федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики»

Факультет низкотемпературной энергетики

Кафедра экологии и техносферной безопасности

РЕФЕРАТ

Методы контроля шахтной атмосферы

Автор:

Шац К.О.

Группа W4150

Преподаватель:

Белобородов В.В.

Санкт-Петербург
2017

Оглавление

Введение. 4

1. Датчики метана. 5

1.1 Каталитический датчик. 6

1.2 Электрохимический датчик. 8

1.3 Полупроводниковый датчик. 10

1.4 Точечный инфракрасный датчик. 12

1.5.     Портативные газовые детекторы.. 15

2.    Сравнение способов обнаружения газов. 16

Список литературы.. 17

 

 

 

 

Введение

Актуальность темы.Ежегодно происходит множество аварий в шахтах всего мира. Для уменьшения трагедий в шахтах, связанных с воспламенением газов, необходимо непрерывно отслеживать концентрацию метана в шахтной атмосфере. Для обнаружения превышений метана в среде шахты используются газоанализаторы. С годами газоанализаторы становятся все точнее и удобнее, а число несчастных случаев в шахтах уменьшается. Однако, далеко не все шахты оборудованы современными газоанализаторами, в связи с их высокой стоимостью.

Большинство трагедий в шахтах происходят из-за взрывов метана. Сконцентрировавшись, в какой либо части шахты, газ, если его вовремя не обнаружить и не принять соответствующие меры по устранению утечки, может легко воспламениться, что повлечет за собой взрыв, а то и серию взрывов с последующим обрушением.

Шахтная атмосфера — это смесь воздуха и газов, которые содержатся в выработках. Шахтная атмосфера включает в себя большое количество составляющих компонентов, таких как: кислород (O2), азот (N), углекислый газ(CO2). В ней могут содержаться вредные для здоровья человека элементы: (окись углерода(CO), оксиды азота(NO,NO2,N2O), сероводород(H2S), различные альдегиды и тд.),а так же взрывчатые вещества: (метан(CH4), водород и тд.). Химический состав атмосферы шахты зависит от геологического фактора, от вида добычи полезных ископаемых а так же от типа добычного оборудования. В результате проведения взрывных работ, работы добычного оборудования и техники содержание кислорода в шахте меньше, чем на дневной поверхности, а содержание CO2 — выше. Для обеспечения безопасного пребывания людей в шахте необходимо предъявлять жесткие требования к шахтной атмосфере.

 

 

1.      Датчики метана

Один из самых первых детекторов метана был создан Гемфри Дэви в 1815 году. Детектор представлял собой лампу в которой происходил процесс горения керосина, карбида или масла (рис.1.1). Поступление кислорода и выход продуктов горения происходили через специальные сетки. Чтобы не произошел взрыв из-за пламени внутри лампы, толщина проволоки, из которой была сделана сеть, расстояние между проволоками сетки а так же теплопроводность металла подбирались таким образом, чтобы пламя не могло выйти за пределы сети, таким образом, обеспечивалась безопасность такого вида детектора метана. При наличии горючих газов в шахтной атмосфере, язык пламени, внутри лампы значительно удлинялся, так же могли наблюдаться хлопки и разного рода вспышки, таким образом, шахтеры понимали, что работать в данных условиях небезопасно. Точность данного устройства была малой, но это был большой шаг для обеспечения безопасной добычи полезных ископаемых подземным способом.

Рис.1.1 Шахтерная лампа (Лампа Дэви)

            Стоимость лампы Дэви была высока. Именно поэтому, чтобы обнаружить рудничный газ, многие угольные компании США и Европы использовали обычных канареек. Канарейки – это птицы, которые чувствительны к газам, в том числе метану и угарному газу. Их гибель может происходить от незначительного содержания этих газов в воздухе. Если в горной выработке присутствует газ, то птица перестает петь, начинаются проявляться признаки беспокойства или падает в обморок. Это является сигналом загазованности воздуха, и все работы должны быть прекращены. Канарейка могла прийти в себя, если ее вовремя выносили на свежий воздух, но некоторые птицы все же погибали. Позже стали применять специальные безопасные клетки. При обнаружении газа эти клетки герметично закрывались, а внутрь пускался кислород, что позволяло канарейке выжить. На протяжении нескольких веков британское горное законодательство в обязательном порядке предписывало держать в шахтах канареек для обнаружения газа. Птичек использовали в такой роли до 1986 года, а соответствующая статья оставалась в британских правилах безопасности для горных работ вплоть до 1995 года. [1]

Более чем за два столетия детекторы метана значительно повысили свою точность показаний и безопасность. В настоящее время контроль содержания метана в шахтной атмосфере принципиально может осуществляться с помощью следующих датчиков:

1.1 Каталитический датчик

 Данный датчик обладает относительной дешивизной и простотой, однако при его использовании есть вероятность отравления свинцом, хлором и кремнийорганическими соединениями, обладает высоким энергопотреблением (рис.1.2).Принцип работы основан на том, что горючий газ, попадая на чувствительный элемент датчика, вступает в каталитическую реакцию, что влечет за собой сгорание газа, но горение происходит без пламени. Такое горение называется беспламенным, это и позволяет использовать его во взрывоопасной среде. В результате реакции происходит выделения большого количества тепла, вследствие этого изменяется сопротивление чувствительного элемента (рис.1.3). Измеряя данное сопротивление можно вычислить концентрацию газа.

Принцип действия каталитического датчика основан на прямой зависимости тепла, производимого при сгорании газа, от концентрации этого газа. Изменение сопротивления чувствительного элемента из особо чистой платины пропорционально изменению его температуры.

Если в среде произойдет изменение таких параметров как: температура, влажность или давление, изменится сопротивление как чувствительного, так и компенсирующего элементов. Это дает каталитическому датчику независимость от изменения параметров среды.

 

Рис.1.2 Каталитический датчик

Рис.1.3 Цепь измерительного моста

Они состоят из миниатюрного чувствительного элемента, иногда называемого также шариком, "пеллистором" (Pellistor) или "сигистором" (Siegistor). Последние два являются зарегистрированными торговыми марками серийных устройств. Они изготовлены из электроподогреваемой катушки с платиновой проволокой, на которую сначала нанесена керамическая подложка, например, оксид алюминия, а затем кроющая наружная оболочка из палладиевого или родиевого катализатора, распыленного на подложку из окиси тория.

Действие этого типа датчика основано на том, что при прохождении горючего газа/воздушной смеси по поверхности катализатора возникает горение, и выделяющееся тепло повышает температуру шарика. Это, в свою очередь, ведет к изменению сопротивления платиновой катушки, которое можно измерить, если использовать катушку в качестве температурного датчика в стандартной цепи с измерительным мостом. Изменение сопротивления находится в прямой зависимости от концентрации газа в окружающей среде, его можно отобразить на измерительном инструменте или индикаторе.

Выход датчика

Чтобы обеспечить стабильность температуры в меняющихся окружающих условиях, в лучших каталитических датчиках используются термически согласованные шарики. Они расположены на противоположных участках электрической цепи с мостом для измерения сопротивления, где "чувствительный" датчик реагирует на любой присутствующий горючий газ в отличие от сбалансированного пассивного, или нечувствительного, датчика. Пассивное функционирование достигается или за счет покрытия шарика тонким слоем стекла, или за счет деактивированного катализатора. Таким образом, он действует лишь как компенсатор любых внешних изменений температуры или влажности.

Дальнейшего улучшения стабильной работы можно достигнуть, если использовать стойкие к отравлению датчики. Они более устойчивы к негативному воздействию таких веществ, как кремнийорганические и свинцовые соединения, сера, которые могут быстро деактивировать (или "отравить") другие типы каталитических датчиков.

Скорость отклика

Чтобы соответствовать необходимым требованиям, предъявляемым к безопасности конструкции, каталитический тип датчика должен быть установлен в прочном металлическом корпусе позади пламегасителя. Это позволяет смеси газа/воздуха проникать в корпус и к высокоактивному чувствительному элементу, но предотвращает распространение пламени в окружающей среде. Пламегаситель слегка сокращает скорость реагирования датчика, однако в большинстве случаев показание на электрическом выходе появляется уже через несколько секунд после обнаружения газа. Поскольку кривая отклика в значительной степени сглаживается по мере приближения к конечному показанию, время отклика часто определяется как время, необходимое для достижения 90% от его конечного показания и поэтому известное как значение Т90. Значение Т90 для каталитических датчиков составляет обычно 20 - 30 секунд.

1.2 Электрохимический датчик

Специальные газовые электрохимические датчики могут быть использованы для обнаружения большей части обычных токсичных газов, включая CO, H2S, Cl2, SO2 и т.д. , в различных ситуациях (рис.1.4). Электрохимические датчики компактны, требуют очень мало питания, что особенно актуально при питании от батарей или аккумуляторов в мобильных устройствах газового контроля. В подобных устройствах легко реализовать передачу информации с подвижных объектов на центральные станции обработки экологической информации. Проявляют прекрасные свойства линейности и воспроизводимости и обычно имеют долгий срок службы, от одного года до трех лет. Время отклика, обозначаемое как Т90, то есть, время требуемое для достижения 90% окончательного отклика, составляет обычно 30-60 секунд, а диапазон минимальных пределов обнаружения равен 0,02 - 50 частей на миллион в зависимости от типа определяемого газа.

Существуют многочисленные коммерческие разработки электрохимической ячейки, большинству из них свойственны следующие основные функции:

Три газодиффузиционных электрода с активным слоем погружены в обычный электролит, часто представляющий собой концентрированный водный раствор кислоты или раствор соли, для эффективной электропроводности ионов между рабочим электродом и противоэлектродом.

В зависимости от конкретной ячейки происходит или окисление газа, подлежащего обнаружению, или его уменьшение у поверхности рабочего электрода. Эта реакция меняет потенциал рабочего электрода по сравнению с контрольным электродом. Основной функцией присоединенного к ячейке электронного задающего контура является минимизация этой разницы потенциала за счет прохождения тока между рабочим электродом и противоэлектродом. Измеренный ток пропорционален концентрации газа, подлежащего определению. Газ поступает в ячейку через внешний диффузный барьер, который проходим для газа, но непроницаем для жидкости.

Электрохимический датчик газа состоит из двух или трех электродов для электрохимической каталитической реакции, а так же содержит проводящий электролит. Во время работы датчика детектируемый газ проникает в датчик, где происходит окислительно-восстановительная реакция на электроде, наличие этой реакции говорит о содержании метана в среде.

Принцип действия прибора основан на явлении протекания специфичной химической реакции (электрохимической реакции) в электрохимической ячейке, представляющей собой емкость с раствором электролита с электродами (анодом и катодом).

Анализируемый газ вступает в химическую реакцию с электролитом, заполняющим ячейку. В результате в растворе возникают заряженные ионы, между электродами начинает протекать электрический ток, пропорциональный концентрации анализируемого компонента в пробе. Электрический датчик обрабатывает возникающий электрический сигнал.

Уровень сигнала, который выдает датчик при реакции, напрямую связан с концентрацией газа, что позволяет, изменяя величину сигнала узнать концентрациюметана. Электрохимических датчик способен измерять относительно невысокие концентрации токсичных газов, так же одним из его плюсов это его маломощность. Недостаток данного датчика это то, что при отказе  признаки отказа остаются необнаруженными, так же для работы датчика требуется минимальная концентрация кислорода в среде.Чувствительность к различным компонентам определяется материалом электродов и применяемым электролитом.

    

Рис. 1.4 Электрохимический датчик

1.3 Полупроводниковый датчик

 Датчики, изготовленные из полупроводниковых материалов, приобрели значительную популярность в конце 80-х годов прошлого века и одновременно стали использоваться в качестве универсальных недорогих газовых детекторов. Действие таких датчиков основано на свойствах поглощения газа поверхностью нагретого оксида. Датчик представляет из себя тонкую пленку окиси металла (обычно оксиды тяжелых металлов, таких как олово) на кремниевой пластине (рис.1.5). Поглощение газа поверхностью оксида газа образца с последующим каталитическим окислением приводит к изменению электрического сопротивления оксидного материала и в последующем соотносится с концентрацией газа образца. Поверхностьдатчика нагревается до постоянной температуры выше 200 - 250°C для ускорения скорости реакции и сокращения воздействий, вызванных изменением окружающей температуры.

Рис.1.5 Полупроводниковый датчик

Полупроводниковые датчики газа выделяются своей простотой и достаточной степенью надёжности, так же обладают высокой степенью чувствительности (рис.1.6). Широко применяются при производстве относительно недорогих детекторов бытового газа.Однако при использовании в промышленности они имеют ряд недостатков, поскольку имеют малую точность при определении отдельных газов, также на них влияют перепады температуры и влажности. Датчик данного типа требуется проверять несколько чаще, чем остальные,  они способны терять свою чувствительность, если их не контролировать регулярно. Также, после воздействия выброса газа, датчик медленно реагирует и восстанавливается.

Подходят такие датчики для измерения высоких концентраций смесей газов. Использует для определения газов, у которых теплопроводность выше, чем у воздуха. Такими газами являются метан и водород. Определить газ с тепловодностью примерно как у воздуха – углекислый газ и бутан, невозможно.

Нагретый чувствительный элемент взаимодействует с образцом, а эталонный элемент заключен в герметизированный отсек. Если теплопроводность газа образца выше, чем у эталона, то температура чувствительного элемента снижается. Если же теплопроводность меньше, то температура повышается. Эти изменения пропорциональны концентрации газа, присутствующего на элементе образца.

Рис.1.6 Строение полупроводникового датчика.

Принцип действия полупроводникового газового сенсора основан на изменении электропроводности полупроводниковой пленки вследствие адсорбции контролируемого газа на ее поверхности. На подложку из оксида алюминия наносится тонкий слой оксида олова (SnO2), легированного элементами, обладающими каталитическими свойствами (Pt, Cu, Ni, Pd), чтобы обеспечить более высокую чувствительность полупроводника к конкретному типу газа примеси. При нагреве сенсора до рабочей температуры (около 400 град.С) при помощи нагревательного элемента, выполненного в едином конструктиве с сенсором, происходит абсорбция содержащегося в воздухе газообразного контролируемого вещества на поверхности чувствительного слоя сенсора, имеющего мелкозернистую структуру. Степень абсорбции зависит от концентрации газа примеси. В результате поверхностных эффектов изменяется электрическая проводимость сенсора, т.е. отклик сенсора выражается через изменение его сопротивления в зависимости от концентрации газа, изменяющего степень абсорбции на материале сенсора. Скорость отклика зависит от модели датчика и конкретного газа примеси. К достоинствам полупроводниковых датчиков

1.4 Точечный инфракрасный датчик

Полосы поглощения многих горючих газов находятся в инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра света, и принцип поглощения в инфракрасной области уже многие годы используется в качестве лабораторных аналитических средств.

Однако с 80-х годов достижения в области электроники и оптики позволили разрабатывать маломощное и компактное оборудование и использовать эту технику для промышленных детекторов газа.

Инфракрасные датчики (рис.1.7) обладают целым рядом важных преимуществ по сравнению с каталитическим типом. Например, они характеризуются очень высокой скоростью отклика (обычно менее 10 секунд), низкими эксплуатационными расходами и упрощенным контролем благодаря функции самодиагностики у современного оборудования с микропроцессорным управлением. Они также могут быть нечувствительными к любым известным "ядам", отказоустойчивыми и будут успешно работать в инертных атмосферах и в широком диапазоне температур, давления и влажности окружающей среды.

Рис.1.7 Точечный инфракрасный датчик

Действие данного типа датчиков основано на принципе поглощения двух длин волн в инфракрасном диапазоне. Два луча света пульсируют альтернативно друг другу, свет направлен по обычному оптическому тракту, чтобы он вышел через взрывозащищенное "окно" и затем прошел сквозь газ (рис.1.8). Пучки лучей затем отражаются и в последующем возвращаются обратно. Далее детектор сравнивает силу сигнала лучей образца и эталона, путем вычитания определяет величину концентрации газа.

 

Рис.1.8 Схема инфракрасного сенсора газоанализатора

Большая часть горючих газов и паров является химическими соединениями, состоящие, в основном, из углерода, водорода, кислорода и иногда азота. Эти органические соединения называются углеводородами. Углеводороды обладают специфическим свойством поглощать инфракрасное излучение с определенной длиной волны. Это позволяет использовать оптические инфракрасные газоанализаторы для измерения концентрации углеводородных газов в воздухе.

Все газы, в том числе и не углеводороды, поглощают излучение в том или ином характерном для них спектральном диапазоне, некоторые даже в видимом диапазоне 0,4 - 0,8 мкм. Вот почему хлор зелено-желтый, бром и диоксид азота коричнево - красные, йод фиолетовый, и так далее. Однако газы приобретают различимый глазом цвет только при достижении достаточно высоких (и опасных для жизни человека) концентрациях.

Углеводороды поглощают излучение в определенном диапазоне длин волн, приблизительно от 3,3 до 3,5 мкм. При этом азот и кислород - основа окружающего нас воздуха - излучение с данными длинами волн не поглощают, поэтому именно эта длина волны используется в оптических инфракрасных газоанализаторах углеводородных газов.

Таким образом, интенсивность инфракрасного излучения, проходящего через смесь, например, метана (пропана и т.п.) и воздуха, уменьшиться предсказуемым образом, причем величина этого ослабления зависит только от концентрации углеводородного газа. Уменьшение интенсивности инфракрасного излучения объясняется тем, то часть этого излучения поглощается молекулами углеводородного газа, которые, в результате поглощения энергии излучения, переходят в так называемое возбужденное состояние.

Данный фотометрический принцип сравнения величины ослабления инфракрасного излучения при прохождении через воздух и через углеводородный газ и лежит в основе работы инфракрасного измерительного прибора. Корреляция измеренного снижения интенсивности и концентрации газа в оптической системе выполняется в процессе калибровки: данная концентрация газа, впоследствии, всегда будет производить идентичное снижение интенсивности и, следовательно, одинаковый выходной измерительный сигнал сенсора.

Однако, величина ослабления инфракрасного излучения углеводородным газом очень мала, что усложняет задачу создания измерительной технологии. Тем более, что снижение интенсивности ИК - излучения может быть вызвано и другими причинами, например, загрязненной оптикой или уменьшением исходной интенсивности инфракрасного излучения в виду эффекта старения излучателя.

Источником излучения в инфракрасном сенсоре является прерывистый световой поток, например, от периодически включающейся низковольтной лампы накаливания HL1, имеющей высокий процент инфракрасного излучения в спектре излучаемых частот. Проходя через прозрачное для инфракрасного излучения окно (сапфировое стекло), это излучение расщепляется светоделителем на две части, одна из которых подается на измерительный детектор D1, а другая - на опорный детектор D2.

Преимуществами таких датчиков является малая чувствительность к ошибкам калибровки, отсутствие скрытых признаков отказа и  малое энергопотребление.

1.5.Портативные газовые детекторы

Портативные измерительные приборы делятся на два вида: «локальные» и стационарные детекторы. Формат инструмента выбирается на основе нескольких факторов. Такие как, частота посещения зоны персоналом, условия участка, характер опасности, частота требуемого тестирования.

Около половины от общего количества всех современных детекторов газа составляют портативные измерительные приборы.  Они, как правило, влагонепроницаемы и легки, их можно носить с собой или прикрепить к одежде.  Существуют модели, которые позволяют обнаружить не только один, но и несколько газов. Датчики, которые определяют один вид газа, содержит один датчик для обнаружения одного конкретного газа, в то время как в мультигазовых датчиках имеется до четырех разных датчиков.

 

2.      Сравнение способов обнаружения газов

Таблица 2.1

Датчик

Преимущества

Недостатки

Каталитический

Несложный, измеряет воспламеняемость газов.
Недорогая испытанная технология.

Может быть отравлен свинцом, хлором и кремнийорганическими соединениями, в связи, с чем имеют место необнаруженные признаки отказа. Для работы требует кислорода или воздуха. Высокая мощность. Критичное позиционирование.

Электрохимический

Измеряет относительно невысокие концентрации токсичных газов. Возможность обнаружения широкого диапазона газов. Очень маломощный.

Признаки отказа остаются необнаруженными, если не используются передовые методы мониторинга. Для работы требует кислорода. Критичное позиционирование.

Полупроводниковый

Механически надежен, хорошо работает в условиях постоянной высокой влажности.

Восприимчив к загрязняющим веществам и меняется под воздействием условий окружающей среды. Нелинейный отклик приводит к сложностям.

Точечный инфракрасный

Использует скорее физический, нежели химический метод. Менее чувствителен к ошибкам калибровки. Не имеет скрытых признаков отказа. Может использоваться в инертных средах.

Измеряет концентрацию горючих газов, которые затем должны быть сопоставлены с воспламеняемостью газа. Критичное позиционирование. Высокая / средняя мощность

 

 

Список литературы

1. GasDetectionУстройства и технологии просмотра газов [Электронный ресурс]. - URL: http://gasdetection.ru/ Первые устройства для проверки горючих газов - URL: http: //gasdetection.ru/publ/istorija_gazometrii/pervye_ustrojstva_dlja_obnaruzhenija_gorjuchikh_gazov/4-1-0-1 (Дата обращения: 24.11.2017).

2. Ежемесячный производственный-технический журнал «КИП и автоматика: обслуживание и ремонт» №10 - 11с. [Электронный ресурс]. - https://nsau.edu.ru/downloads/library/ugebnik/perevozki/content/img/file/2009/3/img/1238152500.pdf (Дата обращения: 24.11.2017).

3. Батицкий В.А., Куроедов В.И., Рыжков А.А. Автоматизация производственных процессов и АСУ ТП в горной промышленности: Учеб. Для техникумов. 2-е изд., Перераб. и доп. М.: Недра, 1991. - 125с.