МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
МІНІСТЕРСТВО освІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРничий УНІВЕРСИТЕТ
Колесник Валерій Євгенійович
УДК 622.411.51
РОЗВИТОК ТЕОРІЇ МЕТОДІВ І створення ЗАСОБІВ КОНТРОЛЮ умов праці за пиловим фактором
Спеціальність 05.26.01 - “Охорона праці”
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Дніпропетровськ - 2003
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі аерології та охорони праці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).
Науковий консультант - доктор технічних наук, професор
ГОЛІНЬКО Василь Іванович
Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ), завідувач кафедри аерології та охорони праці.
Офiцiйнi опоненти: - доктор технічних наук, професор
Береснєвич Петро Васильович,
Криворізький технічний університет Міністерства освіти і науки України (м. Кривий Ріг), завідувач кафедри опалення і вентиляції;
- доктор технічних наук, старший науковий співробітник
КАШУБА Олег Іванович, Макіївський науково-дослідний
інститут з безпеки робіт у гірничій промисловості Міністерства палива та енергетики (м. Макіївка), завідувач інформаційно-аналітичного сектору з безпеки робіт в галузі;
- доктор технічних наук, професор
Шевцов Микола Романович, Донецький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України (м. Донецьк), завідувач кафедри шахтного будівництва.
Провідна установа - Український державний науково-дослідний інститут
безпеки праці і екології в гірничорудній і металургійній промисловості Міністерства промислової політики
(м. Кривий Ріг), лабораторія промислової вентиляції та комплексного очищення викидів.
Захист дисертації відбудеться "_24_"_квітня__2003р. о _14_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.08.080.07 при Національному гірничому університеті за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К.Маркса, 19.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного гірничого університету за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К.Маркса, 19.
Автореферат розісланий "_21_"__березня__2003 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
доктор технічних наук, професор В.Т. Заїка
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Стан і актуальність проблеми. Умови праці на промислових підприємствах значною мірою визначаються пиловим фактором, тобто залежать від вмісту пилу в повітрі робочої зони, його викидів в атмосферу та пиловідкладення поблизу джерел пилу або у вентиляційних каналах, включаючи гірничі виробки. При цьому властивості пилу обумовлюють вибір відповідних заходів для боротьби з ним.
Повністю подавити пил практично неможливо, до того ж, процес знесилювання потребує значних матеріальних витрат, тому діючими нормативними документами з охороні праці встановлюються санітарно-гігієнічні або технічно досяжні рівні вмісту пилу в повітрі, а також рівні допустимих викидів, пиловідкладення, зокрема у гірничих виробках, та пилового навантаження працюючих. Необхідність дотримання цих норм породжує проблему ефективного контролю згаданих факторів.
Правилами безпеки на промислових підприємствах передбачений періодичний і оперативний контроль факторів, пов’язаних з пилом. При цьому періодичний контроль базується на трудомісткому гравіметричному методі, який передбачає відбір проб пилу. Тому він здійснюється переважно службами державного нагляду, які встановлюють факти перевищення допустимих рівнів запиленості, викидів, пиловідкладення та пилового навантаження. Через те, що контроль здійснюється короткочасно й епізодично, на його результати значно впливає суб’єктивний підхід, що допускає можливість навмисної зміни режимів роботи виробничого устаткування під час контролю, наявність залпів безконтрольних викидів пилу й інших причин. Разом з невизначеністю, великою трудомісткістю і, часто, необ’єктивністю періодичного контролю істотним його недоліком є незавершеність метрологічного забезпечення, тому навіть при дотриманні вимог приладової погрішності засобів, що застосовуються, можливі непередбачені помилки, особливо при відбиранні проб.
Передбачений для окремих галузей промисловості оперативний пиловий контроль фактично не здійснюється, а в лабораторіях промислових підприємств часто взагалі відсутні необхідні засоби для його забезпечення. Експрес-пиломіри, що розробляються і випускаються час від часу, теж не знаходять свого застосування, найчастіше - через низьку достовірність одержуваних результатів, яка погіршується малою надійністю, високою вартістю, трудомістким настроюванням чи градуюванням при переході з одного виду пилу на іншій, недостатнім діапазоном чи конструктивними особливостями, що обмежує використання таких пиломірів на різних промислових об’єктах.
Контроль виносу пилу чи пилових промислових викидів додатково вимагає визначення швидкості газового потоку, що викидається, з наступним розрахунком об’єму газу і маси пилових викидів. При цьому достовірність контролю швидкості запилених потоків традиційними засобами істотно зменшується в умовах значного вмісту пилу, що впливає на оцінку його викидів.
Що стосується контролю пиловідкладення, який проводиться переважно для виявлення пиловибухонебезпечного стану гірничих виробок вугільних шахт, то він часто виконується візуально через високу трудомісткість і низьку достовірність існуючих методів лабораторного аналізу та приладів.
Відсутність ефективного інспекторського і оперативного контролю умов праці за пиловим фактором на виробництві привела до значного росту профзахворювань, особливо у вугільній промисловості, де більше 80% випадків захворювань зв’язано з пиловою патологією, а більше половини шахт небезпечні за вибухами вугільного пилу. У гірничо-металургійній промисловості профзахворювань, зв’язаних з пилом, не набагато менше, а викиди інертного пилу - значно вищі. Подібна картина спостерігається і в інших галузях промисловості зі шкідливим і небезпечним пилом, зокрема: цементній, будівельній, борошномельній, тютюновій, деревообробній, текстильній та ін.
Цілком очевидно, що такий стан обумовлений відсутністю досить надійних і універсальних методів і засобів контролю факторів, пов’язаних із промисловим пилом, а погіршується він відсутністю єдиного підходу до пилового контролю на різних промислових об’єктах, що відрізняються розмаїтістю умов і видом пилу.
У зв’язку з вищевикладеним, постає актуальна проблема підвищення ефективності методів і засобів контролю умов праці в промисловості за пиловим фактором. Вирішенню цієї проблеми шляхом створення нових методів і засобів контролю вмісту пилу в повітрі, його викидів, пиловідкладення та пилового навантаження і присвячена дисертаційна робота.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Дисертація виконана згідно з прийнятими Кабінетом Міністрів України національними програмами поліпшення охорони праці на 1996-2000 р., від 02.11.96 №1345 та поліпшення стану безпеки праці і виробничого середовища на 2001-2005р., від 10.10.01 №1320. У роботі використані результати договірних і держбюджетних НДР, виконаних за участю автора, а саме: “Розробити і випробувати діючий макет реле потоку повітря ДРПВ” №ДР 01890039440, 1989 р.; “Розробити експериментальний зразок сигналізатора негерметичності впускного тракту двигунів” №ДР 01900006857, 1990 р.; “Розробити технічні засоби для оперативного контролю пилових промислових викидів” №ДР 0194U009461, 1995-1996 р.; “Розробка технічних засобів контролю загального вмісту пилу і його респірабельної фракції в повітрі робочої зони” №ДР 0198U005297, 1997-1998 р.; “Розробка теоретичних основ, методики й алгоритму контролю пиловибухобезпечності гірничих виробок шахт за показниками датчиків концентрації пилу №ДР 0100U001813, 2000-2001 р.; “Розробити методи і засоби контролю пилового навантаження гірників на основі даних про вміст пилу в повітрі робочої зони гірничих виробок” №ДР 0102U003025, 2002 р.
Мета і задачі досліджень.
Метою дисертаційної роботи є створення ефективних методів і засобів контролю умов праці за пиловим фактором, зокрема вмісту пилу в повітрі, виносу його газоповітряними потоками, а також пиловідкладення в гірничих виробках вугільних шахт та пилового навантаження працюючих.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:
-
виконати аналіз стану пилового контролю на промислових підприємствах, а також існуючих методів контролю умов праці, зв’язаних із промисловим пилом, дати їхню оцінку і запропонувати концепцію подальшого розвитку;
-
виконати аналіз характеристик пилу і пилових потоків, здатних вплинути на результати контролю умов праці, зв’язаних із промисловим пилом, включаючи мінливість густини речовини, дисперсності й основних оптичних властивостей часток, а також дослідити найбільш характерні параметри траєкторій руху часток в каналах вимірювальних пристроїв і потоках;
-
розробити теоретичні основи оптичного абсорбційного лічильно-інтегрального методу контролю масового вмісту пилу в атмосфері промислових підприємств на основі відомих теоретичних положень розсіювання світла на частках і нових принципах обробки інформації про параметри часток, що витають, яку отримують оптико-електронними засобами їхнього виявлення;
-
розробити способи і засоби контролю вмісту загального і тонкого (респірабельного) пилу в атмосфері промислових підприємств на основі запропонованого оптичного лічильно-інтегрального методу;
-
розробити методи і засоби контролю виносу пилу для періодичного чи стаціонарного застосування, що забезпечують достатню достовірність визначення пилових промислових викидів в атмосферу промислових підприємств чи в навколишнє середовище;
-
удосконалити методи і засоби контролю пиловідкладення, а також пилового навантаження гірників, які базуються на даних безперервного контролю вмісту пилу в повітрі робочої зони й адекватних моделях його поширення в потоках, що контролюються.
Об’єкт дослідження - процес контролю умов праці на промислових підприємствах.
Предмет дослідження - властивості і характеристики промислового пилу, включаючи мінливість густини речовини пилу, його дисперсний склад та динамічні параметри часток і запилених потоків, а також процеси поглинання світла пиловими частками, процеси поширення пилу у вентиляційних каналах чи гірничих виробках та процеси контролю вмісту пилу в повітрі, його викидів, пиловідкладення і пилового навантаження, які можуть бути використані для підвищення ефективності контролю умов праці за пиловим фактором.
Методи досліджень. При проведенні досліджень використані теоретичні й експериментальні методи, зокрема: аналіз об’єктів за критеріями з елементами експертних оцінок - при виборі перспективних методів контролю пилу; статистичний аналіз - при обробці даних про мінливість густини речовини промислового пилу; математичний аналіз - при рішенні рівнянь руху часток в потоці та переносу аерозольної субстанції в умовах вентиляційних каналів і гірничих виробок; аналіз і апроксимації класичних залежностей світлорозсіювання на частках - при розробці методів визначення вмісту пилових часток в повітрі за величиною ослаблення світла; математичне моделювання та ідентифікація моделей за експериментальними даними - при описі залежностей розподілу пилу на фракції, аналізі структурної схеми абсорбційного лічильника і його динамічних властивостей, при розробці автоколивального датчика швидкості потоку газу та при встановленні закономірностей розповсюдження і осідання пилу у гірничих виробках; апробація - для перевірки розроблених засобів контролю в натурних промислових умовах;
Обґрунтованість і достовірність отриманих наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджуються: застосуванням сучасних методів теоретичного аналізу з урахуванням загальноприйнятих чи обґрунтованих допущень; обсягом експериментів, що забезпечують відхилення результатів не більше 10% з імовірністю 0,95; зіставленням результатів лабораторних і аналітичних досліджень між собою і з натурними даними (розбіжність результатів не перевищувала норми - 25%, установленої в охороні праці для контролю шкідливих речовин); позитивними результатами перевірки та випробувань розроблених методів і засобів пилового контролю на стендах в умовах, близьких до натурних, чи при дослідно-промисловій експлуатації.
Ідея роботи полягає у забезпеченні ефективного контролю умов праці за пиловим фактором шляхом достовірного визначення масового вмісту пилу в повітрі з використанням лічильно-інтегрального методу виявлення пилових часток, а також визначення викидів пилу в атмосферу, інтенсивності пиловідкладення у гірничих виробках та пилового навантаження гірників за вмістом пилу в повітрі, при комплексному урахуванні густини його речовини, дисперсності та моделей поширення пилу в засобах контролю та потоках.
Основні наукові положення та їх новизна.
1.
Закономірність зміни вмісту пилу в повітрі за довжиною вентиляційного каналу чи гірничої виробки при наявності постійно діючого джерела пилу може бути представлена моделлю у вигляді експоненти, яка, на відміну від відомих, має не нульову горизонтальну асимптоту, оперативна ідентифікація котрої можлива на основі результатів вимірів вмісту пилу на ділянці його інтенсивного осідання одночасно в трьох точках, розміщених за довжиною каналу чи виробки. Причому використання моделі підвищує достовірність розрахункових методів контролю пиловідкладення в гірничих виробках та пилового навантаження гірників, що базуються на середньозмінних чи середньодобових показаннях вимірників запиленості повітря, встановлених у виробках.
2.
Показання вимірника запиленості атмосфери промислових підприємств, побудованого на основі оптичного абсорбційного лічильника пилових часток, можуть бути наближені до величини, що пропорційна об’єму, а не перетину часток, як у відомих схемах, за рахунок зниження внеску тонкого пилу, яке запропоновано здійснювати шляхом відсікання нижньої частини імпульсного сигналу лічильника на рівні 0,7...0,95 середньоквадратичної величини його шумів. Причому при менших рівнях відсікання (0,7…0,85) визначають вміст загальної маси пилу, а при більш високих - його грубої фракції. Різниця ж загальної маси пилу і його грубої фракції визначає масу тонкого пилу без механічного поділу аерозолів.
3.
Швидкість запиленого газового потоку можна визначити запропонованим проточним абсорбційним лічильником за шириною збуджуваних частками грубого пилу імпульсів на різних рівнях їх відсікання. При цьому, у порівнянні із застосуванням традиційних засобів визначення викидів пилу, забезпечується більша оперативність контролю за рахунок одночасного виміру лічильником величини масового вмісту пилу і швидкості потоку.
4.
Урахування густини речовини пилу і дискретизація вимірів його масового вмісту в повітрі з інтервалом 4...8 с, а також усереднення цих значень за період до доби, за умов розміщення контрольних точок у горизонтальних вентиляційних каналах, зокрема у гірничих виробках, в області другої знизу чверті їх висоти на відстані від стінки не ближче 0,12 величини поперечного розміру, забезпечують у комплексі необхідну достовірність контролю умов праці за пиловим фактором.
Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що вони використані як методична основа при розробці рекомендацій, пропозицій, технічних рішень, засобів та методик, що забезпечують ефективний контроль умов праці у промисловості за пиловим фактором. Зокрема, виконані теоретичні дослідження запропонованого оптичного лічильно-інтегрального методу контролю вмісту пилу в повітрі дозволили розробити багатофункціональну схему вимірника параметрів запиленого потоку, яка забезпечує формування показань загального масового вмісту пилу і тонкої його фракції, а також швидкості потоку за швидкістю руху часток грубого пилу, з оперативною перевіркою достовірності перетворень у схемі за допомогою динамічних імітаторів пилу.
Науково-технічні рішення, що стосуються визначення загального масового вмісту пилу використані в дослідно-конструкторській розробці вимірника запиленості шахтної атмосфери “ВЗША”, серійне виробництво якого почато ВАТ “Червоний металіст”, м. Конотоп, а пропозиції і алгоритми щодо визначення маси тонкого пилу та накопичення середніх значень концентрації пилу за робочу зміну чи добу, які розширюють функціональні можливості “ВЗША”, будуть використані в його перспективному зразку.
Методичні рекомендації стосовно градуювання розроблених засобів контролю запиленості і їх оперативної перевірки при виробництві і експлуатації використані при створенні пилової установки “УСЗВ”, а також методики метрологічної атестації “ВЗША” на згаданій установці, які у встановленому порядку атестовані органами Держстандарту.
Науково-технічні рішення й алгоритми щодо визначення швидкості запилених потоків і виносу пилу використані при створенні експериментальних зразків датчиків швидкості потоку і вимірника викидів промислового пилу “ПКПВ” у розрахунку на їх ДКР у перспективі.
Удосконалений метод розрахункового визначення пиловідкладення у гірничих виробках вугільних шахт за показаннями вимірника запиленості повітря з використанням запропонованих алгоритмів їх усереднення та математичних моделей, що враховують надходження пилу у виробки, покладено в основу роботи діючого макету системи контролю пиловибухобезпечності гірничих виробок “СКПГВ”, який рекомендовано для подальшої дослідно-конструк-торської розробки у НДПКІ “Автоматвуглерудпром” (м. Конотоп), згідно з Національною програмою, що виконується за постановою Кабміну від 10.10. 2001 р. № 1320.
Запропоновані нові моделі розповсюдження пилу за довжиною гірничих виробок та методи їх практичної ідентифікації покладено в основу проекту методики контролю пилового навантаження гірників за вмістом пилу в повітрі.
Результати виконаних досліджень спрямовані на досягнення соціального та матеріального ефекту, внаслідок поліпшення умов праці за пиловим фактором.
Особистий внесок автора полягає у вирішенні науково-прикладної проблеми підвищення ефективності контролю умов праці за пиловим фактором.
У роботах, написаних у співавторстві, особистий внесок дисертанта такий: у [3, 4, 25,26] - здійснено теоретичне обґрунтування оптичного лічильно-інтегрального методу контролю вмісту пилу; у [5] - запропоновано методику і засоби приготування пилу, необхідного для випробувань засобів його контролю; у [7, 13, 15, 21, 27] - подано ідеї та здійснено обґрунтування методів контролю швидкості потоку; у [8, 24] - розроблено алгоритм усереднення показань вимірників вмісту пилу; у [10] - запропоновано імовірнісну модель урахування шуму схеми абсорбційного лічильника (АЛ), яка дозволяє вибрати параметри, що забезпечують контроль масового вмісту пилових часток; у [11] - побудовано динамічну модель АЛ; у [12, 28, 29] - розроблено принципи двоступінчастого контролю пилу на основі АЛ; у [16, 19, 23, 31] - запропоновано удосконалені методи контролю пиловідкладення і пилового навантаження; у [17] - запропоновано типову структуру шахтної системи пилового контрою; у [20, 22] - подано ідеї компенсації забруднення та калібрування схеми АЛ; у [30] - виконано обґрунтування методу аспірації пилу з потоку на два взаємно перпендикулярні аерозольні фільтри.
Апробація результатів дисертації.
Основні положення дисертаційної роботи доповідалися: на II Всесоюзній науково-технічної конференції “Аеродисперсні системи і коагуляція аерозолів” (Москва, 1988 р.); на всеукраїнській науково-технічній конференції “Теорія і практика рішень екологічних проблем у гірничодобувній і металургійній промисловості” (Дніпропетровськ, 1993 р.); на міжнародній науково-технічній конференції “Комп’ютерні технології в навчанні, наукових дослідженнях і промисловості” (Дніпропетровськ, 1998 р.); на міжнародній конференції Mine Planing and Equipment Selection 1999 & Mine Enveronmental and Economical Issues (Дніпропетровськ, 1999); на щорічних міжнародних симпозіумах “Тиждень гірника”, проведених на базі Московського гірничого університету (Москва, 1999 - 2002 р.); на семінарах кафедри аерології й охорони праці Національного гірничого університету та ін.
Публікації. Результати дисертації опубліковані в 22 статтях у фахових наукових журналах і збірниках, 13 доповідях і тезах конференцій та у 8 авторських свідоцтвах і патентах, усього в 43 наукових працях (з них 9 одноосібних).
Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, шести розділів, висновку, списку літературних джерел із 206 найменувань на 19 сторінках і 9 додатків на 36-ти сторінках. Загальний обсяг дисертації - 356 сторінок, з них основний текст - 300 сторінок, рисунків - 72 (з них 21 на 13-ти окремих сторінках), таблиць - 17 (з них 5 на окремих сторінках).
Робота виконана в Національному гірничому університеті.
Основний Зміст роботи
У вступі визначені наукова проблема й обґрунтована актуальність досліджень за обраною темою, сформульовані їхня мета і задачі, викладена загальна характеристика дисертації.
У першому розділі проаналізовано стан пилового контролю на промислових об’єктах; визначені граничні величини основних параметрів засобів і об’єктів пилового контролю; виконано порівняльний аналіз і оцінка існуючих методів і засобів контролю вмісту пилу в повітрі, вмісту його тонкої і грубої фракцій та виносу чи викидів пилу, а також методів і засобів контролю пило-відкладення [1]. При цьому встановлено нижченаведене.
1.
Наявність трьох основних факторів умов праці, зв’язаних із запиленням, а саме: вміст пилу в повітрі, винос чи викид пилу і його відкладення, а також розмаїтість необхідних видів пилового контролю та відсутність єдиного підходу у визначенні вмісту пилу в атмосфері промислових підприємств ускладнюють розробку оперативних засобів для усіх видів контролю, зв’язаних із запиленням.
2.
Складність виміру абсолютного значення масової концентрації пилових часток у повітрі і неможливість на даному етапі створення еталона цієї концентрації вимагає удосконалювання базового гравіметричного методу визначення вмісту пилу, необхідного як для періодичного контролю, так і для передачі одиниці концентрації наявним і створюваним робочим засобам оперативного контролю запиленості.
3.
Граничні величини основних параметрів засобів і об’єктів пилового контролю характеризуються широким діапазоном значень величин, що контролюються, розмаїтістю густини речовини пилу й умов проведення вимірів, що не дозволяють розраховувати на створення універсальних засобів, застосовних у всіх випадках, але націлює на прийняття єдиної концепції в їхній розробці.
4.
Створення методів і засобів пилового контролю найбільш перспективне на основі оптичного принципу визначення пилу, аналіз якого показав переваги абсорбційного лічильно-інтегрального методу, що передбачає одержання досить повної інформації про параметри часток промислового пилу, що витають, з наступною її оперативною обробкою і формуванням необхідних інтегральних характеристик.
5.
Відносно оцінки виносу чи викидів пилу показано, що для необхідного при цьому оперативного контролю швидкості потоків газоповітряного середовища можливе застосування тахометричних приладів при їх доробці, що спрямована на підвищення стійкості в умовах підвищеної швидкості потоку, а для стаціонарного застосування необхідна розробка нових методів і засобів контролю швидкості, працездатних ще й в умовах значного запилення повітря чи газу.
6.
Існуючий точковий принцип контролю осілого пилу шляхом його збору на полки чи радіоізотопними приладами обумовлює низьку достовірність результатів. Тому його удосконалювання не можна вважати оптимальним рішенням задачі контролю пиловідкладення, у той час як найбільш достовірно можна визначити пиловідкладення за зміною середнього вмісту пилу в повітрі, що однак теж вимагає підвищення надійності засобів безперервного контролю вмісту пилу в повітрі і створення нових методів чи моделей обробки інформації, що від них поступає.
На підставі зроблених висновків, з урахуванням прийнятої концепції розвитку методів і засобів пилового контролю, формулювалися задачі наступних досліджень.
У другому розділі виконано аналіз статичних і динамічних характеристик пилу і запилених потоків, які впливають на результати контролю умов праці за пиловим фактором. До них віднесені: густина речовини пилу, його дисперсний склад, оптичні властивості часток, а також основні динамічні параметри пилу і його потоків, що виявляються при доборі проб запиленого середовища чи контролі в потоці.
Досліджено діапазон і мінливість густини речовини основних видів промислового пилу, а також ступінь їхнього впливу на достовірність контролю та можливі шляхи урахування чи компенсації цієї мінливості. При цьому аналізувалися відомі дані про густину його речовини з доповненнями, отриманими з каталогів промислової сировини. Практично повний діапазон зміни густини речовини промислового пилу склав 1000…8915 кг/м3 [2]. Середньоквадратичне відхилення густини від її середніх значень для всіх розглянутих видів промислового пилу не перевищило 12%. Це дозволило стверджувати, що при достатній інформації про густину речовини пилу, погрішність контролю від її мінливості може бути істотно менше нормативної, яка складає 25%. При цьому шукалися шляхи урахування чи компенсації густини речовини пилу при контролі його вмісту. Так, запропоновано встановлювати коефіцієнт перетворення електронної схеми вимірника перед вимірами відповідно до заздалегідь відомої густини [3]. Запропонована також динамічна сепарація часток пилу, що полягає в забезпеченні їх руху у вимірювальному оптичному каналі за траєкторіями залежно від маси часток.
Досліджено методи оперативного здобуття інформації про дисперсний склад пилу [4].
Отримана модель дозволяє оперативно оцінити масу фракцій пилу з достовірністю, прийнятною в охороні праці на вугільних шахтах. Використана вона також у розробці установки, що генерує свіжестворений пил (на відміну від відомих, де використовується заздалегідь приготовлений порошок) для випробувань і перевірки засобів контролю, що розробляються [5]. На установці отримано аерозоль, близький за дисперсним складом до пилу вугільних шахт (проби пилу аналізувалися на лабораторній установці типу ТА-2 “Koulter-caunter”). Граничні концентрації, що створювались, змінювалися від 10...15 мг/м3 до 350…1600мг/м3.
Оптичні властивості пилу досліджувалися з метою наступного визначення його масового вмісту за величиною потоків ослаблення світла на окремих частках. Головну увагу було звернено на припустимість використання для цього граничного випадку класичної теорії світлорозсіювання на оптично великих відносно довжини хвилі світла сферах. Показано, що оптичні властивості відносно крупних пилових часток промислового пилу, що витають в повітрі, навіть при розмаїтості їх форм і розмірів, у більшості випадків, мало відрізняються від властивостей строго сферичних часток з аналогічними поперечними перетинами за рахунок їх хаотичного руху в повітрі. Тому при теоретичному аналізі оптичних методів виявлення промислового пилу безпосередньо в повітрі чи газі, зокрема абсорбційного, можливе використання відомих класичних формул, які отримані для оптично великих сферичних часток.
Виконано оцінку ролі характеру обтікання запиленим потоком пиловідбірних пристроїв, зокрема, при контролі вмісту пилу гравіметричним методом з добором його із потоку на фільтри типу АФА-ВП. У цьому випадку, як правило, для компенсації неізокінетичності добору проби використовують патрони з насадками, що спотворюють характер руху потоку. Тому запропоновано спосіб визначення запиленості на основі використання двох звичайних фільтрів у патронах без насадок, один із яких направляють назустріч потоку, а інший - поперек [30].
Далі розглядалось питання розміщення в запилених потоках контрольних точок, у яких би забезпечувалося одержання необхідних в охороні праці середніх значень швидкості потоку, концентрації часток чи виносу пилу. Установлено, що контроль швидкості у вентиляційному каналі діаметром від 0,5 до 3,0 м на відстані приблизно 0,12D від стінки забезпечить вимір середньої швидкості потоку в діапазоні до 40 м/с з похибкою %. Розміщення ж вимірника по осі труби в турбулентному потоці завищить показання від середньої швидкості не більше, ніж на 12% [7].
Для пошуку точки середньої концентрації часток пилу аналізувалася відома модель її зміни за висотою горизонтального вентиляційного каналу чи гірничої виробки. Показано, що відносне її положення для граничних значень висоти каналу змінюється в межах від =0,5- для малих каналів і тонкого пилу, до =0,23- для великих каналів і грубого пилу, тобто переміщається від середини вниз до приблизно 1/4 висоти каналу. Тому характерною областю середньої концентрації пилу є друга знизу чверть висоти каналу.
Щодо середнього виносу пилу встановлено, що його значення менш критичні до розмірів часток і каналів. Тому ця точка на практиці може бути суміщена з точкою контролю середньої концентрації часток пилу.
При дискретизації неперервної інформації про запиленість, яка необхідна для її виведення на табло приладів і накопичення середніх, враховувалися гігієнічний, ергономічний і імовірнісний аспекти, а також кінцева мета пилового контролю [8]. В результаті мінімальний інтервал дискретизації обрано 4...8 с, який забезпечує відстеження процесу зміни вмісту пилу в потоці з достатньою для контролю умов праці за пиловим фактором достовірністю.
У третьому розділі розвивався запропонований оптичний абсорбційний лічильно-інтегральний метод контролю вмісту пилу, який поєднує переваги лічильного й інтегрального методів. Конкретно досліджувались шляхи підвищення точності контролю масового вмісту пилу за рахунок ефективного виявлення, урахування і корекції отриманих оптичним шляхом параметрів пилових часток, що витають, а далі створювались засоби контролю пилу, призначені для використання у промислових умовах.
Запропонований метод базується на використанні оптичних лічильників часток з наступним визначенням їх концентрації інтегральним перетворенням імпульсного сигналу лічильника, апаратурна реалізація якого простіше відомого методу селекції імпульсів. Для цього аналізувалися і розвивалися положення теорії оптичного абсорбційного лічильного методу з метою методичної компенсації суттєвої погрішності відомої його схеми, у якій ослаблення світла окремою часткою пилу описується формулою, яка базується на класичній залежності розсіювання світла на частках і являє собою оптичний перетин частки
(має розмірність площі), (4)
де - геометричний перетин частки; - перетин, що пропорційний світлу, розсіяному часткою в область малих кутів у межах кутової апертури фотоприймача, що дорівнює ; - діаметр частки, мкм; - безрозмірна функція розсіювання світла на сферичній частці; - параметр дифракції; - кут спостереження світла, що розсіюється відносно напрямку світлового пучка, рад; - довжина хвилі світла, що падає на частку, мкм.
Згідно з цією формулою, площа спрямованого в робочий об’єм абсорбційного лічильника (надалі АЛ) рівнобіжного пучка світла з перетином при надходженні в нього частки пилу зменшується на величину [4]. Для оцінки характеру цього ослаблення від розміру частки в діапазоні від 1 до 64 мкм значення, що розраховані за формулою (4), апроксимувалися з погрішністю 2...3% ступеневою залежністю. Так, для реальних параметрів АЛ отримані вирази, у яких показник ступеня при навіть менше величини 2, що відповідає квадратичному характеру ослаблення світла, і знижується зі збільшенням апертури фотоприймача. В результаті ефективність АЛ зі збільшенням розмірів часток істотно падає. Тому шукалися методи підвищення показника ступеня, які можна було б реалізувати коректуванням сигналу оптико-електронної схеми АЛ.
Попередньо аналізувався вплив положення частки в оптичному пучку АЛ, а також амплітуда і форма збуджуваних у ньому імпульсів. Показано, що найбільш критичні до положення є частки середніх розмірів, приблизно від 5 до 15 мкм, доля яких у промисловому пилу, зокрема вугільному, складає 18...45% його загальної маси. Тому найбільш точно необхідно визначати масу саме цих часток пилу.
Амплітуда імпульсів, що виникають в АЛ у результаті ослаблення світла частками, визначалась за формулою
, (6)
де - інтенсивність світлового потоку, що направляється у вимірювальний об’єм; - інтенсивність спрямованого світлового потоку на фотоприймачі.
Запропоновано методи впливу на амплітуду імпульсів, з метою штучної корекції і зміни функції перетворення АЛ. Головний з них полягав у відсіканні нижньої частини імпульсів вихідного сигналу АЛ, а інший, - у динамічній сепарації часток по осі світлового пучка.
Метод відсікання нижньої частини імпульсів, досліджувався у припущенні, що електронна схема формує сигнал, пропорційний площі трикутних імпульсів, що надходять з АЛ [9]. Показано, що запропоноване відсікання знижує внесок великої кількості часток тонкого пилу у сигнал ослаблення світла, що реєструється, аж до повного відсікання малих імпульсів і виключення їх з наступного аналізу. Тим самим, підвищується роль більш великих часток, загальна маса яких істотно вище.
Для оцінки впливу рівня відсікання U на характер сигналу, що реєструється, вводився коефіцієнт відсікання , який характеризує частку світлового потоку, що враховується вимірником після відсікання сигналу АЛ, тобто
(7)
Це співвідношення дозволяє перерахувати теоретичні перетини ослаблення у “псевдооптичні”. У приведеній формі воно має вигляд
, (8)
де - оптичний перетин найбільшої з часток, яка відповідає рівню U.
Зіставлення і показало, що при зростанні рівня відсікання, через нелінійний характер , збільшується показник ступеня залежностей (10) в напрямку до кубічного (у розглянутому реальному випадку - від 1,92 до 2,63). Таким чином, відсікання дозволяє одержати сигнал, величина якого наближена до об’єму частки, а не її перетину, як у відомих абсорбційних схемах. З урахуванням густини речовини пилу це забезпечує достовірний контроль масового вмісту часток. При цьому виявилася й інша позитивна сторона відсікання, зв’язана з шумом оптико-електронної схеми АЛ, що утрудняє реєстрацію малих концентрацій часток, а саме: при відсіканні імпульсів частково відтинається і шум. Причому, як з’ясувалося, інформація про малі частки, що опинились нижче рівня відсікання, не губиться цілком, завдяки наявності частини шуму, амплітуда якого додається з певною імовірністю до амплітуди імпульсів, що виникають від часток тонкого пилу. В результаті сумарний сигнал перевищує встановлений рівень відсікання.
Вплив шуму для розглянутого спектру розмірів часток пилу аналізувався на основі імовірності його взаємодії з імпульсами, що виникають від часток [10]. Отримано формулу для “псевдооптичного” перетину ослаблення світла такими частками у вигляді
(9)
Для часток, перетин яких перевищує приведений рівень , “псевдооптичний” перетин ослаблення представлявся у вигляді
(10)
На основі цих виразів отримані наочні залежності сумарного ослаблення світлового потоку запиленим об’ємом, що містить 1 мг сферичних часток одного розміру з густиною речовини 1000 кг/м3, від діаметра цих часток (рис. 1).
Рис. 1. Залежності ослаблення світла об’ємом, що містить 1 мг сферичних часток, при різних рівнях відсікання сигналу АЛ:
1 - крива ослаблення без відсікання і урахування шуму;
2 - 5 - відповідно, залежності, що отримані при відсіканні сумарного сигналу АЛ з шумом на рівнях, що визначаються, як одне, півтора, два і три середньоквадратичних значення величини шуму - “сигма”.
Аналіз залежностей показав, що підвищення рівня відсікання приводить до зниження сумарного перетину ослаблення світла частками в області тонкої фракції, але без втрати інформації про найменші частки. Криві 2 і 3 мають найменшу залежність від розміру часток і відповідають області відсікання, яка необхідна для найбільш точного визначення загальної маси пилу. Причому для полідисперсного пилу сумарний перетин ослаблення світла буде тяжіти до визначеного на цих кривих середнього значення залежно від фактичного дисперсного складу пилу й обраного рівня відсікання. Так, перехід від одного розподілу до іншого (граничних для вугільної шахти) змінив не більш, ніж на 15%, що менше припустимої величини 25%. Таким чином, рівень відсікання сигналу АЛ дозволяє регулювати внесок часток тонкого пилу у загальний сигнал, одночасно знижуючи паразитний вплив шуму. Метод відсікання доцільний не тільки для забезпечення контролю загальної маси пилу, але і для контролю грубої його фракції за рахунок істотного зниження вкладу малих часток при підвищених рівнях відсікання (див. рис. 1, крива 5), при цьому вміст тонкої фракції можна визначити, як різницю загальної і грубої.
Виконані теоретичні дослідження ослаблення світла частками використані при побудові оптико-електронної схеми АЛ [20, 21]. Вирішальним фактором при цьому стала необхідність забезпечення її працездатності в промислових умовах. Запропоновано компенсувати повільне забруднення оптичного каналу осілим пилом при одночасному виділенні імпульсів від часток, що пролітають. Розроблена для цього схема працює як система автоматичної стабілізації інтенсивності спрямованого світлового пучка за збуренням.
Для оптимізації динамічних характеристик АЛ його вимірювальний канал “вхід ( ) - вихід ( )” моделювався диференціальним рівнянням [11].
На основі запропонованої схеми АЛ виконано компонування вимірника, функціональна схема якого забезпечує: реєстрацію часток пилу; формування імпульсного електричного сигналу; його усікання, інтегрування і компенсацію частини шуму; урахування густини речовини за апріорними даними і формування показань, що відповідають вмісту загальної маси пилу.
Вдосконалено методику градуювання вимірників концентрації на типовому пилу в гравіметричних показниках, мг/м3. Виконано аналіз складових погрішності гравіметричного методу, сумарна оцінка яких у загальному випадку не перевищила 6% і може бути при необхідності знижена до %. Це забезпечує достатній метрологічний запас при використанні гравіметричного методу як зразкового для перевірки оптичних засобів контролю запиленості.
Запропоновано способи оперативної і періодичної перевірки оптично-електронного тракту вимірника електричним шляхом і за допомогою імітаторів пилу. Так, оперативна перевірка проводиться за рахунок уведення в схему АЛ генератору каліброваних імпульсів, амплітуда і тривалість яких обрана з урахуванням динамічних властивостей АЛ та забезпечила його перевірку в області концентрацій часток пилу 100 мг/м3 [21].
Принцип дії механічного імітатора часток для періодичної перевірки схеми, базується на збуренні спрямованого світлового потоку ниткою зі скловолокна діаметром близько 5 мкм. Підбором частоти в діапазоні 80...300 Гц і амплітуди коливань рамки з такою ниткою в оптичному каналі АЛ отримано імпульси тривалістю від 0,1 до 5 мс, порівняні з імпульсами від найбільш великих часток пилу. При цьому імітувалися концентрації від 15 до 1200 мг/м3.
Як альтернатива механічному, запропоновано оптично-електронний імітатор, що імітує проліт частки пилу за рахунок короткочасного світлового стробіювання вимірювального об’єму АЛ від додаткового джерела світла. В одному з варіантів короткочасно підсвічувався торець пластини з молочного скла, що поміщається при перевірці на шляху робочого світлового пучка АЛ. Імітатори дозволяють формувати стабільні імпульси необхідної частоти, тривалості й амплітуди, порівняні з реальними.
У четвертому розділі запропоновано методи і засоби реалізації лічильно-інтегрального методу. При цьому досліджена можливість двоступінчастої гравіметрії безпосередньо в потоці запиленого повітря на основі селективних властивостей АЛ. Приведено результати розробки й випробувань як засобів контролю загального масового вмісту пилу, так і засобів контролю його грубої і тонкої фракцій.
На основі аналізу кривих поділу пилу на фракції, рекомендованих авторитетними міжнародними організаціями охорони здоров’я, отримана модель кривої в області розмірів часток від 2 до 10 мкм.
Показано, що теоретично АЛ, без відсікання його сигналу (лінія 1 на рис.1), виступає як пристрій, що пропускає тонкий пил, близько до (15) [12]. При цьому реалізація контролю вмісту тонкого пилу на основі такої властивості АЛ сепарувати частки за розмірами вимагає повної компенсації шуму електронної схеми й окремого градуювання на тонкому пилу.
Альтернативний спосіб, згідно з висновками розділу 3, зводиться до подальшого підвищення рівня відсікання сигналу АЛ до виділення грубої фракції пилу, тобто до відсікання сигналу на другому рівні U2 (U2 U1).
Таким чином, запропоновано одним АЛ спочатку визначити вміст загальної маси пилу, а потім - масу грубої її фракції, відповідно при відносно низькому першому рівні відсікання і більш високому – другому, а вміст тонкого пилу одержати як різницю загального і грубого пилу. У цьому випадку вимірник пропускає грубий пил, тому частина часток, що через нього пройшла, представлялася у вигляді функції. В області розмірів часток 2...10 мкм вона відповідає лінії 4 (див. рис.1), отриманої при відсіканні електричного сигналу на рівні близько 2-х “сигма”. (Придушується 95% шуму, що приблизно відповідає відсіканню часток розміром 8...10 мкм). При такому способі виділення грубого пилу для визначення загального його вмісту рівень відсікання вибирався близько 1,5 “сигма”, що відповідає придушенню шуму на 85% і відсіканню часток з розмірами 5...6 мкм. В результаті вміст тонкого пилу, одержуваний наступним вирахуванням, виявляється жорстко зв’язаним із вмістом загальної маси пилу і залежить від нього, тому не вимагає окремого градуювання приладу на тонкому пилу.
З урахуванням отриманих теоретичних рекомендацій обґрунтовані конструктивні параметри АЛ, включаючи оптичну базу, довжину проточного патрубку, швидкість потоку в ньому, параметри детекторів та ін.
При визначенні оптичної бази
