассчитывают значения шести параметров для нового (четырнадцатого) опыта по формуле х 14 = 2,3 х - 1,3 х 12(3) Рассчитанные с помо 1 цью формул (2) и (3) значения параметров для четырнадцатого опыта составляют 1.14 = 236,6 у 4 м, а 1414 = 72, ад 14 = 98,35, 4414 =- 21,8 мкм, Хд 14 = 10,25 мкм, (114 = 57,38 В.Устанавливают и фиксируют значения параметров для 14-го опыта и, последовательно устанавливая кюветы между источником и детектором как в предыдущих опы тах, измеряют и фиксируют шесть сигналов с детектора Лд 14, Л 4114, Лл 44, Лу 14, Л 1 уды и Луд 14. Подставив эти сигналы вместе с дисперсиями од, оу, о;, оу, в формулу (1), рассчитывают четы рнадцатчю погрешностьФ4 о 14. Далее возможны три примера.Пример 1. Погрешность о 14 (012, но погрешность о 14 больше большей из остальных двенадцати погрешностей о 1, о 2, 03, ", 011, о 13. Тогда производят сжатие симплекса, вычеркивают проведенный перед этим 14-й опыт и производят новый опыг 14, рассчитав для него значения параметров по фор муле х 14 = 2 х - х,2(5) 4) Значения параметров для опыта 14 со ьставляют: Ь 4 = 229,14 мм, адч 4 = 72,ад 14 = 94,68, д,уу 14 = 20,9 мкм, Хд 14=10,63 мкм, (114 = 54,94 В. Устанавливают 12 и НО 11 иус 24 до требуемого деления из пас".Ота расстояния У.1/2 от положения центра к 1 оветы, затем аналогично устанавливают 1 тангу 14. После выставления и фиксации нар; метров и включения источника, детектора и блока индикации между источником и детектором устанавливают кювету с чистым воздухом и измеряют сигнал с детектора Фуу 4, устанавливают кювету с метанОм и измеряют и фиксируют сигнал с детектора(уу " - Л ) Олу+ (Х 1 Н - Лууу )13,ЛвПеред проведением второго опыта устанавливают и фиксируют значение параметров с второго столбца таблицы: .2 = 191 мм,а 2 = 32, ад 2 = 05, Хо 2 = 2 мкм, Хд, == 60 В. Повторяют все операции первогоопыта, измеряют сигналы Ьд 2, Й 412, Лд 2,Ну 2, Иу 2, Иуд 2. Подставляют значения сигналов и дисперсий в формулу (1) и рассчитываютют вторую ног реш ность а 2.Повторяя все аналогично, проводят 3,4, 5, , 13-й опыты и в результате рассчитыВают погрешнОсти 03, 04 05, , 01;3.Перед проведением четырнадцатого опыта сравнивают погрешности о 1, о 2, , 013 х 14 == 2,15 х - 1,15 Х 12,Лд у, устанавливают кювету с парами воды и измеряют и фиксируют сигнал с детектора Луустанавливают кювету с угольной пылью и измеряют и фиксируют сигнал с детектора Х 1, устанавливают кювету с угарным газом и измеряют и фиксируют сигнал с детектора Лу 1, устанавливают кювету с углекислым газом и измеряют и фиксируют сигнал с детектора Лу л,Рассчитывают перцу)о погрешность о, - х 1 + х 2 ++ х 1 о + х 11 + х 13 12где х - значение соответствующего параметра.Например, для аполучаем на устройстве значения рассчитанных параметров, проводят опыт 14, измеряя шесть сигналов с детектора Мв:4, Фдч 14, ЛУлл, Лх 14, Л у 14, Луул 14.Подставляют полученные значения сигналов и дисперсии а, о а, 02, в формулу.2 2ли рассчитывают погрешность а 14. Если теперь окажется, что о 14 меньше большей из оставшихся двенадцати погрешностей о 1, 02, оз 011 и о 13, то опыт 14 оставляют вместо вычеркнутых 12-го и 14-го опытов.Если окажется, что о 14 больше большей из оставшихся двенадцати погрешностей 01, 021 03, , 011 И 013, НО 014(012, ТО ВЫ черкивают предыдущий опыт 14 и ставят новый опыт 14", производя второе сжатие симплекса по формуле Значения параметров для опыта 14" составляют 1,14 = 221,67 мм, а 14 = 72, ад 14= =91, Ху 114 = 20 мкм, гд 14 = 11 мкм, с/14= =-52,5 В. Устанавливанэт на устройстве значения рассчитанных параметров, проводят опыт 14", измеряя. как и ранее, шестьСИГНЯЛОВ С ДЕТЕКТОра Хдч Чмулд 1 л Ъ 14 у Худ 44ул 14 Подставляют эти сигналы вместе с четырьмя дисперсиями в формулу (1) и раслсчитывают погрешность о 14. Если теперь окажется, что о 14 меньше большей из оставш ихся двенадцати погрешностей о 1, о., 03, , 011, 01.1, то Опыт 14 ОстаВляют Вместо вычеркнутых 12, 14 и 14 опытов.7Если же окажется, что о 4 больше большей из оставшихся двенадцати погрешностей, то восстанавливают ранее вычеркнутый -й (в нашем примере 12-й) опыт и вычеркивают т-й опыт, у которого погрешность о (о;, но больше любой из остальных (в нашем примере одиннадцати) погрешностей и начинают процедуру снова с 14-го опыта.Пример 2. Погрешность о 4(од и меньше большей из остальных 12 погрешностей о, оь оз оп и о 4. Тогда оставляют 14-й опыт, вычеркивают опыт с наибольшей из тринадцати оставшихся погрешностей о, о, , оо опь о 4, снова по формуле (2) рассчитывают средние значения оставшихся параметров. Например. если наибольшей окажется погрешность о, то формула (2) принимает вид- Х+ХЗ+Х+Х 5++Х +Х 13, Х 112 После этого, зная средние значения параметров в оставшихся опытах, рассчитывают значения шести параметров для нового опыта по формуле (3) .Пример 3. Погрешность о 4)о. Тогда восстанавливают ранее вычеркнутый -й (в нашем примере 12-й) опыт и вычеркивают т-Й опыт, у которого погрешность о,(о но больше любой из остальных (в нашем примере одиннадцати) погрешностей и начинают процедуру снова аналогичную проведению 14-го опыта.После проведения 14-го опыта в модификациях описанных примеров- 3 проводят 15-й опыт, в котором (как и в 14-м опыте) также мбжет иметь место один из трех указанных случаев. После окончания 15-го опыта проводят шестнадцатый (снова с любым из трех случаев) и так далее.Проведенные экспериментальные исследования взаимодействия излучения с веществом показывают, что любая из зависимостей погрешности о от 1., ад, Хц, Хд, (/ носит сложный характер и имеет несколько экстремумов. В этом случае описанная процедура комплексного с переходом на симплексное планирование дает возможность комплексу расширяться по формулам (3) или (4) до тех пор пока новые опыты удачны, т. е. пока погрешности в новых опытах будут меньше большей из погрешностей в оставшихся опытах, а также ускоряет движение к оптимуму, т, е. к получению параметров, обеспечивающих минимум погрешности, Исходный комплекс из тринадцати опытов, в которых осуществлено равномерное заполнение пространства варьируемых параметров, делает комплекс гибким, позволяя движение в большом числе направлений, и препятствует его вырождению. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Проведение последовательных опытов продолжают до тех пор, пока не встретится следующий случай.Симплекс начинает вращаться вокруг точки с наименьшим значением погрешности о. Опыты прекращают по описанной последовательности после того, как одинаковый по значениям параметров опыт повторится 7 раз, т. е. когда при последовательном вычеркивании разных опытов с наибольшими погрешностями получают приблизительно одинаковые расчетные значения параметров для семи различных новых опытов.После этого описанную процедуру проведения новых опытов отражением вершины с наибольшим значением погрешности прекращают и исследуют поведение минимальных значений погрешности в каждом из тринадцати оставшихся после прекращения процедуры опытов.В первом из оставшихся опытов последовательными изменениями при постоянных значениях остальных параметров а, а.,Х, У измерениями сигналов Ло, У, М, Уу, Йп Л. и расчетами погрешности о при каждом новом значении . в ту или другую сторону от значения 1. в первом из оставшихся опытов находят такое Г, которое обеспечивает минимум погрешности о. Затем устанавливают это значение 1. и изменяют а в одну и другую сторону при постоянных, значениях остальных пяти параметров, каждый раз измеряя шесть сигналов и рассчитывая погрешность о.Находят а которые обеспечивают минимум о.Далее аналогично изменениям ап, Хц, Хд, / находят их оптимальные значения ад, Х, ЯдУ. Снова начинают изменять Г при постоянных значениях а, Х,. ад, Х;, У до нахождения нового значения, обеспечивающего минимум погрешности, Далее последовательно изменяют а 1 ад, Х, Хч О. В результате для первого из оставшихся опытов находят совокупность оптимальных параметров датчика сигнализатора метана 1.",Ы., с. Э,Л 11",Описанную процедуру последовательных изменений шести параметров проводят для 2, 3, , 13-го из оставшихся опытов.После этого сопоставляют погрешности при оптимальных параметрах всех тринадцати опытов. Выбирают опыт с наименьшей погрешностью и оптимальные значения параметров именно этого опыта Ь, а а.ь, ХХд;, К, фиксируют и оставляют неизменным в настроенном датчике, предназначенном для конкретного объекта контроля,Аналогично настраивают датчик для другого объекта контроля, например для другого угольного бассейна.Как показала практика, для нахождения оптимальных значений совокупности шести параметров датчика достаточчо провестиоколо 100 - 200 опытов по 3 - 5 мин каждый в то время как при установлении искомых параметров классическим путем число опытов в нашем случае составляет 82500, и при этом точность установления будет существенно меньше, поскольку она будет не лучше 1/30 части диапазона варьирования погрешности по параметрам, которые составляют соответственно: Ль = 92 мм, Лали=4, Лар =2 8, Лц,=0,8 мкм, Л д = =0,8 мкм и Лц,=2 В. Погрешности уста О новления параметров по предложенному способу составляют соответственно; Л;.= =0,05 мм, Л,=0,5, Лр -- 0,5, Л,ч.=0,2 мкм Лр=0,2 мкм и Лс =0,05 В.Формула изобретения1. Способ настройки шахтных инфракрасных сигнализаторов метана, основанный до получения минимального значения погрешности.2. Способ по и. 1, отличающийся тем, что с целью ускорения настройки, первые тринадцатые значения 1 с-и, Л, Л сси 1.1 при их изменениях в опытах исходного комплекса для измерения сигналов Ув, Мм, У, Л/у, Ууч Фу. и расчета погрешности о устанавливают так, чтобы значения 1., ач, кд, Х, Хд и У равномерно заполняли диапазон 30 их изменений, а их значения для последующих опытов рассчитывают отражением вершины с наибольшим значением погрешности о относительно центра тяжести противоположной грани исходного двенадцатимерного комплекса. 353. Устройство для настройки шахтных инфракрасных сигнализаторов метана, содержащее сигнализатор метана, состоящий из датчика и блока индикации и емкость с метаном, отличающееся тем, что оно снабжено двумя регулируемыми фильтрами-монохроматорами, двумя регулируемыми коллиматорами с окнами, механизмом смены и фиксации положения, пятью одинаковыми герметичными цилиндрическими кюветами на минимизации погрешности .измерения содержания метана; отличающийся тем, что, с целью повы щения точности измерения содержания метана за счет установления оптимальных значений параметров датчика сигнализатора метана, минимизацию погрешности осуществляк)т путем последовательных изменений расстояния Е между источником и детектором инфракрасного излучения датчика сигнализатора метана, углов коллимации источников а, и детекторов а, полос пропускания инфракрасного излучения от источника .,ч к детектору Хр и напряжения питания источника У, последовательной установки кювет с чистым воздухом, метаном, парами воды, угольной пылью, угарным и углекислым газом между источником и детектором, измерения сигналов с детектора при установке каждой кюветы Ув, Ум, М, Уу, Уу, Уу. и расчеты по измеренным сигналам погрешности о - Л )о,+ (Мв - Мл)и,.Ч:толщиной д ( 0,1 Е с чистым воздухом, парами воды, угольной пылью, угарным и угле- кислым газами и регулируемым источником напряжения, причем емкость с метаном выполнена также в виде шестой герметичной цилиндрической кюветы толщиной Н ( 0,11 при этом регулируемые коллиматоры обращены окнами друг к другу, прикреплены к механизму изменения расстояния и его фиксации и установлены на общей вертикальной оси, в верхнем регулируемом коллиматоре закреплен приемник инфракрасного излучения чувствительным слоем вниз, а в нижнем регулируемом контейнереколлиматоре закреплен регулируемый источник инфракрасного излучения, перед окнами регулируемых коллиматоров закреплены регулируемые фильтры-монохроматоры, кюветы соединены с механизмом смены и фиксации положения с возможностью их попеременной установки посередине между приемником и регулируемым источником инфракрасного излучения соосно с последними, а выход регулируемого источника напряжения соединен с регулируемым источником инфракрасного излучения.Составитель Г УТехред И. ВерТираж 430нного комитета СССР по делаМосква, Ж - 35, Раушскаяграфическое предприятие, г.. Нунес аров Редактор Г. ВолковаЗаказ 44/36ВНИИПИ Государстве1130351Производственно-пол Корректор М. ПожоПодписноем изобретений и открытнаб., д. 4/5Ужгород, л. Проектная