DE2843545B2 - Verfahren zur Kontrolle von thermokatalytischen Schlagwetteranzeigern von Grubensystemen - Google Patents

Verfahren zur Kontrolle von thermokatalytischen Schlagwetteranzeigern von Grubensystemen

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DE2843545B2 DE2843545A DE2843545A DE2843545B2 DE 2843545 B2 DE2843545 B2 DE 2843545B2 DE 2843545 A DE2843545 A DE 2843545A DE 2843545 A DE2843545 A DE 2843545A DE 2843545 B2 DE2843545 B2 DE 2843545B2
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Description

Y =
TSu
vk,
wobei γ die spezifische Leistungsfähigkeit des wärmeumformenden Arbeitselements bei der Methanoxidation in m3/s, Sh, Sy den anfänglichen bzw. den stationären Wert der Ausgangosignale nach dem Übergangsvorgang in V oder A und VJt das Volumen der Reaktionskammer in m3 bezeichnen,
S11T
wobei φ der Widerstand der Reaktionskammer beim Methandurchgang durch ihre Gasaustausch wände in s/m3 ist, und
IC = C-
IQOTS^ KVk(S„~SY)
mit ACaIs absolutem Meßfehler des Anzeigers bei der Messung der Methankonzentration in Vol.-%, C 5r> als Methankonzentration in Vol.-°/o, die dem vom Anzeiger abgegebenen elektrischen Signal Sh entspricht, 100 als dem Koeffizienten zur Umrechnung der Methan Volumenkonzentration aus relativen Einheiten in Prozentwerte, %. K als dem t,o Koeffizienten für die Transformation des in Oxidationsreaktion am wärmeumformenden Arbeitselement eintretenden Methanstromes in das elektrische Meßsignal,
Vs _, As h5
—T oder —,-.
nr nr
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kontrolle von thermokatalytischen Scklagwetteranzeigern von Grubensystemen mittels einer gasdurchlässigen Reaktionskammer, in der ein thermokatalytisches Fühlelement angeordnet ist
In schlagwettergefährdeten Kohlengruben finden gegenwärtig Systeme zur Fernmessung der Methankonzentration in der Grubenatmosphäre und zum automatischen Schlagwetterschutz mittels thermokatalytischer Schlagwetteranzeiger eine weitgehende Anwendung. Der Methananzeiger ist das wichtigste Element solcher Systeme, und deswegen muß die diagnostische Überprüfung des Betriebszustandes der Methananzeiger in bestimmten Zeitabständen vorgenommen werden, um den effektiven Betrieb derartiger Fernmeßsysteme zu sichern. Solche Kontrollvorgänge haben die Aufgabe, eine Information über die Betriebsfähigkeit der Anzeiger bei allen Betriebsarten sowie über die Fehlerursachen und ausgefallene Baugruppen der Anzeiger zu liefern.
Es sind keine Verfahren für solche diagnostischen Kontrollen bekannt, die diese Kontrolle beim Betrieb der thermokatalytischen Methananzeiger in den Fernmeß- und automatischen Schlagwetterschutzsystemen der Bergwerke völlig befriedigend durchführen könnten.
Mit Hilfe der bekannten Verfahren wird die erwähnte Aufgabe der diagnostischen Überprüfung von Methananzeigern unter Grubenbetriebsverhältnissen nur teilweise gelöst, indem nur die Richtigkeit der vom Anzeiger bei andauernden Wetterverhältnissen gelieferten Werte durch ihren Vergleich mit den Anzeigewerten eines als Mustergerät angesehenen und in derselben Atmosphäre betriebenen Gasanalysators überprüft wird (vgl. z. B. »Das Gerätesystem AMT-3 zum automatischen Schlagwetterschutz und zur automatischen zentralisierten Methanfernüberwachung«, Bedienungsanweisung des Konotoper elektromechanischen Werks »Krasny Metallist«, Gebietspresseverwaltung Ssumy, Konotop, 1971, S. 32). Die Überprüfung der richtigen Anzeigefunktion bei Änderungen der Methankonzentration in der Grubenatmosphäre und die Erkennung der Ursachen von Betriebsstörungen im Anzeiger oder seiner ausgefallenen Baugruppen sind bei der Anwendung der bekannten Verfahren unmöglich.
Bei diesen bekannten Verfahren kann keine Fernmessung erfolgen, und zur Kontrolle der Schlagwetteranzeiger muß das Bedienungspersonal deren Einbauorte in den Bergwerken besuchen.
Bei einem anderen bekannten Verfahren wird die Richtigkeit der Anzeigewerte des thermokatalytischen Methananzeigers im automatischen Bergwerks-Fernmeß- und Schlagwetterschutzsystem in den Meßpunkten der Bichkurve dadurch geprüft, daß durch die Reaktionskammer des Anzeigers reine Luft und ein genormtes Luft-Methan-Gemisch geblasen wird (vgl. z. B. »Richtlinien für Montage und Betrieb der Systeme AMT-3 zum automatischen Schlagwetterschutz und zur zentralisierten Fernkontrolle des Methangehalts in Kohlengruben«, Ministerium für Kohlenindustrie der UdSSR, Moskau, 1974, S. 33). Beim Durchblasen mit reiner Luft wird die Nullstellung des Anzeigers kontrolliert, während das Durchblasen mit dem Luft-Methan-Gemisch die Angaben über die Richtigkeit der Anzeige in einem anderen Meßpunkt der Eichkurve liefert.
Dieses Verfahren ist aber nicht für die Ferngewinnung der Information bestimmt, und zu seiner
Realisierung müssen an die Einbaustellen der Anzeiger Behälter mit reiner Luft und mit genormtem Luft-Methan-Gemisch befördert werden.
Außerdem gestattet das Verfahren keine Beurteilung eines der wichtigsten Betriebsprrameter des Anzeigers, ■> nämlich seiner Schnellwirkung vorsieht, die den dynamischen Fehler der Methankonzentrationsmessung bei verschieden schnellen Änderungen des Methangehalts in der Grubenatmosphäre bestimmt Das Verfahren liefert auch keine Information über die ι ο Ursachen von Betriebsstörungen im Anzeiger und über seine Fehler, von denen folgende Defekte am wahrscheinlichsten sind:
— Änderung der spezifischen Leistungsfähigkeit des wärmeumformenden Elements bei der Methanoxi- '' dation infolge geänderter katalytischer Aktivität dieses Elements bei Einwirkung von Komponenten der Grubenatmosphäre, die den Katalysator vergiften, oder bei Beeinflussung durch andere Faktoren;
— Änderung des Durchgangswiderstandes der Reak- Λι tionskammerwände bei der Methanübertragung durch diese Gasaustauschwände infolge ihrer Verschmutzung durch Staub- und Feuchtigkeitseinwirkung.
2~i
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren so auszubild -n, daß es die Erzielung von Informationen über die Betriebsfähigkeit und Meßfehler der Schlagwetteranzeiger durch Fernmessung von übertage her ohne Anwendung von j» genormten Gasgemischen und Proben-Gasanalysegeräten ermöglicht.
Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch angegeben.
Diese Lösung ermöglicht, ohne daß die Methankon- r. zentration vorher bekannt ist, die Bestimmung der Leistungsfähigkeit des thermokatalytischen Fühlelements bei der Methanoxidation und des Widerstandes der Reaktionskammerwände bei der Methanübertragung, wobei aus diesen Kennwerten der Meßfehler des Anzeigers bei ununterbrochenem Betrieb ermittelt werden kann.
In allen Kohlengruben der Welt, in denen thermokatalytische Schlagwetteranzeiger zur Überwachung der Methankonzentration Verwendung finden, werden 4> diese Anzeiger gegenwärtig mit Hilfe von geeichten, in besondere Behälter eingepreßten Ga-.gemischen geprüft.
Die Benutzung des Verfahrens ergibt eine grundlegende Änderung der Prüfmethode. Die Einführung ">n dieses Verfahrens in den Kohlengruben kann am Fehlen der erwähnten Behälter und der Einrichtungen zu ihrer Füllung sowie am Vorhandensein zusätzlicher Einrichtungen in den Systemen zur Fernmessung der Methankonzentration und zum Schlagwetterschutz v> kontrolliert werden, die zur Realisierung des Verfahrens erforderlich sind (z. B. am Vorhandensein eines Speisespannungsumschalters zur Änderung der Erwärmungstemperatur der Fühlelemente sowie eines Zeitrelais zur Festlegung der Betriebsperiode mit niedriger Speisespannung am Anzeiger).
Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung eines praktischen Ausführungsbeispiels und anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer beispielhaften Einrichtung zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
F i g. 2 die grafisch dargestellte zeitliche Abhängigkeit des Ausgangssignals des zu prüfenden thermokatalytischen Anzeigers von der Erwärmung seines Fühlelements.
Ein Schlagwetteranzeiger, der in einem Bergwerk eingebaut wird, enthält nach F i g. 1 ein thermokatalytisches Arbeitsfühlelement Ru das in einer Reaktionskammer 1 mit Gasaustauschwand 2 angeordnet ist In dieser Reaktionskammer kann auch ein Kompensations-Fühlelement A2 eingebaut sein, das die Beeinflussung des Anzeigerausgangssignals durch nicht meßbare Kennwerte der Grubenatmosphäre ausschließt Die beiden Fühlelemente sind in eine elektrische Vergleichsschaltung, ζ. B. nach F i g. 1 in eine Bnickenmeßschaltung eingegliedert und bilden einen Zweig dieser Schaltung, während im anderen Zweig Widerstände A3 und Rt liegen. Infolge der beim Betriebszustand an der Brücke anliegenden Spannung wird das thermokatalytische Fühlelement bis zu der Temperatur erwärmt, bei der die Reaktion der Methanoxidierung gewährleistet wird.
Die vom Anzeiger gelieferte Information über die Methankonzentration in der Grubenatmosphäre kann über eine Verstärker- und Wandlereinrichtung 3 übertragen werden, von deren Ausgang das Meßsignal , 5 abgenommen wird.
Das Wesen des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht F i g. 2.
In Fig.2 ist die zeitliche Änderung des erwähnten Signals S grafisch dargestellt Die Größe So entspricht ι dem Wert dieses Signals vor Beginn der Kontrolle. Zur Durchführung der Kontrolle wird in einem Zeitpunkt To von übertage her ein Fernwirkkommando zur Senkung der Temperatur der Anzeigerfühlelemente bis auf einen Wert gegeben, bei dem keine katalytische Methanoxidation erfolgt, wobei man zu diesem Zweck z. B. die Speisespannung der Fühlelemente ändert. In diesem Zustand hält man den Anzeiger während des Zeitabschnitts to—th, um den Ausgleich der Methankonzentration in der Reaktionskammer und in der Grubenatmosphäre zu erzielen. Nach dem nun stabil gewordenen Signal, das vom Anzeiger beim Ausbleiben der Oxidationsreaktion abgegeben wird, bestimmt man die elektrische Nullstellung. Im Zeitpunkt Th wird ein Fernwirkkommando zur Erhöhung der Temperatur der Fühlelemente bis zum Normalbetriebswert gegeben, wobei man die Größen des anfänglichen Signals Sh und des sich nach diesem Übergangsprozeß einstellenden Signals Sy des Anzeigers feststellt und die Zeitkonstante Tdieses Prozesses bestimmt, welche die Schnellwirkung des Anzeigers charakterisiert. Man beurteilt auch die spezifische Leistungsfähigkeit des thermokatalytischer. Fühlelements bei der Methanoxidation, den Widerstand φ der Reaktionskammer bei der Methanübertragung durch ihre Gasaustauschwand und die Meßfehler des Anzeigers bei der Messung der Methankonzentration.
Realisierungsbeispiel
Nach dem vorgeschlagenen Verfahren wurde die diagnostische Kontrolle eines thermokatalytischen Schlagwetteranzeigers für Grubensysteme zur Messung der Methankonzentration und zum automatischen Schlagwetterschulz durchgeführt. Der Anzeiger enthielt zwei wärmeumformende Elemente, Arbeitselement und ein Kompensationselement, die sich in einer Reaktionskammer befanden und in eine Brückenschaltung eingeschaltet waren. Die wärmeumformenden Elemente waren als Platinheißleiter mit einer keramischen Hülle ausgeführt, die ihnen annähernd sphärische
Form verlieh. Beim Arbeitselement diente die keramische Hülle als Katalysatorträger, der aus Platin und Palladium bestand. Auf das Kompensationselement wurde der Katalysator nicht aufgetragen. Die Reaktionskammer war durch eine zylindrische gasundurchlässige Hohlwand gebildet, die an einer Stirnseite durch einen Isoliereinsatz abgeschlossen war, an dem auch die wärmeumformenden Elemente befestigt waren, und an der anderen Stirnseite eine Gasaustauschwand aus einem gasdurchlässigen metallkeramischen Werkstoff aufwies.
Der Schlagwetteranzeiger hatte folgende technische Daten:
— Betriebsspeisespannung t/der
Srückenschäiiung, V
— anfängliche Erwärmungstemperatur der wärmeumformenden
Elemente entsprechend dem
Betriebswert der Brückenspeisespannung, ° C
— Zeitkonstante der Übergangsprozesse bei Änderung der
Methankonzentration in der
Reaktionskammer, s
— spezifische Leistungsfähigkeit
des wärmeumformenden Elements
bei der Methanoxidation,
— Widerstand der Reaktionskammer
bei der Methanübertragung durch
die Gasaustausch wand, ς
— Koeffizient zur Transformation
des an der Oberfläche des
wärmeumformenden Elements
oxidierten Methanstromes in das
elektrische Meßsignal,
39 ■ 106
0,015 + 10,0
6■ΙΟ-6
2,2
450
37,3
0,077 - 10-7
1,585 · 107
spannungsmäßige Methanempfindlichkeit des Anzeigers,
V
5 Vol.%
Volumen der Reaktionskammer,
Vt, m3
Der Anzeiger wurde auf einem Prüfstand geprüft, der mit einer Gaskammer aus nichtorganischem Glas, mit einem Interferometer, einem Schleifenoszillografen, einer regelbarer Speisequelle, einem Voltmeter und einem in VoL-% der Methankonzentration geeichten Methanindikator (Millivoltmeter) ausgerüstet war.
Zur Durchführung der diagnostischen Kontrolle war der Anzeiger in der Gaskammer aufgestellt und an die Speisequelle angeschlossen. Die Gaskammer war mit einem Luft-Methan-Gemisch gefüllt, in dem die Methankonzentration mit dem Interferometer kontrolliert wurde. Am Anzeiger wurde der Betriebswert der Speisespannung konstantgehalten und mit Hilfe des Voltmeters kontrolliert
Die Kontrolle des vom Anzeiger erzeugten Signals erfolgte nach der Anzeige des Methanindikators, wobei das Signal auch als Oszillogramm registriert wurde.
Bei der Messung der Methankonzentration in dem zubereiteten Luft-Methan-Gemisch mit Hilfe des Anzeigers wurde die Methankonzentration in dessei Reaktionskammer schwächer als in der zur Analysi verwendeten Atmosphäre eingestellt, um den Wider stand der Gasaustauschwand des Anzeigers bei de ι Methandurchströmung und der Methanoxidierung an wärmeumformenden Arbeitselement zu berücksichti gen.
Zur Durchführung der diagnostischen Kontrolh wurde die Speisespannung praktisch augenblicklich vor
in 2,2 V auf 1,3 V gesenkt. Dabei sank die Erwärmungstem peratur der wärmeumformenden Elemente um 450° C auf etwa 250° C, und die Methanoxidation am Arbeits element brach ab. Infolgedessen begann der Ausgleicl der Methankonzentration in der Reaktionskammer um
!· in dem zu analysierenden Medium. Nach !0 Minuten also nachdem diese Konzentrationswerte praktiscl einander gleich waren und vorher die elektrisch« Nullstellung ermittelt war, wurde der Betriebswert dei Speisespannung wieder eingestellt, wobei man der
2« Übergangsprozeß registrierte, der beim Sinken dei Methankonzentration in der Reaktionskammer infolge der wieder beginnenden Oxidationsreaktion erfolgte und exponentiell verlief.
Nach dem Oszillogramm dieses Übergangsvorgange!
2) bestimmte man die die Schnellwirkung des Anzeiger; kennzeichnende Zeitkonstante, die Werte des anfänglichen sowie des stabil gewordenen Ausgangssignals (St bzw. Sy) und berechnete man die spezifische Leistungsfähigkeit des wärmeumformenden Arbeitselements, der
j» Widerstand der Reaktionskammer bei der Methandurchströmung ihrer Gasaustauschwand und die Fehlet des Anzeigers bei der Messung der Methankonzentration. Für diese Berechnung benutzte man folgende Beziehungen:
TS11 '·'
wobei γ die spezifische Leistungsfähigkeit des wärmeumformenden Arbeitselements bei der Methanoxydation in mVs ist und Sh, Sy den anfänglichen bzw. der stabilen Wert der Ausgangssignale beim Übergangsvorgang in V bedeuten,
SuT
wobei φ der Widerstand der Reaktionskammer bei dei Methandurchströmung ihrer Gasaustauschwand in s/m: ist, und
IC = C-
ioor
In der letzten Gleichung sind
AC der absolute Meßfehler des Anzeigers bei dei Messung der Methankonzentration in Vol.-%,
C die Methankonzentration, die dem als Oszillo gramm registrierten elektrischen Signal Sh entspricht, VoL-%,
100 der Koeffizient zur Umrechnung der Methankonzentration aus relativen Einheiten in Prozente
K der Koeffizient zur Transformation des ir Oxidationsreaktion am wärmeumformenden Arbeitselement eintretenden Methanstromes in da:
elektrische Meßsignal,
oder
Dieser
Koeffizient wird für jeden Gerätetyp bei seiner Werkprüfung durch die Vergleichsmethode bestimmt.
Die Ergebnisse, die man bei der diagnostischen Kontrolle des Anzeigers bei verschiedenen Methankonzentrationen in den in der Gaskammer zubereiteten Luft-Methan-Gemischen erhielt, sind in der nachstehenden Tabelle aufgeführt.
Mil dem Konzen Direkt gemes Anfangswert Stabiler Wert Zeitkonstante Spezifische Widerstand Absoluter Meß
Interfero tration. sener iihso- des Ausgangs des Ausgangs des Über Leistungsfähig der Reaktions fehler des
meter gemessen luter Meß signals beim signals im gangsvor keit des wärme kammer bei Anzeigers,
gemessene mit dem an fehler des Übergangsvor Übergangsvor ganges, 7", s umformenden der Methan- berechnet auf
Mcthiin- den Anzeiger Anzeigers, gang. Sn, mV gang, Sy, Elements, durchströmung. Grund des
konzcn- angeschlos C-Cm- S1, mV y. m^/s s/m3 erfindungs
tnition senen Cl'al.% gemäßen Ver
Cl/. Vol.% Methan fahrens zur
indikator, diagnostischen
Vol.% Kontrolle C,
Vol.%
I 2 i 4 5 6 7 8 9
0,2
0,48
0,97
1,4
1,95
0,00
0,02
0,03
0,1
0,05
7,74 18,8 37,0 53,5
75,4
3,0
7,3
14,5
21,0
29,2 36,4 36,8 37,4 38,2 36,5
1,01 · 10"7 1,0· 10"7 0,975 ■ 10"7 0,955 ■ 10"7 1,0 · 10"7
1,57 · 10~7
1,57 · 10 0,018
1,59 ■ 107 0,025
1,62 · 107 0,06
1,55 ■ 107 0,06
Aus der Tabelle ist ersichtlich, daß die Ergebnisse der Bestimmung des Absolutfehlers des Anzeigers, die man durch direkte Messung der Methankonzentration mit Hilfe des als Mustergerät verwendeten Interferometers erhielt, und die nach dem vorgeschlagenen Verfahren zur diagnostischen Kontrolle ermittelten Werte gut übereinstimmen. Die Ergebnisse der Bestimmung der anderen Kennwerte (der Zeitkonstante, der spezifischen Leistungsfähigkeit des wärmeumformenden Elements j» und des Widerstandes der Reaktionskammer) stimmen 'ebenfalls mit den entsprechenden Werten gut überein, die in der vorstehenden Liste der technischen Daten des Anzeigers angegeben sind.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Verfahren zur Kontrolle von thermokatalytischen Schlagwetteranzeigern von Grubensystemen mittels einer gasdurchlässigen Reaktionskammer, in der ein thermokatalytisches Kühlelement angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des thermokatalytischen Elements eines in der Grube betriebenen Schlagwetteranzeigers bis zum Abbruch der katalytischen Methanoxidation an diesem Element gesenkt wird, der Anzeiger in diesem Zustand bis zum Ausgleich der Methankonzentration in der Reaktionskammer des Anzeigers und in der Grubenatmosphäre gehalten wird, worauf man die Temperatur des thermokatalytischen Elements bis zur Betriebstemeratur, bei welcher eine Methanoxydation stattfindet, erhöht, das Ausgangssignal (Sh) des Anzeigers unmittelbar im Zeitpunkt seiner Rückkehr zur Betriebstemperatur und das sich nach Ablauf einer Zeit einstellende Ausgangssignal (St) des Anzeigers sowie die Zeitkonstante (T) des Stabilisierungsvorgangs des Ausgangssignals des Anzeigers nach dem erwähnten Temperaturrücksprung am Anzeigerelement erforderlich ist, und die Leistungsfähigkeit des thermokatalytischen Elements bei der Methanoxidation, den Widerstand des Reaktionskammer beim Methandurchgang durch ihre Gasaustauschwände sowie die Meßfehler des Anzeigers bei der Messung der Methankonzentration ermittelt, indem man folgende Beziehungen ausnutzt:
DE2843545A 1978-03-02 1978-10-05 Verfahren zur Kontrolle von thermokatalytischen Schlagwetteranzeigern von Grubensystemen Expired DE2843545C3 (de)

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