Способ газовой защиты для угольных шахт и устройство для его осуществления
Изобретение относится к горной автоматике и предназначено для автоматической сигнализации об опасной пылегазовой обстановке. Цель изобретения - повышение достоверности защиты за счет снижения погрешности определения концентрации (К) метана путем устранения влияния флуктуаций содержания пыли и за счет учета истинной К пыли в лаве. Контролируемый объем 4 шахтной атмосферы толщиной D просвечивают пучком инфракрасного излучения (ИКИ). Регистрируют интенсивность J<SB POS="POST">п</SB> прошедшего через контролируемый объем 4 потока ИКИ, интенсивность J<SB POS="POST">рв</SB> рассеянного в направлении вперед потока ИКИ и интенсивность J<SB POS="POST">о</SB> прошедшего через чистый разреженный воздух потока ИКИ. Определяют значения К пыли C<SB POS="POST">п</SB> и метана C<SB POS="POST">м</SB> в контролируемом объеме 4 по формулам C<SB POS="POST">п</SB> = J<SB POS="POST">рв</SB>(J<SB POS="POST">п</SB> <SP POS="POST">.</SP> K<SB POS="POST">п</SB> <SP POS="POST">.</SP> D)<SP POS="POST">-1</SP> C<SB POS="POST">м</SB> = (X<SB POS="POST">1</SB> <SP POS="POST">.</SP> D)<SP POS="POST">-1</SP> [LNJ<SB POS="POST">о</SB> - LNJ<SB POS="POST">п</SB> - X<SB POS="POST">п</SB>J<SB POS="POST">рв</SB>(J<SB POS="POST">п</SB> <SP POS="POST">.</SP> K<SB POS="POST">п</SB>)<SP POS="POST">-1</SP>], где X<SB POS="POST">1</SB>, X<SB POS="POST">п</SB> - коэффициенты ослабления ИКИ метаном и пылью K<SB POS="POST">п</SB> - градуировочный коэффициент. Задают пороги по допустимым К метана C<SB POS="POST">мд</SB> и пыли C<SB POS="POST">ид</SB>. Сравнивают C<SB POS="POST">п</SB> и C<SB POS="POST">м</SB> с пороговыми C<SB POS="POST">пд</SB> и C<SB POS="POST">мд</SB> и при C<SB POS="POST">п</SB> *98 C<SB POS="POST">пд</SB> или C<SB POS="POST">м</SB> *98 C<SB POS="POST">мд</SB> сигнализируют об опасной пылегазовой обстановке в шахте. Устройство для реализации способа содержит пороговый блок 1, задатчик 2, сигнализатор 3, лазерный инфракрасный светодиод 5 и инфракрасный фотодиод 6. Дополнительно устройство снабжено неподвижным каллиматором 7, вращающимся обтюратором 11 с подвижными коллиматорами 8 и 9, задатчиками 14 - 18, блоками 19, 26 и 32 хранения-выборки, логарифматорами 20, 27, блоками 21 и 22 умножения, генератором 23 импульсов, делителем 24 частоты, управляемым коммутатором 25, ОЗУ 28, измерителями разности 29, 30 и отношений 31, 33 - 35. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ
РЕСПУБЛИК
„.ЯО„,Л 548468 ($g)$ Е 21 F 5/00
ОПИСАНИЕ- ИЗОБРЕТЕНИЯ
Й АВТОРСНОМЪ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ
tlPH ГКНТ СССР (21) 4425506/23-03 (22) 16.05.88 (46) 07.03,90. Бюл. М 9 (71) Конотопский электромеханический завод "Красный металлист" (72) А.И. Онищенко, В.П. Белоножко и A.В. Ивашов (53) 621.311.69(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР
У 1203406, кл. G 01 N 15/14, 21/01, 1983.
Авторское свидетельство СССР
У 1216365, кл. E 21 F 5/00, 1984.
Измеритель дыма типа АИЛ-210.:
Справочник. Промышленные приборы и средства автоматизации. - Л.: Машиностроение, 1987, с. 264-265.
2 (54) СПОСОБ ГАЗОВОЙ ЗАЩИТЫ ДЛЯ УГОЛЬ
HELIX ШАХТ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к горной автоматике и предназначено для авто" матической сигнализации об опасной пылегазовой обстановке. Цель изобретения - повышение достоверности защиты за счет снижения погрешности определения концентрации (К) метана путем устранения влияния флуктуаций содержания пыли и за счет учета истинной К пыли в лаве ° Контролируемый обьем 4 шахтной атмосферы толщиной
d просвечивают пучком инфракрасного излучения (ИКИ). Регистрируют интен1548468 сивность I„ прошедшего через контро- лируемый объем 4 потока ИКИ, интенсивность I рассеянного в направлении вперед потока ИКИ и интенсивность 5
I0 прошедшего через чистый разреженный воздух потока ИКИ. Определяют зна" чения К пыли С „ и метана С „„ в контролируемом объеме 4 по формулам С „ =
=т,,(т„К„Д), С„= (а, 1)- Г1п ?,— " 10 коэффициенты ослабления ИКИ метаном и пылью; Кп " градуировочный коэффициент. Задает пороги по допустимым
К метана C„ и пыли С «<. Сравнивают 15
С ь и С«, с пороговыми С„> и С и при
С я ) С «А или С м 7 СмА сигнализируют
Изобретение относится к горной автоматике, а более конкретно к автоматической сигнализации об опасной 25 пылегазовой обстановке и может быть использовано для повышения производительности и улучшения техники безопасности в угольных шахтах, опасных по выбросам пыли и газа.
Цель изобретения - повышение достоверности защиты за счет снижения погрешности определения концентрации метана путем устранения влияния флуктуаций содержания пыли и за счет уче- 3 та истинной концентрации пыли в лаве.
На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства газовой защиты; на фиг. 2 - ход лучей инфракрасного излучения через контролируемый объем шахт- 40 ной атмосферы при установке перед фотоди одом второго сужа ю@егося коллиматора, на фиг. 3 - то же, при уста-. новке перед фотодиодом трет ьего кол ьцевого коллиматора . 45
Устройство газовой защиты для угольных шахт содержит пороговый блок
1, к входу которого подключен первый задатчик 2, а к выходу — сигнализатор 3, а также установленные друг против друга по разные стороны от контролируемого объема 4 шахтной атиосферы толщиной 23 импульсов, делителем 24 частоты, управляемым коммутатором 25, ОЗУ 28, измерителями разности 29,30 и отношений 31, 33-35. 2 c,ï. ф-лы, 3 ил. задатчиками 14 - 18, блоком 19 хранения-выборки, логарифматором 20, двумя блоками 21 и 22 умножения, генератором 23 импульсов, делителем 24 частоты, управляемым коммутатором 25, цепью из последовательно соединенных второго блока 26 хранения-выборки, второго логарифматора 27, оперативного запоминающего устройства 28, двух измерителей 29 и 30 разности и измерителя 31 отношений, а также цепью из последовательно соединенных третьего блока 32 хранения-выборки и трех измерителей 33-35 отношений. Информационный вход управляемого коммутатора 25 соединен с выходом инфракрасного фотодиода 6, первый управляющий вход соединен с первым выходом генератора 23 импульсов и с входом шагового двигателя 10. Второй управляющий вход соединен с входами оперативного запоминающего устройства 28 и исполнительного механизма 13 и с выходом делителя 24 частоты, вход которого соединен с вторым выходом ге-нератора 23 импульсов. Выходы управляемого коммутатора 25 соединены с входами блоков 19, 26 и 32 хранениявыборки. Выход первого блока 19 хранения-выборки соединен с вторым входом второго измерителя 33 отношений. Выход третьего блока 32 хранения-вы" борки через первый логарифматор 20 соединен с вторым входом первого измерителя 29 разности. Выходы первого 31 и четвертого 35 измерителей отношений соединены с вторым и третьим 5 15484 входами порогового блока 1, четвертый вход которого соединен с вторым задатчиком 14. Выход третьего измерителя 34 отношений соединен с первым вхо5 дом первого лока 22 умножения, второй вход которого соединен с третьим задатчиком 18, а выход соединен с вторым входом второго измерителя 30 разности. Второй вход третьего измерителя 34 отношений соединен с четвертым задатчиком 16. Второй вход четвертого измерителя 35 отношений соединен с пятым эадатчиком 17 и с первым входом второго блока 21 умножения, второй вход которого соединен с шестым задатчиком 15, а выход соединен с вторым входом первого измерителя 31 отношений. В состав устройства входит также двухканальный блок 20 36 индикации и регистрации, входы которого соединены с выходами первого 31 и четвертого 35 измерителей отно шении. ! Первый коллиматор 7 выполнен рас- 25 ширяющимся (в виде конического от, верстия ) и уста новлен у ла эер ного инфра красного светодиода 5 широкой 1 стороной к инфракрасному фотодиоду 6. Второй коллима тор 8 выпол нен сужа ющимся (в виде конического отверстия) и установлен перед инфракрасным фотодиодом 6 на одной лопасти 37 обтюратора 11 узкой стороной к светодиоду 5. Третий коллиматор 9 выполнен кольцевым (прозрачное для инфракрас35 ного излучения кольцо 38 и непрозрачный пятачок "39 в центре) и уста ноален на второй лопасти 40 обтюратора 11. Контролируемый объем 4 ша;;тной ат- 40 мосферы образован двумя параллельными друг другу и прозрачными для инфракрасного излучения торцовыми стенками 41 и 42, установленными на расстоянии d друг от друга. Для возможности герметизации объема и откачки из него воздуха служат боковые стенки 43-46, которые устанавливаются при надобности исполнительным меха низмом 13 ° Исполнител ьный меха низм 13 может быть выполнен, например, в виде герметизирующего устройства, герметично закрывающего контролируемый объем 4, и вакуум-насоса, откачивающего воздух из герметизированного объема . Пороговый блок 1 может быть выполнен, например, в виде двух блоков сравнения с элементом ИЛИ на выходе. Остальные Ь8 6 блоки я вля ются ста нда рт ными широко распространенными блоками схем автома ти ки, выполняют од ноз нач ные функции и в дополнительных пояснениях не нуждаются. Способ газовой защиты для угольных шахт реализуется следующей последовательностью операций. Контролируемый объем шахтной атмосферы толщиной d просвечивают пучком инфракрасного излучения, например, с длиной волны около 3,39 мкм. с Регистрируют интенси вность прошедшего через контролируемый объем потока инфракрасного иэпучения I„Регистрируют интенсивность рассеянного в напра вле ни и вперед потока и нфра кра с ного излучения Iр . Регистрируют один раз на много измерений интенсивность прошедшего через чистый разряженный воздух потока инфракрасного излучения I Определяют значения концентраций пыли С„и метана С„в контролируемом объеме шахтной атмосферы по формулам С„= I р„-(I„K„d) ; С„,= . = (М, d) Pln I„-1п I„ Задают пороги по допустимым концентрациям метана С и пыли С„„.Сравнивают значения С и С с пороговыми Сп и С д и при С,)Сп1 или C )C>> сигнализируют об опасной пылегазовой обстановке в шахте. Остальные опера ции повторяют при каждом измерении. Сущность способа состоит в следующем. Если через контролируемый объем шахтной атмосферы толщиной d пропус" кать тонкий пучок инфракрасного излучения с длиной волны около 3,39 мкм (т„е. в полосе поглощения метана), то интенсивность прошедшего потока излучения согласно закону Бугера-Памберта-Бера запишется в виде I „=Iîехр Г 3E„C„d X,C>dg» где ? — и нтенси вност ь прошедшего через чистый разреженный воздух (без пыли v, метана) потока инфракрасного излучения; С„и С,„- концентрация пыли и метана „и, - коэффициенты ослабления инфракрасного излучения пылью и метаном. Зависимость (1) будет иметь место в показанной на фиг. 2 геометрии измерений. 1548468 Если теперь между источником 5 и фотоприемником 6 поставить непрозрачный для инфракрасного излучения пятачок 39 (no диаметру потока излучения от источника 5 на фотоприемник 6), а вокруг пятачка выполнить прозрачное для излучения кольцо 38, то прямые лучи от источника 5 на фотоприемник 6 не попадут (Фиг.3). Зато на фотоприемник 6 попадут кванты инфракрасного излучения, которые в результате рассеяния на частичках пыли изменили свое первоначальное направление распространения и прошли на фотоприемник 6 через прозрачное кольцо 38. Направления таких квантов показаны сплошными линиями со стрелками на фиг. 3. Интенсивность потока рассеянного вперед инфракрасного излучения 20 Т рв аппроксимируется выражением I < =Т (KÄ Äd) exp (-XÄCÄ d-R,С„d), (2) где К„" градуировочный коэффициент. Из выражения (2) видно, что при С„- 0 величина Т в также стремится к 25 нулю. Объясняется это тем, что при исчезновении частичек пыли исчезают центры рассеяния и в чистом воздухе рассея ния и злучения вперед не происходит. Показатель экспоненты в вы- 30 ражении (2) как и в выражении (1) характеризует ослабление прямого и рассеянного квантов инфракрасного излучения пылью и метаном. Разделив Iрв по уравнению (2) на I „по ура внению (1), получа ют Т рв I p(K Сод) ехР (X>C d Ж См 1) о о «Р Ти I< exp(-X„C„d-X,С„, 1) = KACnd. (3) 40 Отсюда получают С „= Т р (Т„К d) (4) Подста вив С д из ура внения (4 в уравнение (1) и решив полученное уравнение относительно См. получают С„ = =(Ж d) t.ln То- 1п In о рв(ТоКп)")» (5) концентра цию мета на в контролируемом объеме шахтной атмосферы. Перед запуском в работу устройство градуируют. Процесс градуировки устройства заключается в следующем. Значения См и С„ заносятся в задатчики 2 и 14. Значение d заносят в задатчик 17, значение К и за носят в за датчик 16, Ж, - в задатчик 15, а зна55 чение Ж„- в, эадатчик 18. Величины С м и С„А являются заранее известными для конкретной лавы, где будет установлено устройство, значение d известно из конструкции устройства, а величины Ж,, <„è К„определяют, пропуская через контролируемый объем, искусственные смеси с известными концентрациями пыли и метана и измеряя каждый раз величины I, I и Ið,(например, по методу наименьших квадратов по уравнениям (4) и (5). Работа устройства осуществляется следующим образом. При запуске устройства исполнительным механизмом 13 герметизируют контролируемый объем 4 и откачивают оттуда чистый воздух. Устанавливают обтюра тор 11 в пока эа нное на фи r . .1 и 2 положение, соединяют выход фотодиода 6 с входом второго блока 26 хранения-выборки. В блоке 26 фиксируется значение I, которое логарифмируется в блоке 27 и заносится в оперативное запоминающее устройство 28 в виде (1nI ) . .Эти операции обычно осуществляют (как и операции градуировки) на заводе-изготовителе устройства ° При включении устройства в работу импульсом с генератора 23 шаговый двигатель ставит обтюратор 11 в показанное на фиг ° 1 и 2 положение, а управляемый коммутатор 25 соединяет фотодиод 6 с входом третьего блока 32 хранения-выборки. Начинается пер" вый та кт измерения . Поток и нфра кра сного излучения от источника 5 проходит через контролируемый объем толщиной d и регистрируется фотоприемником 6. Сигнал с фотоприемника 6 поступает на вход третьего блока 32 хранения-выборки, где формируется сигнал Iä согласно уравнению .(1). В логарифматоре 20 при этом формируется сигнал 1nI По окончании первого такта импульсом с генератора 23 шаговый двигатель 10 устанавливает обтюратор 11 в показанное на фиг. 3 положение, а управляемый коммутатор 25 соединяет фотодиод 6 с входом первого блока 19 хранения-выборки. Начинается второй такт измерений. Рассеянный в направлении вперед поток инфракрасного излучения проходит через кольцо 38 и попадает на фотодиор 6. Сигнал с фотоприемника 6 поступает на вход пер" вого блока 19 хранения-выборки где формируется сигнал Т согласно уравнению (2). 48468 20 25 ве 28. 35 45 9 15 По окончании второго такта сигналI è3 блока 32 и сигнал Ið èç блока 19 поступают на входы второго измерителя 33 отношений,, где формируется сигнал Тр (?„)-, который посту" пает на вход третьего измерителя 34 отношений, на второй вход которого с задатчика 16 поступает сигнал К„. На выходе блока 34 формируется сигнал 1, (?„К„), который поступает на входы блоков 22 и 35. На второй вход измерителя 35 отношений с задатчика 17 поступает сигнал d и поэтому на выходе блока 35 формируется сигнал I (I„ K„d), численно равный концентрации пыли С„ в контролируемом объеме согласно уравнению (4), На второй вход блока 22 умножения иэ задатчика 18 поступает сигнал „. Поэтому на выходе блока 22 формируется сигнал XÄIÄ (IÄ KÄ), который поступает на второй вход второго измерителя 30 разности. На входы первого измерителя 29 разности с блоков 28 и 20 поступают сигналы ln I u ln I „. На выходе измерителя 29 разности формируется сигнал (ln I ln I ), который поступает на первый вход второго измерителя 30 разности. На выходе блока 30 формируется сигнал Eln I -ln In (т„К„) j, который подается на первый вход измерителя отношений 31. На входы блока 21 умножения с задатчиков 17 и 15 подаются сигналы ж, и d поэтому на выходе блока 21 формируется сигнал (Я,J), поступающий на второй вход блока 31. На выходе измерителя отношений 31 формируется сигнал (р,d) (In I -ln I -З„I (I K ) ), который согласно уравнению (5) численно равен концентрации метана в контролируемом объеме. Сигналы о концентрациях пыли и метана с блоков 35 и 31 поступают на входы блока 36, где индицируются и регистрируются в процентах содержания метана и в мг/м содержания пыли. Эти же сигналы С „и С с блоков 35 и 31 подаются на входы порогово-! го блока 1, где сравниваются с сигналами Сл и С„с задатчиков 2 и 14. При выполйении одного из условий Спy C„< или См> С на выходе порогового блока 1 появляется сигнал, включающий сигнализатор 3, который сигнализирует об опасной пылегазовой обстановке в лаве. После этого начинается первый такт уже второго цикла измерений, который как и описанный состоит из двух тактов. Длительность одного цикла измерений составляет около 0,15 с. (по, 0,07 с. на каждый такт и около 0,01 с на переходные процессы и обработку сигналов). По истечении 288000 тактов (или 144000 циклов, или 6 ч непрерывной работы) на выходе делителя частоты 24 на 288000 появляется импульс, под дей твием которого исполнительный механизм 13 герметизирует контролируемый объем 4 и откачивает оттуда воздух, шаговый двигатель 10 ставит обтюратор 11 в показанное на фиг.1 и 2 положение, управляемый коммутатор 25 соединяет выход фотодиода 6 с входом второго блока 26 хранениявыборки, сбрасывается содержимое оперативного запоминающего устройства 28. После этого сигнал с фотодиода 6 поступает в блок 26 и на его выходе формируется с иг нал I сиг нал I логарифмируется в логарифматоре 27 и сигнал (ln I ) запоминается в оперативном запоминающем устройстПосле этого снова начинается первый такт первого цикла измерений и все происходит снова в описанной последова тел ь ности . формула и зобретения 1. Способ газовой защиты для угольных шахт, основанный на просвечивании контролируемого объема шахтной атмосферы пучком инфракрасного излучения, регистрации интенсивности прошедшего через контролируемый объем потока инфракрасного излучения на зада нии порогов и на сигнали за ции опасной обстановки, о т л и ч а ющ и и сятем,,что,,с целью повышения достоверности защиты, дополнител ьно регистрируют интенсивность рассея нного в на правлении вперед пото " ка и нфра красного и злуч ения I и ороги задают по допустимым концентрациям метана См и пыли С„„в шахтной атмосфере, дополнительно регистриру" ют интенсивность прошедшего через чистый разреженный воздух потока ин.фракрасного излучения Io определяют 11 15 значения концентраций пыли С„и метана С „ С„= l„(I„Ê„a) С„,= (М,1) Pln I — ln I„— ж„т „(„к,„}- ), где d - толцина контролируемого объема, Ж „М„- коэффициенты ослабления ин" фракрасного излучения метаном и пылью К „- градуировочный коэффициент, о сравнивают концентрации С„и С с допустимыми <онцентрациями С, и См и при превышении концентрациями пыли или метана допустимых концентраций ;игнализируют об опасной пылегазовой .бстановке в шахте. 2. Устройство газовой защиты для угольных шахт, содержащее пороговый блок, к входу которого подключен задатчик, а к выходу подключен сигнализатор, а также установленные друг против друга по разные стороны от контролируемого объема шахтной атмосферы толщиной d лазерный инфра крас" ный светодиод и инфракрасный фотодиод, о т л и ч а ю щ е е с я тем, i}To с целью повышения достоверности защиты, оно снабжено одним неподвижным коллиматором, вращающимся обтюратором с двумя подвижными коллиматорами, пя,.тью задатчиками, блоком хранения-выборки, логарифматором, двумя блоками умножения, генератором импульсов, делителем частоты, управляемым коммутатором, цепью из последовательно соединенных второго блока хранения" выбор ки, второго логарифматора, оператив" ного запоминающего устройства, двух измерителей разности и измерителя отношений, а также цепью из последовательно соединенны: третьего блока хранения" выборки и трех измерителей отношений, причем информационный вход управляемого коммутатора соединен с 12 выходом инфра красного фотодиода, первый управляющий, вход соединен с первым выходом генератора импульсов, вто. рой управляющий вход соединен с входом оперативного запоминающего устройства и с выходом делителя частоты, вход которого соединен с вторым выходом генератора импульсов, а входы 1О управляемого коммутатора соединены с входами блоков хранения-выборки, Bbf ход первого из которых соединен с вторым входом второго измерителя отношений, а выход третьего блока хра1 нения-выборки через первый логарифматор соединен с вторым входом первого. измерителя разности, выходы перBoro и четвертого измерителей отношений соединены с вторым и третьим входами порогового блока, четвертый вход которого соединен с вторым задатчиком, выход третьего измерителя отношений соединен с первым входом блока умножения, второй вход кото2 рого соединен с третьим задатчиком, а выход соединен с вторым входом второго измерителя разности, второй вход третьего измерителя отношений соеди" нен с четвертым задатчиком, второй З(вход четвертого измерителя отношений соединен с пятым задатчиком и с пер" вым входом второго блока умножения, второй вход которого соединен с шестым задатчиком, а выход соединен с вторым входом первого измерителя от35 ношений, при этом неподвижный колли" матор выполнен расширяющимся и уста" новлен у лазерного инфракрасного светодиода широкой стороной к инфракрасному фотодиоду, первый подвижный коллиматор выполнен сужающимся и установлен перед инфра красным фотодиодом одной лопасти обтюратора узкой стороной к светодиоду, а второй подвижный коллиматор выполнен кольцевым и установлен на второй лопасти обтюратора . 1 ч8468 1548468 Заказ 126 Подписное Тираж 377 ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, И-35, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-издательский комоинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина,101 Редактор Л. Зайцева Составитель И. Назаркина Техред Л.Сердюкова Корректор М. Шароши
