DE2843545C3 - Verfahren zur Kontrolle von thermokatalytischen Schlagwetteranzeigern von Grubensystemen - Google Patents

Verfahren zur Kontrolle von thermokatalytischen Schlagwetteranzeigern von Grubensystemen

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DE2843545C3
DE2843545C3 DE2843545A DE2843545A DE2843545C3 DE 2843545 C3 DE2843545 C3 DE 2843545C3 DE 2843545 A DE2843545 A DE 2843545A DE 2843545 A DE2843545 A DE 2843545A DE 2843545 C3 DE2843545 C3 DE 2843545C3
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Description

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 Betriebsparameter 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 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 Methanoxidation 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 Reakiionskamrnervvände bei der Methanübertragung durch diese Gasaustauschwände info,ge ihrer Verschmutzung durch Staub- und Feuchtigkeitseinwirkung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren so auszubilden, daß es die Erzielung von Informationen über die Betriebsfähigkeit und Meßfehler der Schlagwetteranzeiger durch Fernmessung von übertage her ohne Anwendung von genormten Gasgemischen und Proben-Gasanalysegeräten ermöglicht.
Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch angegeben.
Diese Lösung ermöglicht, ohne daß die Methankonlentration 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 dener thermokatalytische Schlagwetteranzeiger zur Überwachung der Methankonzentration Verwendung finden, werden diese Anz&'ger gegenwärtig mit Hilf von geeichten, in besondere Behälter eingepreßten Gasgemischen geprüft.
Die Benutzung des Verfahrens ergibt eine grundlegende Änderung der P'üfmelhode. Die Einführung 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 Methankonzentra'.ion und zum Schlagwetterschutz kontrolliert werden, die zur Realisierung des Verfahrens erforderlich sind (z. B. am Vorhandensein eines Speise Spannungsumschalters zur Änderung der F.rwärmungs· temperatur der Fühlelemente sowie eines Zeitrelais zur Festlegung der Betriebsperiode mit niedriger Speise-Spännung am Anzeiger),
Die Erfindung wifd in der folgenden Beschreibung eines praktischen Atisführungsbeispiels und anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt
F i g, 1 ein Prirrfipschaltbild einer beispielhaften Einrichtung zur Realisierung des erfindungsgemäQen Verfahrens,
Fig.2 die grafisch dargestellte zeitliche Abhängig
keit des Ausgangssigna.s des zu prüfenden thermokatalytischen Anzeigers von der Erwärmung meines Fühlelements.
Ein Schlagwetteranzeiger, der in einem Bergwerk eingebaut wird, enthält nach Fig. 1 ein thermokatalytisches Arbeitsfühlelement Ri, das in einer Reaktionskammer 1 mit Gasaustauschwand 2 angeordnet ist. In dieser Reaktionskammer kann auch ein Kompensa· tions-Fühlelement Ry eingebaut sein, das die Beeinflus sung des Anzeigerausgangssignals durch nicht meßbare Kennwerte der Grubenatmosphäre ausschließt. Die beiden Fühlelemente sind in eine elektrische Vergleichsschaltung, z. B. nach F i g. 1 in eine Brückenmeßschaltung eingegliedert und bilden einen Zweig dieser Schaltung, während im anderen Zweig Widerstände Ri und Ra 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 gewährleister wird.
Die vom Anzeiger gelieferte Inttvmation über die Methankonzenfation in der Grubenatmosphäre kann über eine Verstärker- und Wandlereinrichtung 3 übertragen werden, von deren Ausgang das MeC.ignal S abgenommen wird.
Das Wesen des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht F i g. 2.
in Fig. 2 ist die zeitliche Änderung des erwähnten Signals 5 grafisch dargestellt. Die G.-öße So entspricht dem Wert dieses Signals vor Beginn der Kontrolle. Zur Durchführung der Kontrolle wird in einem Zeitpunkt Ti, von übertage her ein Fernwirkkommando zur Senkung der Temperatur der Anzeigerfühlelemente bis auf einen Wert gegeben, bei dem keine katalytische Methanoxidation erfolgt, wobei man ai diesem Zweck z. B. die Speisespannung der Fühlelemente ändert. In diesem Zustand hält man den Anzeiger während des Zeitabschnitts ro—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 τ> wird ein Fernwirkkommando zur Erhöhung der Temperatur der Fühlelemente bis zum NormalbetriebEvert gegeben, wobei man die Größen des anfänglichen Signals Sn und des sich nach diesem Obergangsprozeß einstellenden Signals Sv des Anzeigers feststellt und die Zeitkonstante Tdieses Prozesses bestimmt, welche die Schnellwirkung des Anzeigers charakterisiert. Man beurteilt auch die spezifische Leistungsfähigkeit des thermokatalytischen Fühlelements bei der Methanoxidation, den Widerstand φ der Reaktionskammer bei der Methanübertragung durch ihre Gasaustauschwand und die Meßfehler des Anzeigers bei der Messung der Methankonzentratioi.
Realisierungsbeispiel
Nach dem vorgeschlagenen Verfahren wurde die diagnostische Kontrolle eines thermokatalytischen Schlagwetteranzeigers für Grubensysteme zur Messung der Methankonzentration und zum automatischen Schlagwetterschutz durchgeführt Dtf Anzeiger enthielt zwei wärmeumformende Elemente, Arbeitselement und ein Kompensationselement, die sich in einer Reaktionskämmef 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 L/der
Brückenschaltung, V
anfängliche Erwärmungstemperatur der wärmeumformenden
Elemente entsprechend dem
Betriebswert der Brückenspeisespannung, 0C
Zeitkonstante der Übergangsprozesse bei Änderung der
Methankonzentration in der
Reaktionskammer, s
spezifische Leistungsfähigkeit
des wärmeumformenden Elements
bei der Methanoxidation, —
s
Widerstand der Reaklionskammer
bei der Methanübertragung durch
die Gasaustauschwand,ζ
Koeffizient zur Transformation
des an der Oberfläche des
wärmeumformenden Elements
oxidierten Methanstromes in das
elektrische Meßsignal.
2,2
450
37,3
0,077 · 10-7
1,585 · 10'
«CJ)
39 - 106
0,015 ±10,0
empfindlichkeit des Anzeigers,
V
5 Vol>„
— Volumen der Reaktionskammer,
Vic, m3 6 - 10-6
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 Signa! auch als Osziüogramm registriert wurde.
Bei der Messung der Methankonzentration in dem zubereiteten Luft-Methan-Gemisch mit Hilfe des Anzeigers wurde die Methankonzentration in dessen Reaktionskammer schwächer als in der zur Analyse verwendeten Atmosphäre eingestellt, um den Widerstand der Gasaustauschwand des Anzeigers bei der Methandurchströmung und der Methanoxidierting am wärmeumformenden Arbeitselement zu berücksichtigen.
Zur Durchführung der diagnostischen Kontrolle wurde die Speisespannung praktisch augenblicklich von
ίο 2,2 V auf 1,3 V gesenkt. Dabei sank die Erwärmungstemperatur der wärmeuinformenden Elemente um 450°C auf etwa 2500C, und die Methanoxidation am Arbeitselement brach ab. Infolgedessen begann der Ausgleich der Methankonzentration in der Reaktionskammer und in dem zu analysierenden Medium. Nach 10 Minuten, also nachdem diese Konzentrationswerte praktisch einander gleich waren und vorher die elektrische Nullstellung ermittelt war, wurde der Betriebswert der :ι:
ι—.: -ι
wuuer ιιιαίι UCfI Übergangsprozeß registrierte, der beim Sinken der Methankonzentration in der Reaktionskammer infolge der wieder beginnenden Oxidationsreaktion erfolgte und exponentiell verlief.
Nach dem Oszillogramm dieses Übergangsvorganges bestimmte man die die Schnellwirkung des Anzeigers kennzeichnende Zeitkonslante, die Werte des anfänglichen sowie des stabil gewordenen Ausgangssignals (Sn bzw. SvI 'md berechnete man die spezifische Leistungsfähigkeit des wärmeuinformenden Arbeitselements, den
jo Widerstand der Reaktionskammer bei der Methandurchströmung ihrer Gasaustauschwand und die Fehler des Anzeigers bei der Messung der Methankonzentration. Für diese Berechnung benutzte man folgende Beziehungen:
^o wobei γ die spezifische Leistungsfähigkeit des wärmeumformenden Arbeitselements bei der Methanoxydation in mVs ist und 5//. Sy den anfänglichen bzw. den stabilen Wert der Ausgangssignale beim Übergangsvorgang in V bedeuten.
7 -
SnT
wobei φ der Widerstand der Reaktionskammer bei der Methandurchströmung ihrer Gasaustauschwand in s/mJ ist, und
1007
KVjSS
In der letzten Gleichung sind
Δ C der absolute Meßfehler des Anzeigers bei der Messung der Methankonzentration in VoL-0Zo,
C die Methankonzentration, die dem als Oszillogramm registrierten elektrischen Signal Sn entspricht, VoI.-%,
100 der Koeffizient zur Umrechnung der Methankonzentration aus relativen Einheiten in Prozente, %.
K der Koeffizient zur Transformation des in Oxidationsreaktion am wärmeumformenden Arbeitselement eintretenden Methanstromes in das
A
mT/s
Dieser
elektrische Meßsignal, mJs oder
Koeffizient wird für jeden Gefälefyp bei seiner Werkprüfung durch die Vergleichsmethode be* stimmt.
Die Efgebnisse, die man bei der diagnostischen Kontrolle des Anzeigers bei verschiedenen Methankonzentrationen in den in der Gaskammer zubereiteten Luft-Methah-Gemischen erhielt, sind in der nachstehen^' den Tabelle aufgeführt.
Mil dem Kon/en- Direkt gemes Anfängswert 7,74 Stabiler Wert 3.0 Zeitkonstante Spezifische Widerstand AhsoUitcr MeR-
lntei>"*>- Iriilinn. sener ahso- des Ausgangs- 18,8 des Ausgangs 7.3 des Über Leistungsfähig der Keaktions- fehler des
meter gemessen lulcr Meß signals heim 37,0 signals im 14.5 gangsvor keit des wärmc- kammcr hei Anzeigers.
gemessene mil dem an fehler des Obergangsvor- 53,5 Übergangsvor- 21,0 ganges. T. S umformenden der Methan- berechnet auf
Mclhan- den Anzeiger Anzeigers. ganis. .'·>- mV 75.4 fiilllß. Sy. 29.2 l-lcmcnts. diifchslronuirig. Grund des
knnzcn- angeschlos C C\,- St. mV f, mJ/s crfiriduhgS'
tralinn senen Ct all. gemäßen Ver
Cu. VnLV. Methan' fahrens zur
indikator, diagnostischen
Vnl.% Kontrolle C,
Vnl.%
i 2 •1 5 6 7 8 9
(U 0,2 Ö.0D 36,4 i,oi · to"7 1,57· 10 7
0,5 0,48 0.02 36,8 1,0 · 10 7 1,57· 10 0,018
i,c> 0,97 0,03 37,4 0,975 · 10 ' 1,59 · l07 0.025
1,5 1,4 0,1 38,2 0,955 · 10 ' 1,62 · 107 0.06
2,0 1.95 0.05 36,5 1,0 · 10 7 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 Hilfp. des als Mustergerät verwendeten Interferometers crhfelt, und die nach dem vorgeschlagenen Verfahren zur diagnostischen Kontrolle ermittelten Werte gut übereinstimmen. Die Ergebnisse der Bestimmung der
anderen Kennwerte (der Zeitkonstähte, der spezifischen Leistungsfähigkeit des wärmeumformenden Elements jo und des Widerstandes der Reaktionskarhmer) stimmen ebenfalls mit den entsprechenden Werten' gut überein, die in der vorstehenden Liste der technischen Daten des Anzeigers angegeben sind.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
130 239/475

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 (Sy) 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 Methanoxid&iion, 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:
    TS1,
    wobei γ die spezifische Leistungsfähigkeit des wärmeumformenden Arbeitselements bei der Methanoxidation in mVs, Sh. Sy den anfänglichen bzw. den stationären Wert der Ausgangssignale nach dem Übergangsvorgang in V oder A und Vi1 das Volumen der Reaktionskammer in m'bezeichnen,
    S11T
    wobei φ der Widerstand der Reaktionskammer beim Methandurchgang durch ihre Gasaustauschwände in s/m3 ist, und
    tr _ r IQOTS1]
    mit 4CaIs absolutem Meßfehler des Anzeigers bei der Messung der Methankonzentration in Vol.-%, C als Methankonzentration in VoI.■%, die dem vom Anzeiger abgegebenen elektrischen Signal Sn entspricht. 100 als dem Koeffizienten zur Umrechnung der Methanvolumenkonzentration aus relativen Einheiten in Prozentwerte, %. K als dem Koeffizienten für die Transformation des in Oxidationsreaktion ani wärmeurnfofmenden Afbeitsele* ment eintretenden Methansiromes in das elektrische Meßsignal,
    Vs mT
    , As
    oder —τ .
    nr
    Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kontrolle von thermokatalytischen Schlagwetteranzeigern von Grubensystemen mittels einer gasdurchlässigen Reaktionskammer, in der ein thermokatalytisches Fühlelement angeordnet ist.
    In schlagwettergefährdeten Kohlengruben finden gegenwärtig Systeme zur Fernmessung der Methankonzentrstion in der Grubenatmosphäre und zum automatischen Schlagwetterschutz mittels thei nokatalytischer Schlagwetteranzeiger eine weitgehende Anwendung. Der Methananzeiger ist das wichtigste Element solcher Systeme, und deswegen muß die diagnostische Überprüfung des Betriebszustandes der Methananzeiger in be&dmmten 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
    2n 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
    2> 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 Gasanaiysators
    ίϊ 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 drr bekannten Verfahren unmöglich.
    Bei diesen bekannten Verfahren kann keine Fernmessung erfolgen, und zur Kontrolle der Schlagwetteranzeiger muß das Bedienungspersonal deren Einbauorte in den Bergwerken beruchen.
    ν- 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 /um automatischen Schlagwetterschutz und zur zentralisierten Fernkontrolle des Mcthangehalts in
    wi Kohlengruben«. Ministerium für Kohlenindustric der UdSSR, Moskau, 1974, S. M). Beim Durchblasen mit reiner Luft wird die Nullstellung des Anzeigers kontrolliert, während das Durchblasen mit dem Luft^Methan-Gemisch die Angaben über die Richtigkeil der Anzeige in einem anderen MeOpunkl der Eichkurve liefert.
    Dieses Verfahren ist aber nicht für die Ferngewinnung der Information bestimmt, und zu seiner
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