Wpływ cinienia atmosfery na wskazania metanomierza pellistorowego

Transkrypt

1 Wpływ cinienia atmosfery na wskazania metanomierza pellistorowego!"#!"! $!$$!$%# #$!!% && '! "! ( %! $ #!)#!"*"&+,#( ("$ &!!"&&%!(!$ #%! *"%#&#&$$ 1 WSTP 1 Metanomierze pellistorowe s powszechnie wykorzystywane do monitorowania stenia metanu w atmosferze wybuchowej Przedstawione w niniejszym artykule wyniki bada wskazuj, i cinienie badanego gazu jest jedn z wielkoci wpływajcych na wskazania tego typu przyrzdu Zasada działania metanomierza pellistorowego oparta jest o zjawisko katalitycznego spalania [1], które jest zalene od stenia metanu i tlenu w badanej atmosferze Obecno katalizatora pozwala na obnienie temperatury spalania, dziki czemu pellistory mog pracowa w atmosferze zagroonej wybuchem metanu Pellistory standardowo aplikuje si parami w mostku Wheatstone'a: pierwszy z nich dokonuje pomiaru st!, "! ", # $ $ " [1],! % "!!, $ "!! $,,,

2 Nr 3(493) MARZEC enia metanu, natomiast drugi pełni funkcj kompensacyjn, ograniczajc wpływ, np temperatury otoczenia, na ostateczny wynik pomiaru Cinienie atmosfery kopalnianej wzrasta wraz z głbokoci poziomu, na którym jest mierzone Przykładowych wyników dostarczaj odczyty cinieniomierzy dokonane w KWK Halemba w dniu r o godz 8:00 Na poziomie zrbu szybu +262 m (nad poziomem morza) cinienie wynosiło 1001,7 hpa, natomiast na poziomie 595,2 m (wlot ciany 1) wynosiło 1102,5 hpa W kopalniach okrgu donieckiego prowadzone jest wydobycie na głbokoci do 1200 m i wzrost cinienia w stosunku do powierzchni jest jeszcze wikszy ni w KWK Halemba W trakcie przeprowadzonych bada wykorzystano dwie wersje metanomierza opracowanego przez Instytut EMAG W pierwszej z nich filtrem hamujcym wnikanie pyłów i pary wodnej do wntrza komory pomiarowej był spiek brzowofosforowy z filtrem hydrofobowym (głowica MM4) Natomiast w drugiej wersji filtr stanowiła wieloszczelinowa płytka metalowa oraz wgiel aktywny, co powoduje pogorszenie skutecznoci filtracji gazu przy jednoczesnym przypieszeniu procesu dyfuzyjnego wnikania gazu do wntrza komory pomiarowej (głowica MM4B) Dziki temu czas odpowiedzi przyrzdu na zmian stenia metanomierza ulega skróceniu # &:,, ",,!!' "! ( #! "!$,!! # ) $, :00,! %!! # +262 (! ) 1001,7, ' 595,2 (# 1) 1102,5 * ## (! $"!$ 1200 #, "#) $ * # # $, $ +!,/ * ",!!!, $ $ $ ( 4) * "!, "!#! 0,!!! ( 4*) 1 0! $ 2 UKŁAD POMIAROWY 2! "# Badania wpływu cinienia atmosfery na wskazania metanomierza pellistorowego zostały przeprowadzone z wykorzystaniem komory cinieniowej oraz specjalnej nasadki na głowic metanomierza Komora cinieniowa (rys 1) została wykonana z polimetakrylanu metylu Jej wymiary wewntrzne wynosz 350 mm 249 mm 151 mm, natomiast grubo kadej ze cian to 15 mm Komora ta umoliwiła przeprowadzenie bada w cinieniu do 1200 hpa Powy ej tej wartoci dostrzegalna staje si strzałka ugicia (wybrzuszenie) cian o najwikszej powierzchni i powstaje ryzyko pknicia komory (warto siły nacisku wywieranej na te ciany odpowiada naciskowi wywołanemu ciarem ok 178 kg) Wewntrz komory umieszczono trzy głowice metanomierza oraz moduł pomiaru cinienia, wilgotnoci i temperatury (TPH2) Schemat stanowiska pomiarowego z komor cinieniow przedstawiono na rysunku 2 +! + ( 1) , * 0 " $ (!") $! ( ",! 0! '! 178 ) *! '!, '! (45%2) 6# 2

3 50 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA )#&!$&!$! $!$$!$ %!&&%!&& %!&& (!$ )/&!$! $!$$!$#$&& #&!$& 0,$&&" &%#!%# "!%#&&!"

4 Nr 3(493) MARZEC )/!$! $!$$!$& %! && * %##*!!" *!$#&$!$ %!&& W celu przeprowadzenia bada w zakresie cinie powyej 1200 hpa wykonana została specjalna nasadka wyposaona w dodatkowy króciec wylotowy rysunek 3 Pierwszy z króców nasadki został połczony poprzez przepływomierz do butli z gazem, natomiast drugi z cinieniomierzem w module THP2 Poniewa w wu pneumatycznym łczcym nasadk z cinieniomierzem nie nastpował przepływ gazu, mierzone cinienie odpowiadało cinieniu w nasadce Komora nasadkowa na głowic metanomierza umoliwiła przeprowadzanie pomiarów bez ryzyka gwałtownego rozszczelnienia przy wikszym cinieniu w przeciwiestwie do komory cinieniowej W trakcie bada przeprowadzonych z nasadk na głowic metanomierza, jak równie w komorze cinieniowej, zastosowano mieszanki metanu i powietrza dostarczone przez Centraln Stacj Ratownictwa Górniczego ( $ 1200 $, $!!!$ ( 3)!$ " # $,! 4%52 4,! "!! ",! 3! $! # $, ' $ $7 $ (, #!, $,!, 8 3 OPIS EKSPERYMENTU I OMÓWIENIE WYNIKÓW 3 $%" &'"% $(")* ) $ Kady z metanomierzy przed rozpoczciem bada został wykalibrowany zgodnie z obowizujc procedur W przypadku bada przeprowadzanych w komorze cinieniowej eksperyment rozpoczynał si od wprowadzania do komory cinieniowej gazu zawierajcego metan o stałym steniu przy otwartych zaworach wejciowym i wyjciowym Dziki zastosowaniu wentylatora gaz wprowadzany do komory cinieniowej ulegał rozproszeniu w całej jej objtoci Po upływie 20 minut, od chwili rozpoczcia procedu 3' " $ $! *!" # 0 "!!, ', #!! # 1,!!$7! 6! 20! "!

5 52 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA ry napełniania komory cinieniowej, wskazania dodatkowego metanomierza kontrolnego (umiejscowionego za zaworem wylotowym gazu) oraz metanomierzy umieszczonych wewntrz komory ustabilizowały si Nastpnie zawór wyjciowy gazu został zamknity, co powodowało wzrost cinienia wewntrz komory Regulujc strumie gazu wchodzcego do komory, ustalano panujce w niej cinienie Pojedyncza seria pomiarowa polegała na napełnieniu komory cinieniowej gazem do cinienia ok 1200 hpa, a nastpnie na kontrolowanym obnianiu cinienia do wartoci atmosferycznej Podczas pomiarów wskazania metanomierzy oraz TPH2 były rejestrowane za porednictwem centrali telemetrycznej W przypadku bada przeprowadzonych z wykorzystaniem nasadki na głowic metanomierza, przed przystpieniem do właciwych pomiarów wyznaczono charakterystyk zalenoci wskaza metanomierza od strumienia gazu przepływajcego przez t nasadk w zakresie od 3 dm 3 /h do 30 dm 3 /h Pomiar ten przeprowadzono przy cinieniu atmosferycznym Znajomo tej charakterystyki umoliwiła skorygowanie wyników bada cinieniowych o błd systematyczny, jaki wnosi strumie gazu Odczyty wskaza metanomierza dokonywano w warunkach statycznych po ustabilizowaniu si cinienia dla nastawionej wartoci strumienia gazu wchodzcego do komory cinieniowej lub nasadki głowicy metanomierza Do bada uyto mieszanek metanu o steniu objtociowym 2,22% oraz 1,32% Na rysunkach 4 i 5 przedstawiono uzyskane wyniki pomiarów Punkty pomiarowe otrzymane podczas wzrostu cinienia oznaczono kółkami i aproksymowano prostymi cigłymi Obnianiu cinienia odpowiadaj punkty w kształcie prostoktów, których proste aproksymujce oznaczono liniami przerywanymi W tabeli 1 zamieszczono oznaczenia kolorów na rysunkach 4 i 5 Na rysunku 6 przedstawiono wyniki bada uzyskane przy zastosowaniu komory nasadkowej z rysunku 3 w zakresie cinienia od 1000 hpa do 1300 hpa Eksperyment ten przeprowadzono na metanomierzu nr 2 (typ MM4B) ( '! ), '#!, $ 9!, "! "! 5!! #!!,! "! : " 1200,! ' " *! 45%2 " *!" #! " # ", "!, # 3 3 /" 30 3 /" #!,! "! $!,! :" "#! #, $! " #,!!! (! 2,22% 1,32% $7! % 4 5!"! 5!,!", $"!'" 6'! "!, # # * $ 1! ",, # 4 5 % 6!,!" 3, , ; 2 ( 4*) Przyjte oznaczenia kolorów punktów pomiarowych i prostych aproksymujcych Tabela 1 / 1 Nr uytej głowicy oraz metanomierza ; Typ głowicy, rodzaj filtru 4, 1 MM4, spiek brzowofosforowy z filtrem hydrofobowym MM4, $ $ 2 MM4B, wieloszczelinowa płytka metalowa oraz wgiel aktywny MM4B, "! 3 MM4B, wieloszczelinowa płytka metalowa oraz wgiel aktywny MM4B, "! Oznaczenie koloru na rysunkach 4 i 5 8 " # 4 5 niebieski!$ czerwony zielony

6 Nr 3(493) MARZEC )1&#&&!$#!(%!$& )1&#&&!$#!(%!$& )1&#&&!$#!(%!$& #&$#!!#& %! &&

7 54 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA Dla punktów pomiarowych z rysunków 46 dopasowano proste aproksymujce o równaniu: %CH 4 = A (p 1000) + B (1) gdzie p oznacza cinienie wyraone w hpa ( " 4 6!!: %CH 4 = A (p 1000) + B (1) $", ' Nr rysunku ;! Tabela 2 / 2 Wartoci współczynników w równaniach prostych aproksymujcych o równaniu (1)! " (1) Oznaczenie prostej 8 $" A [%CH 4/hPa] 10 4 A [%CH 4/] x 10 4 B [%CH 4] B [%CH 4] 4 3,53(16) 2,250(2) 4 3,01(19) 2,260(2) 4 3,94(19) 2,239(3) 4 3,35(17) 2,248(2) 4 3,17(17) 2,226(2) 4 2,90(17) 2,227(2) 5 1,94(11) 1,341(3) 5 2,26(8) 1,334(2) 5 2,05(9) 1,331(2) 5 2,25(10) 1,324(2) 5 2,30(12) 1,318(2) 5 2,51(12) 1,313(2) 6 4,71(25) 2,226(4) W kadym z przeprowadzonych eksperymentów wzrost cinienia powodował wzrost wskaza metanomierza, który dla 1200 hpa nie przekraczał 4% wartoci wzgldnej w stosunku do wskaza dla 1000 hpa Błd podstawowy zadeklarowany przez producenta metanomierzy [2] wynosi +/ 5% wartoci wskazania dla ste metanu od 2% do 5% oraz 0,1% CH 4 w zakresie ste od 0% do 2% Na tej podstawie mona stwierdzi, i w zakresie ci nienia atmosfery od 1000 hpa do 1200 hpa wzrost wskaza metanomierzy mieci si w granicach dopuszczalnego błdu Natomiast badania w zakresie do 1300 hpa ujawniły przekroczenie deklarowanych wartoci błdu Wartoci współczynnika A w równaniu 1, który odzwierciedla czuło zmian wskaza metanomierza pellistorowego na zmiany cinienia, wynosi 3,3(4) 10 4 % CH 4 /hpa dla mieszanki o steniu metanu 2,22% oraz 2,2(2) 10 4 % CH 4 /hpa dla mieszanki o steniu metanu 1,32% Przedstawione powyej (tab 2) wartoci czułoci metanomierza wyznaczono wyłcznie na podstawie wyników uzyskanych w komorze cinieniowej, gdy zdecydowanie lepiej oddaje ona rzeczywiste warunki pracy metanomierzy w porównaniu do nasadki nakładanej na głowic * ' # 0! "! ", % ", 1000 : $,! [2], ±5% " 2% 5% 0,1% 0% 2% % 0 '!', " $ ! " "!, # 1300 $!'! " * " 0! (1), ' «"!», 3,3(4) 10 4 % 6% 4 / ' 2,22% 2,2(2) 10 4 % CH 4 /00 1,32% (4$ 2) " "! "!,!"#, "!"! $,,!

8 Nr 3(493) MARZEC Uzyskane wyniki bada mona jakociowo wyja ni opierajc si o prawa termodynamiki Wzrost cinienia powoduje zawyanie wskaza metanomierza pellistorowego, gdy w tej samej objtoci komory pomiarowej (wewntrz głowicy pomiarowej) w wyszym cinieniu bdzie znajdowało si wicej czsteczek metanu i tlenu ni przy niszym cinieniu Do tego samego wniosku prowadz szacunkowe obliczenia w oparciu o równanie Clapeyrona [3]: p V= n R T (2) gdzie: cinienie gazu, objto, liczba moli gazu zawarta w objtoci V, stała gazowa, temperatura wyraona w Kelvinach Oznaczajc przez = n/v koncentracj czsteczek gazu wyraon w mol/m 3 i przekształcajc równanie Clapeyrona, otrzymujemy: N = p / (R T) (3) Z powyszego równania wynika, e koncentracja czsteczek gazu w stałej temperaturze i objtoci komory pomiarowej jest wprost proporcjonalna do panujcego cinienia Oznacza to, e zwikszajc cinienie z 1000 hpa do 1300 hpa, naley spodziewa si wzrostu koncentracji czsteczek metanu o ok 30% Spowoduje to wzmoenie procesu katalitycznego spalania metanu na pellistorach, co bdzie skutkowało wzrostem wskaza przyrzdu Stopie, w jakim wzrost cinienia przyczyni si dokładnie do wzrostu wskaza metanomierza pellistorowego, jest trudny do przewidzenia Zwizane jest to z obecno ci na powierzchni pellistorów katalizatora, który ma decydujcy wpływ na reakcj chemiczn zachodzc w komorze pomiarowej metanomierza: kat CH 4 + 2O 2 2H 2 O + CO 2 (4) W dokumentacji udostpnionej przez producenta pellistorów [4] nie zostały zamieszczone dane na temat wpływu cinienia gazu na prac tego elementu Najprawdopodobniej badania tego typu nigdy nie były przeprowadzone!"! ' "! & ", ' $7 (! ) $ $! # $ "!, " $ 3! ' " " ",! 3 [3]: p V= n R T (2) :, $7; "!, '$7 V,,!, ' # :$" = n/v!, '! / 3 $! 3,!": N = p / (R T) (3) + 0!, "!! $7, $", "! " ! '! "! 30%, " #!! " $ 6,! ", "!, " #,! # #", # : kat CH 4 + 2O 2 2H 2 O + CO 2 (4) *!, [4],! $! 0 0 *,

9 56 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA 4 PODSUMOWANIE 4 '+, Metanomierze pellistorowe wykazuj cinieniow zaleno wartoci wskazywanej Efekt ten jest wynikiem współdziałania głównie dwóch czynników: wzrostu koncentracji czsteczek w komorze pomiarowej (wewntrz głowicy), co skutkuje przyspieszeniem procesu spalania metanu w tlenie oraz cinieniowej zalenoci energii aktywacji reakcji z udziałem katalizatora Drugi z czynników stanowi złoone zagadnienie i jego opisanie wymagałoby dodatkowych bada Powoduje on najprawdopodobniej osłabienie wzrostu wskaza metanomierza w stosunku do tego, który wynikałby z szacunkowych oblicze opartych o równanie Clapeyrona Efekt cinieniowy wystpuje zarówno w głowicach metanomierza MM4, jak równie w głowicy MM4B rónicej si typem filtrów Przeprowadzone badania maj istotne znaczenie praktyczne, ze wzgldu na powszechne stosowanie metanomierzy pellistorowych w kopalniach Cinienie atmosfery kopalnianej jest zalene od poziomu, na którym jest mierzone, a zaprezentowane wyniki bada dostarczaj informacji ilociowych i jakociowych na temat zmiany wskaza metanomierzy, wywołanej zmian cinienia Literatura! " " ", 0!!# # :! (! ), "! 0!" " * $ ' $! *,, $,,! 3 * # 4, 4*, "! " ",!" # # # (!",,! "! "! $, # 1 : Katalityczne i termokonduktometryczne czujniki stenia metanu zasada działania, wymagania i badania Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa 2008, nr 12/454, s Dokumentacja techniczna K41124ZBB 3 Encyklopedia PWN: Clapeyrona równanie 4 : Detektor gazów palnych (pellistor) typu PC31xx, ZBP SENSOR GAZ, wwwsensorgazcompl 1 : 3 "!" " $, $ ] Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa 2008, 12/454, s #"! K41124ZBB 3 Encyklopedia PWN: & 3 4 : ( "# ( ) 56 31##, ZBP SENSOR GAZ, /$# &$#&"&#& IMPACT OF ATMOSPHERIC PRESSURE ON THE READINGS OF A PELLISTOR METHANE METER The article features the results of testing the impact of gas pressure on the readings of a pellistor methane meter Based on the available literature it was found out that relevant tests had not been conducted so far The results of the work are of great significance due to the use of pellistor methane meters in mines where the pressure value depends on the depth of the level on which the pressure is measured