Газоанализаторы в геологии

Актуальность 

С увеличением глубины  разработок угля возрастает газоносность выработок, увеличивается интенсивность  и частота газодинамических проявлений, что в свою очередь сопряжено  с повышением опасности при ведении  горных работ. Следовательно в таких  условиях возрастает необходимость  в переоснащении угольных шахт непрерывно действующими средствами автоматического  контроля концентрации газовых компонент  повышенного быстродействия. Методы и средства, которые существуют сегодня, не обеспечивают необходимое быстродействие и требуемую точность приборов измерения  концентрации метана в атмосфере  угольных шахт. Измеритель должен быть малоинерционным с широким динамическим диапазоном и нечувствительным к  влиянию основных возмущающих факторов рудничной атмосферы угольных шахт. Таким образом необходимо детальное  изучение и разработка путей повышения  быстродействия при требуемой точности контроля концентрации метана с компенсацией влияния основных дестабилизирующих  факторов рудничной атмосферы угольных шахт. 

Связь работы с научными программами, планами, темами 

 Магистрская работа  выполнена в рамках госбюджетных  научно-исследовательских тем Государственного  высшего учебного заведения «Донецкий  национальный технический университет»  Д–14–07 «Разработка быстродействующего  измерителя концентрации метана  для системы газовой защиты  угольных шахт» 

Цель работы 

Цель работ: повышение  быстродействия измерения метана в  угольных шахтах с использованием системного подхода, путем применения оптико-абсорбционного метода контроля концентрации метана с компенсации динамических возмущений среды, влияющих на результаты измерений. 

Задачи работы 

 Для реализации  идеи и достижения цели магистерской  работы поставлены следующие  задачи: 

·  проанализировать методы измерения концентрации метана в условиях угольных шахт и пути улучшения их метрологических характеристик, выявить факторы, влияющие на  показатели точности оптико-абсорбционного метода, и разработать принципы их компенсации;  

·  разработать  математическую модель канала измерителя концентрации метана на основе оптико-абсорбционного метода с использованием оптического  канала и метода компенсации, устраняющего динамические возмущения среды, влияющих на результаты измерений;  

·  обосновать структурно-алгоритмические  методы, обеспечивающие требуемую точность измерений, высокое быстродействие прибора измерения концентрации метана в условиях угольных шахт. 

 Решение данных  задач – основа для разработки  структурной схемы быстродействующего  прибора измерения концентрации  метана для системы газовой  защиты угольных шахт. 

 Планируемый результат  – структурная схема разрабатываемого  прибора, построенная на основе  разработанной математической модели 

Предпологаемая научная  новизна 

В ходе работы будут  разработаны и получены новые  результаты:  

·  Получено дальнейшее развитие оптико-абсорбционного метода контроля концентрации метана в угольных шахтах, на основе использования открытого  оптического измерительного канала, что позволило повысить быстродействие измерителей концентрации метана при  требуемой точности контроля. 

·  Разработаны  структурно-алгоритмические методы, обеспечивающие требуемую точность измерений, высокое быстродействие прибора измерения концентрации метана в условиях угольных шахт 

                          

  Основной материал  работы 

Метан имеет относительную  плотность 0,554. Характерными свойствами этого газа являются горючесть и  способность давать взрывчатую смесь  с воздухом. Температура воспламенения  равна 650–750 °С, однако эта температура может быть выше и ниже указанных пределов в зависимости от рода воспламенителя, способа воспламенения, содержания метана в воздухе и др. 

Для метана характерным  является свойство воспламеняться при  соприкосновении с источником высокой  температуры не сразу, а через  некоторый промежуток времени, величина которого зависит от температуры  воспламенения; при 650 °С время запаздывания составляет 10 с, при 1000 °С падает до 1 с  и ниже. Области взрываемости (воспламеняемости) метано-воздушных смесей в зависимости  от содержания в них кислороде  и метана показаны на рис. 1. 
 
 

Рисунок 1 – Области  взрываемости метано-воздушных смесей в зависимости от содержания в  них кислорода и метана. 

1 – невзрывчатая  смесь, 2 – взрывчатая смесь, 3 –  смеси, которые могут стать  взрываемыми при добавлении свежего  воздуха, 4 – осуществимая смесь  с метаном 

Анализ существующих методов измерения концентрации метана

Суть метода 

Достоинства и недостатки метода 

1.Термохимический  (термокаталитический) метод 

Принцип действия таких  датчиков основан на беспламенном сжигании (окислении) метана на поверхности каталитически  активного элемента и измерении  количества тепла, которое выделилось при этом. При поддержке постоянства  условий тепломасообмена выделеное  тепло пропорционально концентрации метана в анализируемом воздухе 

  

  

Преимуществом этого  метода является высокая точность измерения  и отсутствие влияния скорости потока на измерение концентрации метана.  

Недостатком данного  метода является невысокое быстродействие 

2. Термокондуктометрический  метод  

Принцип основан  на зависимости теплопроводности газовой  смеси от концентрации определяемого  компонента (метана)  

  

Термокондуктометричний  метод является одним из самых  распространенных методов газового анализа, но он уступает  термокаталитическому в результате малой чувствительности и плохой выборочности 

  

3. Воздушно-канальный  способ  

Воздушно-канальные  системы контроля состава шахтной  атмосферы, основанные на принципе непрерывного дистанционного сбора пробы газа, протяжки, их по трубке к центральному пункту (станции) и анализу этой пробы  с помощью газоанализаторов. Протяжность  трубки, которая прокладывается по горной выработке, составляет сотню  и тысячу метров 

  

Преимущества: 1) широкая  функциональная возможность системы  контроля; 2)  низкая стоимость аппаратуры; 3)  отсутствие  необходимости  иметь  источники  электроэнергии для аппаратуры в подземной выработке. 

Недостатком воздушно-канального метода является наличие «транспортного запаздывания», которое заключается  в том, что необходимо определенное время на перемещение пробы шахтного воздуха от момента ее отбора в  точке контроля к моменту ее поступления  на центральный газоаналитический  пункт 

  

4. Хроматографические  методы  

Принцип хроматографического  метода заключается в использовании  для разделения веществ способности  этих веществ в разной степени  адсорбироваться  на выбранном   адсорбенте   (избирательная адсорбция). При этом адсорбент (неподвижный  слой с большой поверхностью) может  быть: 1) твердым телом, владеющим  адсорбционными свойствами; 2) жидкостью, нанесенной для создания большей  поверхности обмена на грани раздела  фазы на гранулированный инертный материал-носитель.  

  

  

Недостатком данного  метода является невысокое быстродействие и плохая выборочность 
 

Проанализировав достоинства  и недостатки существующих методов  измерения концентрации метана, был  выбран оптико-абсорбционный метод  измерения. Оптико-абсорбционный метод  газового анализа основан на избирательном  поглощении лучистой энергии, определяемом компонентами анализируемых газовых  смесей [3]. Шахтные приборы, основанные на этом методе, работают в инфракрасной области спектра с использованием оптико-акустического явления (возникновения  акустических колебаний в газе при  поглощении данным газом прерывистого потока лучистой энергии). Поэтому шахтные  газоанализаторы, основанные на оптико-абсорбционном  принципе, называют либо оптико-акустическими, либо инфракрасными газоанализаторами. 

В настоящее время  в подавляющем большинстве бездисперсионных газоанализаторов используется инфракрасное излучение в диапазоне 2-10 мкм. Молекулы всех газов (за исключением некоторых  двухатомных – Na2, О2, Н2 и т. п., молекулы которых не имеют дипольного момента) обладают способностью поглощать инфракрасное излучение. При этом каждый газ имеет  свои (характерные только для него) области поглощения. Ниже приведены  данные о длине волны (мкм) при  максимальном и среднем поглощении инфракрасного излучения различными газами, входящими в состав рудничной  атмосферы: 

СН4…………………3.31; 7.7 (2.15; 5.8);

 СО2…………………2.7; 4.3; 15 (2.0; 3.2; 4.9; 9.3);

 СО …………………2.37; 4.65 (1.573);

 Н2 …………………2.5 (От 2.3 до 7.8);

SO2…………………7.4; 8.7 (3.18; 3.97; 5.68; 10.4)

NO2…………………5.7 (3.43; 6.1; 7.3); 

Классическая теория при объяснении поглощения инфракрасного  излучения исходит из того, что  атомы и молекулы газов обладают собственными частотами колебаний, характерными для каждого газа, и  поглощение имеется всякий раз, когда  колеблющаяся система и падающая радиация находятся в резонансе. 

Квантовая теория объясняет  поглощение электромагнитных волн переходами атомов и молекул газа из состояния  с меньшей энергией в состояние  с большей энергией, при этом установлено, что атомы и молекулы могут  воспринимать не любую сколь угодно малую величину энергии, а только строго определенные, характерные для  данного вещества дискретные порции энергии. Большая часть энергии, поглощаемая газами, переходит в  тепло. 

Закон Бугера устанавливает  связь между интенсивностью J падающего  потока излучения и количеством  энергии dJdv, поглощаемой бесконечно тонким слоем dx анализируемого газа в  спектральном интервале dv: 
 
 

где v — волновое число; К — коэффициент поглощения (постоянная величина, характеризующая  поглощение слоя и рассчитанная на единицу толщины при постоянном волновом числе). 

Коэффициентом поглощения K излучения частоты называется коэффициент  пропорциональности выражения закона поглощения Бугера дифференциальной форме: 
 
 

где dI(l)— ослабление направленного излучения интенсивности I прошедшего слой среды толщиной dl. 

В случае однородной среды интегральная форма закона Бугера имеет вид: 
 
 

где I0 и I — интенсивности  излучения до и после прохождения  слоя толщиной l.  

Показатель экспоненты в предыдущей формуле принято  называть оптической толщей среды: 
 
 

Интегрирование этого  уравнения по х дает зависимость  величины проходящего потока j от коэффициента поглощения К, толщины слоя х и  величины падающего потока J0 в спектральном интервале dv (закон Ламберта): 
 
 

Экспериментальные исследования [3] поглощения лучистой энергии  средой, плотность которой не везде  одинакова, показали, что лучистая энергия  претерпевает равные изменения, лишь встречая равное число частиц, способных задерживать  лучи или рассеивать их, и, следовательно, для поглощения имеют значения не толщины, а массы вещества, т. е. для  поглощающего лучистую энергию газа, растворенного в практически  непоглощающих газах, коэффициент  поглощения пропорционален числу поглощающих  молекул на единицу длины пути волны (или на единицу объема), т. е. пропорционален концентрации С. 

Для смеси j поглощающих  газов, согласно закона Беера, коэффициент  К определяется из соотношения: 
 
 

где Кj — коэффициент  поглощения j-го компонента; Сj — концентрация j-го компонента в смеси. 

В свою очередь формула  с учетом изложенного может быть представлена в следующей форме: 
 
 

где А — новый  коэффициент, не зависящий от концентрации и характерный для молекулы поглощающего газа. 

Развитие этого  метода привело к возможности  повышение быстродействия измерения  концентрации содержания метана в условиях угольных шахт.