Исследования

ПОВЫШЕНИЕ ДОСТОВЕРНОСТИ ИНФОРМАЦИИ О СОСТОЯНИИ РУДНИЧНОЙ АТМОСФЕРЫ С ПОМОЩЬЮ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО ВЗРЫВОЗАЩИЩЕННОГО ГАЗОАНАЛИЗАТОРА ▼

М. В. Хиврин, С. С. Кубрин, Е. М. Гамарц, В. Б. Раменский

Высокая достоверность измерения отдельных газовых компонентов рудничной атмосферы

Низкая перекрестная чувствительность (или её отсутствие)

Надежная работа в атмосфере с низким содержанием кислорода

Низкая погрешность измерений в широком диапазоне концентраций

Высокая селективность и чувствительность

Высокая перегрузочная способность и низкая энергоемкость

Эти требования были взяты за основу при выборе сенсоров для измерительных каналов разработанного многофункционального многокомпонентного газоанализатора (МГ), предназначенного для работы как в автономном режиме так и в составе мобильной локальной системы оперативного контроля рудничной атмосферы.

МГ имеет два оптических датчика для измерения концентрации углеводородов (калибровка по метану), один оптический датчик углекислого газа и три электрохимических датчика (СО, Н2, O2).

Комплексное измерение концентрации пяти газов в одном малогабаритном переносном многокомпонентном газоанализаторе имеет ряд особенностей, которые необходимо учитывать при реализации схемных, конструктивных и программных решений в приборе.

Измерение концентрации монооксида углерода и водорода в промышленных образцах малогабаритных газоанализаторов в подавляющем большинстве случаев осуществляется с помощью электрохимических датчиков. 0днако, при необходимости одновременного измерения этих газов в одном приборе возникает проблема, заключающаяся в перекрестной чувствительности электрохимических сенсоров, т. е. чувствительности сенсоров не только к «своему», но и к другим газам.

В нашем случае перекрестной чувствительностью к водороду обладает электрохимический сенсор, измеряющий монооксид углерода. Присутствие 100 ppm (0,0001% об.) водорода в анализируемой пробе воздуха воспринимается обычным сенсором СО как 70 ppm (81 мг/м3) монооксида углерода.

Фирма «General Monitors» приводит данные по перекрестной чувствительности электрохимических сенсоров для различных газов [9], которые подтверждают сильное влияние Н2 на электрохимический сенсор СO.

Решением проблемы совместного измерения водорода и моноксида углерода может быть использование инфракрасных оптических селективных сенсоров, в основе работы которых лежит соотношение Бугера Ламберта [10]:

— к (λ)ℓ
I = Io • е

где Io — интенсивность падающего ИК потока излучения в спектральном диапазоне ∆λ, I — интенсивность светового потока на выходе кюветы, длиной ℓ, к (λ) — коэффициент поглощения оптического излучения газом, концентрация которого определяется прибором.

Из приведенного соотношения очевидно, что поглощение излучения, и, следовательно, концентрация газа в оптической кювете тем больше, чем выше коэффициент к (λ) и длина кюветы (ℓ).

Измерение концентрации водорода этим методом затруднительно, т.к. коэффициент поглощения к (λ) для водорода в инфракрасном диапазоне крайне мал. Монооксид углерода имеет наиболее сильную полосу поглощения в инфракрасной области спектра с длиной волны около 4,7 мкм.

Для оценки возможности реализации инфракрасного датчика СO проведен сравнительный анализ с реализованным инфракрасным датчиком СO02, длина волны которого соответствует линии поглощения 4,3 мкм, что позволяет использовать ту же элементную базу ИК техники (излучатели, фотоприемники, интерференционные фильтры).

Дистанция измерений ℓ находится в обратно пропорциональной зависимости от коэффициентов поглощения измеряемых газов.

Для углекислого газа (С02) и угарного газа (С0) это соответствует уравнениям:

τ (СО2) = ехр (-к1 • ℓ1)
τ (СО) = ехр (-к2 • ℓ2)

где τ= I/Io — коэффициент пропускания измеряемого газа; к1, к2 — коэффициенты поглощения измеряемых газов соответственно СО2, СО;

Отсюда дистанцию измерений для СО можно определить из соотношения:
m — ℓ2/ℓ1 = к1/к2

если ℓ1 — 10 см, к1 — 0,19, к2 — 0,002,
то ℓ2 — к1 • ℓ1 / к2 — 950 см.

Таким образом, при измерении угарного газа (СО) для обеспечения такого же отношения сигнал/шум, как и при измерении углекислого газа (СО2) на лабораторном макете прибора с ℓ1—10 см, необходимо использование кюветы с дистанцией измерения, равной 950 см.

Исходя из конструктивных и общих габаритных соображений, а также для упрощения расчета, дистанция измерения выбрана равной ℓ2 — 960 см, а длина оптического устройства равной L — 32 см. Тогда количество прохождений светового пучка в многопроходной кювете между зеркалами будет определено из выражения

N — ℓ/L — 30, что практически труднореализуемо.

Проведенные экспериментальные и теоретические исследования показали принципиальную возможность реализации оптических датчиков СО в стационарных приборах, имеющих достаточно большие габариты. Учитывая это, можно сделать реализация инфракрасного датчика СО в малогабаритном МГ, затруднительна на имеющейся в настоящее время элементной базе оптоэлектроники.

Использование малогабаритных электрохимических сенсоров позволяет разработать малогабаритный прибор, новозникает проблема получения достоверной информации из-за перекрестной чувствительности электрохимических преобразователей.

Рис.1

При использовании электрохимических сенсоров СО возможна программная компенсация перекрестной чувствительности. Для этого необходимо контролировать концентрацию водорода, и по ее значению вводить поправку в показания канала «СО». Такой алгоритм позволяет одновременно измерять концентрацию С0 и Н2одним многокомпонентным газоанализатором. В случае отсутствия стабильности возможно блокировать работу канала «СО» при концентрации водорода выше 0,01% об. доли. При такой концентрации водорода погрешность от нее в канале «СО» не превысит предельно допустимого значения 4,3 ppm (5 мг/м3). Программа корректировки показаний канала «СО» должна различать реальное присутствие водорода в атмосфере от аппаратного смещения нуля у водородного сенсора, т.к. в противном случае возможна ложная блокировка канала «СО».

На рис. 1 показана блок-схема алгоритма программной обработки результатов измерений в каналах оксида углерода и водорода.

Если водород не обнаружен (Н2 = 0), то текущая концентрация оксида углерода СО выводится на индикацию без корректировки.

Если водород обнаружен (Н2 > 0), то вычисляется его вклад в реакцию сенсора оксида углерода через коэффициент перекрестной чувствительности — К• Н2. Если этот вклад меньше или равен показаниям сенсора оксида углерода, то производится коррекция данных, и результат выводится на индикацию.

Если суммарные показания сенсора оксида углерода меньше, чем приведенные к его выходу показания водородного датчика, то считается, что произошло смещение нуля в канале водорода, и канал СО блокируется.

Предельная разрешающая способность измерительной части канала Н2 определяется разрядностью АЦП и динамическим диапазоном выходного сигнала сенсора Н2. При 12-разрядном АЦП и максимальном выходном напряжении 1 В (5%об.) разрешение составит 0,003% об.

Рис. 2

Реальное разрешение будет несколько хуже из-за шумов в измерительном канале и сенсоре. Для уменьшения влияния шумов при необходимости можно использовать программные средства обработки, например, усреднение.

МГ может использоваться как в составе локальной системы контроля и сигнализации опасности и взрывоопасности шахтной атмосферы, так и автономно. Конструктивно МГ выполнен в виде переносного прибора (рис. 2).

Конструкция корпуса МГ обеспечивает возможность доступа к газовым датчикам для выполнения чистки или ремонта.

В МГ использованы два типа газовых датчиков:

— инфракрасные оптические датчики метана (СН4) и диоксида углерода (СО2);

— электрохимические датчики на кислород (О2,), моноксид углерода (СО) и водород (Н2) (производства «Alphasens» и «Оксоний»).

В оптических датчиках для увеличения стабильности нуля, а также для компенсации возможного влияния влаги, пыли и других факторов используется автокомпенсационная двухлучевая оптическая схема, в которой измеряется интенсивность двух лучей, проходящих по одному и тому же оптическому пути, причем, длина волны одного (измерительного) луча находится в области поглощения, а другого (опорного) — в области прозрачности определяемого газа.

Для компенсации влияния температуры и процессов старения фотоприемников и излучателей, используемых в датчике, в оптическую схему вводятся еще два луча, не проходящих сквозь анализируемый газ. В конструкцию оптических датчиков введено сферическое зеркало, позволившее при том же оптическом пути в два раза уменьшить габариты датчика.

Датчики обеспечивают одновременное измерение пяти газов в диапазонах концентраций, указанных в табл. 1

Функциональная схема многокомпонентного газоанализатора представлена на рис. 3.

Мобильная система оперативного контроля рудничной атмосферы состоит из соединенных посредством стандартного канала связи двух идентичных по конструкции и программному обеспечению многоканальных газоанализаторов МГ. При соединении МГ, один из них выполняет функцию базового

Таблица 1

Диапазоны измерения и пределы допускаемой основной погрешности

Измеряемый параметр атмосферы	Концентрация, объемные доли %, ppm	Основная погрешность измерения (абсолютная%)	Основная погрешность измерения (относительная%)
Метан	(0,1 – 5) %	± (0,1 + 0,04 Сх) %	–
Метан	(5 – 30) %	±3 %	–
Диоксид углерода	(0 – 2) %	± (0,1 + 0,04 Сх) %	–
Диоксид углерода	(2 – 25) %	–	±10
Водород	(0 – 4) %	± (0,1 + 0,04 Сх) %	–
Монооксид углерода	(0-20) мг/м3	± 5 мг/м3	–
Монооксид углерода	(0 – 16) ррm	–	–
Монооксид углерода	(20-125) мг/м3	–	± 25
Монооксид углерода	(16 – 100) pрm	–	–
Кислород	(0,1 – 21) %	± (0,4 + 0,02 Сх) %	–

Сх — значение концентрации определяемого компонента на входе газоанализатора блока управления (MASTER), а второй — выносного датчика (SLAVE). Информационно базовый блок и выносной датчик объединены через стандартный канал связи RS-485. Многоканальные газоанализаторы МГ могут быть использованы как автономные переносные приборы с временем работы при нормальных условиях от полностью заряженного встроенного источника питания не менее 16 часов.

Многокомпонентные газоанализаторы в локальной мобильной системе оперативного контроля обеспечивают измерение параметров рудничной атмосферы автоматически или по команде. Результаты измерений должны записываться в память устройства с возможностью воспроизведения каждого записанного измерения на собственном цифровом индикаторе или по запросу передаваться в виде стандартного сигнала RS-485.

Алгоритм работы системы показан на (рис. 4.)

В функции базового блока (MASTER) входит:
Запрос вывод показаний выносного (SLAVE) датчика на дисплей базового
Выдача световой и звуковой сигнализации при превышении концентраций в месте размещения выносных датчиков пороговых значений
Периодическая прокачка объема датчиков (забор пробы) атмосферным воздухом и измерение концентрации метана, углекислого газа, кислорода, угарного газа, а также измерение температуры и давления окружающей среды
Выработка световых и звуковых сигналов при превышении пороговых
уровней концентраций
Имеет нормально разомкнутые «сухие» контакты реле, замыкающиеся
при превышении пороговых уровней концентрации

В функции выносного датчика (SLAVE) входят:

периодическая прокачка объема датчиков (забор пробы) атмосферным воздухом и измерение концентрации метана, углекислого газа, кислорода, водорода, угарного газа, а также измерение температуры и давления окружающей среды;

Рис. 4

Индикация результатов измерения на собственном индикаторе
Выработка световых и звуковых сигналов при превышении пороговых уровней
Имеет нормально разомкнутые «сухие» контакты реле, замыкающиеся
при превышении пороговых уровней концентрации
Передача по запросу по стандартному каналу связи RS-485 текущих показаний на базовый блок

Список литературы:

Правила безопасности в угольных шахтах ПБ 05-618-03 изд. НТЦ Гостехнадзора, 2004
Клебанов Ф.С. Воздух в шахте. "Имидж-Сет" М. 1995
Проспект фирмы MSA, 2007
Проспект компании Trolex, 2007
Проспект фирмы OLDHAM, 2008, www.intes.spb.ru
Карпов Е.Ф., Биренберг И.Э. Автоматическая газовая защита и контроль рудничной атмосферы. Москва, «Недра» 1984
Физические величины. Справочник. Москва, ЭАИ, 1991
Гамарц Е.М., Крылов В.А. Оптические газоанализаторы для безопасных технологий Петербургский журнал "Электроника" № 1, 2003
Проспект фирмы General Monitors
Бреслер П.И. Оптические абсорбционные газоанализаторы и их применение "Энергия", /Ленинград, 1980
Источник: Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал) Выпуск № 7 / 2011