Способ сигнализации метановыделения в шахтах и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к горной автоматике и предназначено для сигнализации метановыделения в угольных шахтах для предотвращения взрывов. Цель - повышение надежности сигнализации о процессе метановыделения за счет 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, а также осуществление комплексной сигнализации по превышениям концентраций или скоростей их увеличения. Для этого поток инфракрасного излучения (ИКИ) с непрерывным спектром пропускают через контролируемый объем ША заданной толщины L. Регистрируют интенсивность прошедшего ИКИ с длиной волны, соответствующей максимуму поглощения метана и сопутствующих углекислого и угарного газов. Затем поток ИКИ с непрерывным спектром пропускают через контролируемый объем ША толщины L и калиброванные кюветы с метаном и сопутствующими газами и регистрируют интенсивность прошедшего ИКИ. Поток ИКИ с непрерывным спектром пропускают через контролируемый объем ША другой толщины L<SB POS="POST">1</SB>≠L и регистрируют интенсивность прошедшего ИКИ. Также пропускают поток ИКИ с непрерывным спектром через контролируемый объем ША той же ширины и калиброванные кюветы и регистрируют интенсивность ИКИ, прошедшего через ША, а С контролируемого I-го газа в ША определяют по математической формуле. Сравнивают С всех трех контролируемых газов за заданное время с допустимыми С и определяют скорости их увеличения. Если какое-либо из С превышает допустимое С или какая-нибудь скорость увеличения превышает заданное значение скорости увеличения, то выдают сигнал о недопустимо большом метановыделении в горной выработке. Определяемые за заданное время С метана и сопутствующих газов регистрируют и индицируют. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (19) (1!) А1 (51) 4 Е 21 F 17/18

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСИОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И OTKPblTHAM

ПРИ ГКНТ СССР (2 1) 4385509/23-03 (22) 30.11 ° 87 (46) 30.10.89. Бюл. Р 40 (71) Конотопский электромеханический завод "Красный металлист" (72) В.А.Деняк, А ° М.Онищенко, 1О.А,Онищенко, В.П.Белоножко .и О.Ч,Шищенко (53) 622.817:614.843(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

t» 807159, кл. G 01 N 21/31, 1979.

Поспелов г1.П. Рудничная автоматика и телемеханика. М.: Недра, 1983, с. 175-178.

Патент ПНР 1,"- 98168, кл. G 01 N 21/46 опублик. 1976.

Патент ФРГ 1 - 2438294, кл. Е 21 F 17/18, опублик. 1978. (54) СПОСОБ СИГНА11ИЗАЦИИ МЕТАНОВЬДЕ3ЕНИЯ В !JAXTAÕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО

ОСУЦЕСТИ1ЕИИЛ (57) Изобретение относится к горной автоматике и предназначено для сигнализации метановыделения в угольных шахтах для предотвращения взрывов.

Цель — повышение надежности сигнализации о процессе метановыделения за счет 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, а также осуществление комплексной сиг,нализации по превышениягл концентраций или скоростей их увеличения. Для это2

ro поток инфракрасного излучения (ИКИ) с непрерывным спектром пропускают через контролируемый объем ША заданной толщины L. Регистрируют интенсивность прошедыего ИКИ с длиной волны, соответствующей максимуму поглощения метана и сопутствуюцих углекислого и угарного газов. Затем поток

ИКИ с непрерывным спектром пропуска1 ют через контролируемый объем LlA толщины 1. и калиброванные кюветы с метаном и сопутствуюцими газами и регистрируют интенсивность проыедшего ИКИ.

Поток ИКИ с непрерывным спектром пропускагот через контролируемый объем

ША другой толщины 1, ф1 и регистрируют интенсивность прошедшего ИКИ. Также пропускают поток ИК11 с непрерывным спектром через контролируемый объеи бит той ие иириии и иелиброеелиые кюветы и регистрируют интенсивность

ИКИ, прошедшего через ША, а С контролируеглого i-ro газа в ША определяют по математической формуле. Сравни- вают С всех трех контролируемых газов (;д за заданное время с допустимыми С оиы и определяют скорости их увеличения. QQ

Если какое-либо из С превышает допустимое С или какая-нибудь скорость увеличения превышает заданное значе-ние скорости, увеличения, то выдают сигнал о недопустимо больыом метановыделении в горной выработке. Определяемые за заданное время С метана и . ° сопутствующих газов регистриругот и индицируют. 2 с. и 1 з.п. ф — э!ъ, -4 ил. бит

1518549

Изобретение относится к горной автоматике в частности к способам сигнализации метановыделения в угольных шахтах, и может быть использовано как автономное устройство для сигнализации о процессах метановыделения для принятия своевременных мер по предотвращению взрывов при интенсивном метановыделении, а также для обнаружения пожаров на ранних стади,ях, для прогнозирования внезапных выбросов и, кроме того, в комплексных системах автоматической газовой защиты и в автоматических системах шахтной вентиляции.

Цель изобретения — повышение надежности сигнализации о процессе метановыделения за счет точного контроля содержаний метана и сопутствующих газов одновременно путем одновременной компенсации влияния флуктуаций запыленности, влажности, давления и температуры 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.

На фиг. 1 схематически показан блок 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 проис:содит 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 давления и температуры шахтной атмосферы на результаты анализа применяют еще более сложные меры: стабилизируют эти параметры после отбора пробы газа в закрытый сосуд либо применяют коррекцию за счет дополнительного изме-. рения давления и температуры. В первом случае снижается экспрессность и в обоих случаях усложняется анализ. Таким образом, классический путь обеспечения достоверной сигнализации о метановыделении обязательно связан со снижением экспрессности и с увеличением сложности. Одновременно компенсировать влияния флуктуаций четырех сильных возмущающих факторов (пыль, влага, давление и .температура) даже в лабораторном газовом анализе не удается из-за указанных технических противоречий — повышение точности приводит к недопустимому усложнению. Кроме того, даже если бы удалось повысить точность за счет компенсаций всех 4 факторов, то.и в этом случае не обеспечивается достоверная сигнализация о метановыделении за счет низкой экспрессности и низкой представительности (фильтрация и сушка пробы 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 угольных шахтах. Однако при таком сильном усложнении гипотетическое средство неработоспособно в шахте.!

Из î бре те ние одн ов р еме ни î î бе спечивает 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. При 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. стабилизации напряжения питания, повышает представительность даже по отношению к менее точным средствам.

5 15185

Устройство для сигнализации метанавыделения 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 подпружиненного 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- 15 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- 20 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 трех

35 газов и поэтому показано 2п-6 детекторов), для чего детекторы расположены на одинаковом расстоянии при

2 Г360 центральном угле а= †= †в и по2п 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- 45 ры (например, интерференционные)

27 — 32. Светофильтры 27 и 28 имеют полосу пропускания ИК-излучения около 3,39 мкм, соответствующую полосе поглощения метана СН4, 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

49 о газом, Чтобы обеспечить одинаковое давление в контролируемом объеме шахтной атмосферы (с длиной пути

1 инфракрасных лучей в нем соответственна L или Ь, при разных положениях источника 1) в герметичном корпусе 6 и 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 саединень. 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 ни рому входу которого подключен Bòароа лагярифматор 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.

15 l 8549

Первый 6?, второй 63 и третий 64 измерители отношений, первый 65 и; второй 66 элементы задержки, первый

67, второй 68 и третий 69 логарийма5 торы, измеритель 70 разности, четвер- тый измеритель 71 отношений, блок 72 умножения и задатчик 73 второго канала измерения содержания углекислого газа в шахтной атмосфере соединены аналогично описанному для первого канала (фиг. 3) .

Аналогично соединены и функциональные блоки третьего канала для измерения содержания угарного газа: l5 измерители 73-75 отйошений, элемен ты 76 и 77 задержки, логарифматоры

78 — 80, измеритель 81 разности, четвертый измеритель 82 отношений, блок

83 умножения и. эадатчик 84. Первый 20 выход блока 85 управления соединен с управляющими входами коммутаторов

46 — 48, а второй — с электромагнитом 7.

Блок 61.индикации и регистрации может быть выполнен, например, как показано на фиг. 4. В состав .блока 61 входят: три блока дифференцирования

86 - 88, три интегратора 89 — 91 со сбросом (устройства выборки-хранения),30 генератор 92 импульсов, шесть устройств 93-98 сравнения (пороговые элементы), ыесть эадатчиков 99 — 104, три элемента ИЛИ 105 — 107, сигнализатор 108 и трехканальный регистратор и индикатор 109.

Входы блока 61 индикации и регистрации соединены с первыми входами блоков 86 — 88 дифференцирования и с первыми входами интеграторов 89-91 со сбросом. Вторые входы (обнуляющие) интеграторов 89-91 со сбросом соединены с выходом генератора 92 импульсов. Выходы блоков 86-88 дифференцирования и интеграторов 89-91 со сбросом соединены с первыми входами пороговых элементов 93 — 98, вторые входы которых соединены с выходами задатчиков 99 — 104, выходы первых трех пороговых элементов 93 - 95 соединены с входами первого элеглента

ИЛИ 105, а выходы пороговых элементов 96 — 98 — с входами второго элемента 1ПЫ 106. Выходы первого 105 и второго 106 элементов ИЛИ соединены с входами третьего элемента ИЛИ 107, 55 выход которого соединен с входом сиг" нализатора 108. Выходы интеграторов

89 — 91 со сбросом соединены с входами трехканального регистратора и индикатора 109.

Контроль содержания метана С

f y углекислого газа С и угарного газа

3 в шахтной атмосфере осуществляют путем выполнения следующих последовательностей операций; поток инфракрасного излучения с непрерывным спектром пропускают че рез контролируемый объем шахтной атмосферы заданной толщины L регистрируют интенсивности пронедшего излучения I с длиной волны

1 Ф соответствующей максимуму поглощения

e/ метана I<, углекислого газа I u угарного газа If, поток инфракрасного излучения с непрерывным спектром пропускают через контролируемый объем шахтной атмосферы той же заданной толщины L u калиброванные кюветы с метаном, углекислым газом и угарным газом; регистрируют интенсивности прошеднего через контролируемый объем и калиброванные кюветы инфракрасного излучения с длиной волны около 3,39мкм через атмосферу и кювету с метаном

I<, с длиной волны 4,3 мкм через атмосферу и кювету с углекислым газом

Х", с длиной волны 4,7 мкм через ат(Il мосферу и кювету с угарным газом 1 поток инфракрасного излучения с непрерывным спектром пропускают через контролируемый объе л шахтной атмосферы другой толщины Lf/L; регистрируют интенсивности прошедmего излучения ?" с длиной волны, соответствующей максимуму поглощения

/ ft метана 1 3, углекислого газа I u

ttf угарного газа I

3" поток инфракрасного излучения с непрерывным спектром пропускают через контролируемый объем шахтной атMocAepbl той же толщины и калиброванные кюветы с метаном, углекислым и угарным газами; регистрируют интенсивности прошедшего через атмосферу толщины Ь| и соответствующую кювету изл чения с длинами вблн соответственно около

I r!

3,39 мкм Iy около 4,3 мкм I u около 4,7 мкм I" содержание контролируемого i-го газа в нахтной атмосфере определяют по формулам: 1n(I jIf ) "(1Л 1З)

1п(1,П, ) 7 (1) 1518549

М! где I о

25

35

40 для метана, где К< - отношение пути инфракрасного излучения через кювету с метаном к пути инфракрасного излучения через контролируемый объем шахтной атмосферы;

К 1.п(i5/I! ) (In(IC/I5)

ln(Z, /Z,) ) (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 =K ln(l,/I,)(1 (l П )ln(I /I,")7 (3).. для угарного газа, где К з — отношение пути инфракрасного излучения через кювету с угарным газом к пути инфракрасного излучения через контролируемый объем шахтной атмосферы ) ю сравнивают содержания всех трех контролируемых газов (метана, углекислого и угарного газов) за заданное время с допустимыми содержаниями; определяют скорости увеличения содержаний метана !1 С.!, углекислого 4 С и угарного p C> газов с заданными значениями увеличения скоростей д С, ЙЯ 33 если 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 фильтруется полосовым 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 I !. на детектор 15 определится соотношением

Х,exp(-Ь, LC „), (4) интенсивность излучения на детектор 15 в вакууме (если поместить показанное на фиг. 1 устройство в чистый, сухой разреженный воздух; коэффициент поглоцения излучения с длиной волны около

3,39 мкм шахтной атмосферой, коэффициент b! в наибольшей степени определяется концентрацией метана, но зависит также от запыленности, влажности, температуры и давления шахтной атмосферы, а также от содержания в шахтной атмосфере концентраций других газов; концентрация (содержание) метана в шахтной атмосфере, 7; путь излучения от источника 1 к детектору 15 в контролируемой шахтной атмосфере.

Аналогично интенсивность инфракрасного излучения на детектор 17

I =I exp(-Ь 1С ), (5)

45 где I — интенсивность в вакууме;

С вЂ” концентрация углекислого газа;.

Ь вЂ” коэффициент поглоцения ин50 фракрасного излучения с длиной волны 4,3 мкм шахтной атмосферой.

Интенсивность инфракрасного излу55

1 =1 ехр(-b LC>), (6) м! где I -"интенсивность в вакууме;

C - концентрация угарного газа;

1518549

30 ехРГ b

--г

K =d 100%)Lsin P) . (10)

Интенсивность излучения с длиной волны около 4,7 мкм на детектор 20 и отношение записываются аналогично:

I =I ехр -b> L (K>+C>) j;

К =д .100XQLsin J J . (12) Сигналы, соответствующие интенсивI ностям I u I с детекторов 15 и 16 45

1 усиливаются усилителями 40 и 41 и через коммутатор 45 поступают на входы первого измерителя 49 отношений, на выходе которого формируется curl нал I< /I,ïîñòóïàþùèé на вход логарифматора 53, С выхода логарифматора сигнал 1n(I /Т„) подается на вход

2 второго элемента 56 задержки. На вход первого элемента 50 задержки

l поступает сигнал I

Аналогично во. втором канале на выходе измерителя 62 отношений форfl u мируется сигнал I,/r, который логарифмируется в логарифматоре 67, и в

bj, - коэффициент поглощения излучения.с длиной волны 4„7 мкм шахтной 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- 1ð лучения с длиной волны около 3,39 мкм на детектор 16 записывается в виде

I<=.I exp f-b, L(K +С1)3, (7)

1 где I — интенсивность в вакууме; 15

К вЂ” отношение жути инфракрасных

1 лучей.на детектор 16 в метане к их пути в шахтной атмосфере L %.

Значение К1 в показанной на фиг.1 Zp и 2 конструкции устройства определяется из выражения

К =с1 . 100%5.sing J, (8)

} 1 где d1 — толщина кюветы с метаном; 25

/5 - угол между осью пучка и на1 правлением на центр детектора 16.

Аналогично записываются интенсивность излучения с длиной волны около 4,3 мкм на детектор 18 и отношение: элемент 66 задержки поступает сигнал

Il g

1п(? /1,), а в элемент 65 задержкисигнал I".

В третьем канале в элементе 76

if( задержки формируется сигнал I, а в элементе 77 задержки - сигнал

По истечении первого такта длительностью й1, с блока 85 управления на управляющйе коммутаторы 46 - 48, которые устанавливаются на время переходного процесса длительностью

t< 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 пунктирогг 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 t удерживать шток 8 в нижнем положении.

В начале второго такта с блока 85 управления на управляемые коммутаторы 46 — 48 поступает сигнал, под дейгствием которого переключатели комму/ таторов 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 N a затем проходит через контролируемый объем шахтной атмосферы толщиной Ь <1 .

1518549

30

На путя к детекторам 16,18 и 20 излучение дополнительно проходит еще через кюветы 33-35 с контролируемыми газами.

Интенсивности излучения на детек5 торы 15,17 и 19 определяются нз соотношений:

I NI„exp(-b,L,С,); (13)

10 йПо ехр(-b L С ); (14)

I NI -ехр(-Ъ Ь,С ). (15)

Как и в формулах (4) - (6), здесь

I я ш

I,,T. и 1 — соответственно интенсивности на детекторы 15,17 и 19 в вакууме; Ъ,b> и Ъ - коэффициенты поглощения соответствующими газами;

L — путь излучения от источника 1

20 к детекторам в контролируемой шахтной атмосфере.

1Io аналогии с (7), (9) и (11) интенсивности инфракрасного излучения 25 на детекторы 16,18 и 20 соответственно записываются в виде:

1 =И1 expt:-Ъ Ь,(К +С, ));(16)

exp f- Ь, (К +С )3 4(17) |Т exp P-ЪзЬ | (К +СЗ)3 (18) . где К =d, ° 1003(L)

-К,=а, .100ХГЬsin J>7; (19) 35

K =d< 100Х(Ь,sin / |) =К =Й

1 1

100Х csin / ); . (20)

К =й 100Х(Ь|sin J,) =K>=d> 40 э 100Х PLsinP) . (21) уравнения (19)-(21) имеют место, так как Ь sinP=LsinPpaaao расстоя1 1 нию от оси пучка излучения до чув- 45 ствительной .области любого из детекторов.

Во время второго такта на вход измерителя 52 отношений подаются сиг( налы 1з и 1, на его выходе Формируется сигнал 1 /I, который логарифI мируется логарифматором 55, и сигнал ln(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)

1 I подается CHI HBJI ln(I /I) ), G HB Bbl ходе измерителя 57 разности формируется сигнал 1п(Х /1 ) - lп(1 . /1 ) °

f 3 t

С детектора 15 на второй вход измерителя 51 отнонений подается сигнал 13, ! а на его первый вход к этому времени с элемента 50 задержки подается задержанный ранее в нем на время

| сигнал 1 . На выходе измерителя 51 отношений формируется сигнал 1, 7

f который после логарифмирования в блоке 54 поступает в четвертый измеритель 58 отношений,на другой вход которого подается сигнал lп(lf/I ) ! I -1n(I /I ) . На выходе четвертого изме рителя 58 отношений формируется отношение поступивших на его входы сигналоЮ lп(1 / I ) (1п (14 / I> ) -1n(I

I/I ..)), которое поступает на первый вход блока 59 умножения, на второй вход которого с задатчика 60 поступает сигнал К<, численно равный от|ношению сигналов согласно (8). На выходе блока 59 умножения формируется ,.сигнал

A=K,1 (1 /I ) fin(I> /т,)4-ln(I

Чтобы сигнал А численно равнялся значению концентрации метана .С<, полученному из решения системы уравнений (4), (7), (13) и (16), необходимо выполнить условие

10, -И102 ° (23)

IIoHcHHM HsH cKHA ctûñë условия (23). Из фйг. 1 видно, что Ь,(Ь.

Поэтому во втором такте измерения ! I интенсивность Ip >I приблизительно во столько раз, во сколько раз больше чем L . Для удовлетворения.

4 (23), при котором система уравнений (7), (4), (13) и (16) имеет однозначное решение, не зависящее от сильно ! флуктуирующих параметров b и Ip, перед нижним положением источника 1 установлен нейтральный фильтр 13, ослабляющий излучение от источника 1 до любого из детекторов в N раз, где

N=Io /1,,.

Таким образом, при правильно подобранной толщине фильтра 13 ио вели( чине отношения 1 /Ipg определяемого на заводе-изготовителе устройства при его калибровке, на выходе блока 59 умножения в конце второго такта измерения формируется сигнал A согласно (22), численно равный концентрации метана (или другого гаэа) 30

С К 1п(Х /I ) Г1п(?4/?3) который при условии (23) численно равен концентрации (в %) углекислого газа.

Во время второго такта измерения концентрации угарного газа формируют((i ((( ся также сигналы I3 и Х на входах 40 (((. ((( измерителя 75, ?.(/1> на его выходе, 1п(Х /?" ) на одном входе измерителя 81,(( разности и 1n(I "/I ) на другом и Pln(I

/I )-1n(I" /I )) на его выходе; на входах измерителя 74 отношений формируются 45 сигналы I> и I ", а на его выходе— сигнал I /?, который логарифмируется в блоке 79 на входы измерителя 82

9 (((((( отношений поступают сигналы 1п(? /Х() и 1п(Х (/I )-1п(2 /I ), а на его выхо- 50 . де формируется сигнал 1п(Х /Х ) fin(I(t/

/I ) 1п(? /I )$ ° Этот сигнал вместе

3 Z с сигналом К> с задатчика 84 поступает на входы блока 83 умножения, на ( т выходе которого формируется сигнал

=К lп(Х /I ) (1п(?л /? )в. шахтной атмосфере, Этот сигнал затем поступает в блок 61.

Аналогично во втором такте измере ния содержания углекислого газа в шахтной атмосфере формируются сигналы ((fI

I и I на входах измерителя 64 отношений и I /I> на его выходе, который поступает на вход логарифматора 69.

На выходе и(еднего появляется сигнал 1п(Х ., ), на выходе элемента 66

1 3 .М задержки формируется сигнал 1п(Х /

/Х ), на выходе измерителя 70 разности - сигнал 1п(Х" /I>)-In(I /Х )), на второй вход измерителя 63 отнои 15 шений поступает сигнал I>, а на первый с элемента 65 задержки подается сигнал Х"; на выходе измерителя 63 отношений формируется сигнал ? /I1), 1

20 который логарифмируется в блоке 68 и подается на четвертый измеритель 71 отношений, на другой вход которого подается сигнал $1n(I

16 который при выполнении yñëoâèÿ (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 9С ( и С поступают на входы интеграторов со сбросом, где они интегрируются за 2-5 циклов измерения (каждый иэ 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 A С, h C и

6С . Эти средние значения скоростей изменения (увеличения) концентрации подаются на входы соответствующих пороговых элементов 93 - 95, где они сравниваются с заданными значениями скоростей изменения Д С,, д С и Д С .

Еслибы С >6С,, то на выходе элемента

93 появляется единичный сигнал, s противном случае сигнал на, выходе порогового элемента 93 равен нулю.

Если Ь С МСq, то на выходе порогового элемента 94 появляется единичный сигнал, в противном случае сигнал на выходе элемента 94 равен нулю. Если, С >ЬСgg, 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 — 9t со сбросом подают-, ся на входы соответствующих пороговых элементов 96 — 98, на вторые входы которых с задатчиков 102 — 104 подаются сигналы о заданных предельных значениях концентраций Слд 9С< и Сз99.

При выполнении условия С > С „ на выходе порогового элемента 96 появляется единичный сигнал, в противном случае сигнал на выходе элемента 96 равен нулю. При выполнении условия С >

>С „ на выходе пброгового элемента 97 появляется единичный сигнал, в против17

1518549

50,ном случае сигнал на выходе элемента 97 равен нулю. При выпцлнении условия С ) С>д на выходе порогового элемента 98 появляется единичный сигнал, в противном случае сигнал на выходе

5 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.е ° когда 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 скорость увеличения концентрации превьппает соответствующее заданное значение скорости изменения. При появлении единичного сигнала на выходе элемента ИЛИ 107 сигнализатор 108 подает 0 сигнал о недопустимом метановыделении в горной выработке. Такая шестикритериальная сигнализация пс-:ышает достоверность сигнализации, так как сигнал возникает и при любом единичном из шести превьппений и при любых одновременных сочетаниях превышений по два, три, четыре, пять и ыесть.

Схема сигнализации сигнализируе о недопустимом метановыделении при лю40 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) °

В 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.

После 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 4,7 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 PbS, cIIeIoфильтры 27-32 — полосовые поглощающие интерференционные фильтры с полосами пропускания 3,39, 4,3и 4,7 мкм.

Усилители 40-45 — операционные усилители на микросхемах. Управляемые коммутаторы 46 — 48 — ключи на биполярных или 110П-транзисторах. Измерители 49,51,52,62 — 64,73 — 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 умно>кения — 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 с и 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 ЖЫ.

l9! 518549

20.

Сигнализатор 108 - усилитель мощности 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 заводеизготовителе состоит в следующем. Что-!0 бы 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 1920, а среди партии плоскостных полупроводниковых диодов подбирают близкие по параметрам тройки 53-54-55, 67-68-69 и 78-79-80. Среди измери- 25 телей отношений целесообразно подбирать близкие по параметрам четверки

49-51-52-58, 62-63-64-71, 73-74-7582, среди партии усилителей целесообразно отбирать близкие по парамет- 0 рам 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 0,05Х абсолютных. Устройство способно сигна 40 лизировать о недопустимо сильном метановыделении при выходе за допусти мые 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 Pi-201B (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 0,05Х), 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 изобретения

1. Способ сигнализации метановыде.-.ления в шахтах, основанный на пропускании через контролируемый объем атмосферы заданной толщины L инфракрасного излучения и регистрации интенсивности прошедшего инфракрасного излучения Х, с длиной волны, соответствующей. максимуму поглощения i-го конт-. ролируемого газа, о т л и ч а ю щ и и 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 L и кювету с чистым контро, лируемым газом и регистрируют интенl сивность прошедшего инфракрасного иэ= . лучения I пропускают инфракрасное излучение той же длины волны через объем атмосферы другой толщины Lg u регистрируют интенсивность прошедшего инфракрасного излучения I пропускают инфракрасное излученйе той же длины волны через объем атмосферы другой толщины L и кювету с чистым контролируемым газом и регистрируют интенсивность прошедшего инфракрасноС го излучения I, причем потоки инфракрасного излучения на контролируемый объем атмосферы формируют от общего источника с непрерывным спектром, а регистрацию интенсивностей прошедmего инфракрасного излучения с длиной

21

22

1518549

50 волны, соответствующей максимуму поглощения i-го контролируемого газа, осуществляют на одинаковых от источника расстояниях, при этом процентное содержание С > i-го газа в шахтной

1 атмосфере определяют из соотношения

С;=1:;1п(т /I )jln(I /т )Inn(I /I", )j где К„ — отношение пути инфракрасного излучения через кювету с

i-м контролируемым газом к пути инфракрасного излучения через контролируемый объем шахтной атмосферы, определяют скорости увеличения концентраций каждого i-го контролируемого газа, процентные содержания и скорости увеличения концентраций срав-20 нивают с заданными значениями и при превьплении любой из них заданных значений сигнализируют о недопустимом метановыделении, при этом одновременно контролируют метан, углекислый и угарный газы.

2. Устройство для сигнализации метановыделения в шахтах, содержащее источник инфракрасного излучения, два детектора с усилителями и блок 30 индикации и регистрации, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что, с целью обеспечения достоверной сигнализации о процессе. метановыделения за счет точного контроля содержаний метана и сопутствующих газов одновременно путем одновременной компенсации флуктуаций запыленности, влажности, давления и температуры шахтной атмосферы при одновременном упрощении, îío 40 снабжено и калиброванными кюветами с контролируемыми газами, 2п полосовыми светофильтрами, у которых середина полосы пропускания соответствует сеРедине полосы поглощения конт- 45 ролируемого газа, и управляемыми коммутаторами, 2п элементами задержки, 4п измерителями отношений, Зп логарифматорами, п измерителями разности, и блоками умножения, и задатчиками, 2(n-1) детекторами с усилителями, нейтральным инфракрасным светофильтром, блоком управления, механизмом перемещения и фиксации источника инфракрасного излучения и герме- . тичным корпусом, в котором симметрично относительно пучка инфракрасногоизлучения и.перпендикулярно к его ocu установлены 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 i-ro 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 перI вым 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 и. 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, 2п задатчиков, 2п пороговых элементов, трех элементов

HJIH, сигнализатора и и-канального .регистратора и индикатора, иричeì входы блока индикации и регистрации соединены с блоками дидхЬереицирования и интеграторами со сбросом, выхо-.

23

24

15 t 8549 ды которых соединены с первыми входами пороговых элементов, вторые входы которых 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 элементов

ИЛИ соединены с входами третьего элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом сигнализатора, при этом выходы интеграторов со сбросом соединены также с входами и-канального регистратора и индикатора.

t 518549

1518549

Составитель И,Назаркина

Редактор A.Îãàð Техред Л.Сердюкова Корректор В.Гирняк

Заказ 6585/40 Тираж 410 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул ° Гагарина, 101