Робот для анализа газа в шахтах

XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Робот для анализа газа в шахтах

Цаур Р.Е. 1Давыдов А.Д. 1Ширинкин Т.С. 1Мещерякова П.В. 1
1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"
Бек М.А. 1
1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Горнодобывающая отрасль имеет свои особые особенности и вызывает определенные проблемы, связанные с безопасностью и контролем уровня газов в шахтах. Один из ключевых аспектов безопасности в шахтах - это мониторинг уровня газов, таких как метан, угарный газ и другие вредные вещества. Значительные количества таких газов могут привести к взрывам, пожарам и серьезным заболеваниям у рабочих. Поэтому эффективный и точный анализ уровня газов является необходимым условием для обеспечения безопасности рабочих и предотвращения аварийных ситуаций в шахтах.

Целью нашего исследования является разработка робота на основе конструктора Lego Mindstorms EV3 для анализа уровня газов в шахтах.

Основные задачи нашего исследования включают:

1. Изучение существующих методов и технологий для анализа уровня газов в шахтах.

2. Разработка механической структуры робота, обеспечивающей его маневренность и устойчивость в условиях шахтной среды.

3. Выбор и интеграция соответствующих датчиков для измерения уровня газов.

4. Разработка программного обеспечения для сбора, обработки и анализа данных с датчиков.

5. Проведение экспериментов для проверки эффективности и работоспособности разработанного робота.

6. Обсуждение результатов экспериментов и оценка потенциала применения разработанного робота в реальных условиях шахт.

Глава 1. Обзор предметной области

    1. Краткое описание горнодобывающей отрасли и проблем, связанных с контролем уровня газа в шахтах

Угольная промышленность включает в себя добычу и переработку (обогащение и брикетирование) ископаемых углей. Как базовая отрасль народного хозяйства она формировалась в предвоенные годы и в середине 50-х гг. уголь достиг максимального удельного веса в топливном балансе страны (66%). В 1997г. отмечалось 275-летие угольной промышленности России - в 1722г. в районе Бахмута (ныне - г. Артемовск, Украина) открыт каменный уголь и добыты первые тонны топлива (Рисунок 1.1.1, Приложения).

Уголь находит широкое применение в народном хозяйстве России. Значительная часть технологического угля в виде кокса используется в черной и цветной металлургии, энергетического угля - для производства электроэнергии на тепловых электростанциях, цемента, стекла, на сахарных заводах и т.д. Уголь применяется как ценное химическое сырье (для производства азотных удобрений, пластмасс, спиртов, взрывчатых веществ). При коксовании из углей вырабатываются красители, употребляемые в текстильной промышленности, фармацевтические препараты, а также другие ценные продукты. Из некоторых видов углей можно получать искусственный газ (подземная газификация), моторное топливо - аналог бензина. Достаточно широко используется в коммунально-бытовом хозяйстве. Доля угля в топливном балансе России в 2000г. - 12,2%.

Процесс угледобычи достаточно сложен в плане технологии и требует больших затрат для привлечения техники и ресурсов(Рисунок 1.1.2, Приложения).. Современная индустрия располагает тремя основными способами добычи этого полезного ископаемого:

  • Карьерным, посредством организации разреза.

  • Шахтным методом. С помощью строительства ряда подземных сооружений.

  • Гидравлическим. С использованием жидкостных струй, как в качестве разрушителей пластов, так и в качестве транспортирующего материала.

Шахтный способ-один из наиболее старых и высокотехнологичных для настоящего времени методов добычи полезных ископаемых(Рисунок 1.1.3, Приложения).. При глубинном залегании угля (свыше 500 метров под землей) вскрышные работы потребуют колоссальных затрат. Поэтому наиболее рентабельным является сооружение шахты с последующей прокладкой горизонтальных проходов.

После организации технологического процесса: укрепления стен и прокладки рельсов, обеспечения вентиляции и удаления воды, запуска в работу проходческих врубовых и очистных комбайнов, начинается добыча угля и транспортировка его на поверхность.

Шахтный способ достаточно дорог и небезопасен, хотя и обеспечивает большие объёмы выработки высококачественного сырья, не нанося существенного экологического ущерба окружающей среде.

Существует два основных типа взрывов в угольных шахтах: метан и угольная пыль. Взрывы метана происходят, когда скопление газообразного метана контактирует с источником тепла, и воздуха недостаточно для разбавления газа ниже точки взрыва. Аналогичным образом, мелкие частицы угольной пыли в нужной концентрации, попадающие на источник тепла, также могут быть взрывоопасными. Также могут происходить гибридные взрывы, состоящие из комбинации метана и угольной пыли.

Метан образуется как побочный продукт угледобычи. Метан, который адсорбируется в угле, выделяется при добыче угля или мигрирует из окружающих источников выше или ниже угольного пласта через трещины, образовавшиеся в процессе добычи угля.

    1. Обзор существующих методов и технологий для анализа газов в шахтах

Для предотвращения взрывов метана с участием угольной пыли в горных выработках применяют следующие способы:

  • Дегазация массива угольного пласта и выработанного пространства. Этот способ снижает выделение метана в атмосферу выработок.

  • Осланцевание, обмывка и побелка. Эти способы снижают концентрацию угольной пыли в воздухе.

  • Связывание смачивающим веществом скоплений пыли.

  • Туманообразующие завесы на пути перемещения запылённых потоков.

  • Сланцевые и водяные заслоны. Эти способы применяются для локализации и подавления взрывов.

  • Автоматические системы локализации взрывов (АСЛВ).

Для обнаружения метана основными датчиками, используемыми в угольных шахтах, являются датчики метана каталитического горения [2–4]. Однако у них есть некоторые неизбежные недостатки, такие как легкое отравление, низкая селективность и регулярная калибровка, которые неизбежно увеличивают нагрузку на шахтеров и повышают риск смерти и травматизма работников(Рисунок 1.2.1, Приложения).. Другим датчиком метана является инфракрасный газовый датчик, который использует широкополосный источник инфракрасного света и оптический фильтр для дифференциального фотоэлектрического обнаружения [5]. Однако на него легко влияют влажность и температура. Следовательно, его надежность и стабильность невысоки в сложных условиях подземных угольных шахт. Кроме того, также используются электронные датчики, которые нельзя использовать в зонах особой опасности, таких как отвал, которые приводят к образованию слепых зон при мониторинге.

В последние десятилетия, в связи с быстрым развитием современных оптоэлектронных технологий, спектральная технология оказалась в центре внимания исследовательских групп в стране и за рубежом [6, 7]. Существует множество методов обнаружения газа, основанных на спектроскопии, включая спектроскопию с усилением поглощения в полости (CEAS) [8], спектроскопию с кольцевым кольцеванием (CRDS) [9], фотоакустическую спектроскопию (PAS) [10], фототермической спектроскопии (PTS) [11], лазерной рамановской спектроскопии (LRS) [12] и спектроскопии поглощения перестраиваемых диодов (TDLA) [13]. Из-за их лучшей адаптации к окружающей среде и надежности газовые датчики на основе TDLA находят все более широкое применение в области обнаружения газов [14, 15]. Газовые датчики на основе TDLA используют лазеры вместо тока и напряжения для реализации восприятия информации и используют оптические волокна вместо кабелей в качестве средства передачи информации. Таким образом, лазерные газовые датчики больше подходят для легковоспламеняющихся, взрывоопасных и влажных условий в угольных шахтах. Технология TDLAS обладает огромным преимуществом в виде онлайн–мониторинга на месте и стала незаменимой технологией обнаружения в интеллектуальных шахтах [16-18]. В 1981 году Рейд Дж. и др. сообщили об измерении концентрации газа на основе метода обнаружения второй гармоники, что значительно способствовало разработке высокоточного оборудования TDLAS [19]. С 2017 года лазерные датчики метана постепенно используются в угольных шахтах [20]. Срок технического обслуживания датчиков метана увеличен с 2 недель для обычного датчика метана каталитического горения до 6 месяцев для лазерного датчика метана. Следовательно, это значительно сократило количество шахтеров под землей и повысило уровень интеллекта угольных шахт.

Глава 2. Проектирование робота для анализа уровня газа

2.1 Описание выбранных датчиков для измерения уровня газа

Для измерения уровня газа в проекте робота можно использовать различные датчики, способные обнаруживать и измерять концентрацию определенных газов в окружающей среде. Ниже приведены некоторые из них:

1. Газовые сенсоры: Это специальные датчики, которые реагируют на различные типы газов. Например, может использоваться метановый датчик для обнаружения и измерения концентрации метана. Такие датчики часто оснащены электрохимическими или полупроводниковыми сенсорами, которые генерируют сигналы пропорциональные концентрации газа.

2. Инфракрасные оптические датчики: Эти датчики измеряют концентрацию газов путем их поглощения инфракрасного излучения. Они обычно используются для обнаружения угарного газа и других газов, способных поглощать инфракрасное излучение в определенном диапазоне.

3. Электрохимические датчики: Эти датчики основаны на электрохимических реакциях, происходящих между газом и электродами внутри датчика. Они широко применяются для измерения концентрации газов, таких как кислород, угарный газ и другие токсичные газы.

4. Термосопротивления и термопары: Эти типы датчиков могут использоваться для измерения температуры окружающей среды, что может быть полезным при анализе уровня определенных газов. Например, повышение температуры окружающей среды может указывать на повышенную концентрацию определенного газа.

5. Датчики влажности: Измерение влажности окружающей среды также может быть полезным при анализе уровня газов. Повышенная влажность может указывать на наличие определенных газов, так как некоторые газы могут вызывать конденсацию и повышенную влажность.

Для нашего проекта мы решили установить простые портативные газоанализаторы с двумя индикаторами. В основе принципа действия прибора — зависимость теплопроводности смеси от количества углекислого газа. Так, у диоксида углерода теплопроводность ниже, чем у других компонентов.

Главная часть анализатора — сравнительная схема переменного тока — состоит из рабочего, сравнительного и компенсационного мостов. Чувствительные элементы построенного по дифференциальной схеме рабочего моста находятся в закрытых ампулах. Два элемента взаимодействуют с анализируемым газом, а два других — с контрольным. Благодаря кислороду проверяемый газ движется вдоль нагревательных элементов. Это меняет сопротивление резисторов R1 и R2, поскольку первый остывает, а второй нагревается. В результате разница сопротивлений, которая связана с концентрацией кислорода, вызывает разбаланс моста. Это изменяет выходное напряжение — его измеряет вторичный прибор с процентной градуировкой.

2.2 Проектирование механической части робота для обеспечения достаточной маневренности и устойчивости

Проектирование робота для анализа уровня газа – это задача, требующая значительного внимания к деталям и особых технических решений. Важными аспектами данного проекта являются выбор подходящей платформы робота, интеграция необходимых датчиков, разработка соответствующего программного обеспечения и обеспечение безопасности в работе с опасными газами(Рисунок 2.2.1, Приложения)..

Было принято использовать специализированного робота для проведения анализа уровня газа(Рисунок 2.2.2, Приложения).. Изначально задумкой была создать шагающего робота с использованием конструктора Spike Prime. Однако в процессе разработки стало ясно, что он не обладает достаточной маневренностью и устойчивостью. Второй робот, также собранный с помощью конструктора Lego Spike Prime, имел форму черепашки и мог поворачиваться при помощи гироскопа. Однако его конечности оказались слишком маленькими и короткими, и при попытке их удлиннить, его передвижение стало невозможным. В итоге, нами было принято решение заменить его на робота с гусеничным ходом.

 У гусеничного робота есть два больших мотора, которые отвечают за движение гусениц(Рисунок 2.2.3, Приложения).. Также у робота есть ультразвуковой датчик, который видит препятствия и объезжает их(Рисунок 2.2.4, Приложения)..  Над роботом прикреплена коробочка, в которой находится газоанализатор. Внутри коробочки есть два датчика - индикатора(Рисунок 2.2.5, Приложения): когда достигается минимальная концентрация газа – загорается первый индикатор, а когда достигается максимально допустимая концентрация газа – загорается второй индикатор. 

2.3 Описание программы для работы робота

Программа для работы робота создавалась в программном обеспечении Lego Mindstorms EV3.

Без программы робот — просто «статуя». Это может быть прекрасная

статуя, но все равно это всего лишь статуя. Программируя

робота, вы наделяете его способностями: двигаться, перемещаться

по заданной линии, обходить предметы, выполнять математические

вычисления и делать многое другое. Программное обеспечение

EV3 имеет интуитивно понятный графический интерфейс, который

могут легко освоить и успешно использовать пользователи в

возрасте от 10 до 100 лет.

Среда программирования EV3 состоит из следующих основных

областей:

1. Область программирования— здесь вы располагаете свою

программу.

2. Палитры программирования— здесь вы найдете блоки для

вашей программы.

3. Страница аппаратных средств— здесь вы устанавливаете

и управляете связью с модулем EV3 и видите, как подключены

моторы и датчики. Здесь вы также загружаете программы

в модуль EV3.

4. Редактор контента— электронная тетрадь, встроенная в

программное обеспечение. Получите инструкции или

задокументируйте свой проект, используя текст,

изображения и видео.

5. Панель инструментов программирования— здесь вы найдете

основные инструменты для работы с вашей программой.

Более подробную информацию об этих инструментах вы

найдете в меню «Справка» программного обеспечения EV3.

Программа для нашего робота начинается с блока «запуск» от которого идет две ветви дальнейших действий. Робот одновременно едет и проверяет при помощи ультразвукового датчика есть ли перед ним препятствия. Вторая программа нацелена на получение сигнала от газоанализатора, который будет улавливаться датчиками цвета в режиме измерения уровня освещённости(Рисунок 2.3.1, Приложения)..

Заключение

В заключение, проектирование робота для анализа уровня газа является важной и актуальной задачей. Правильный выбор датчиков для измерения уровня газа является ключевым аспектом в достижении точных и надежных результатов. В данном проекте были рассмотрены различные типы датчиков, такие как газовые сенсоры, инфракрасные оптические датчики, электрохимические датчики, термосопротивления и термопары, а также датчики влажности.

Каждый из этих датчиков обладает своими преимуществами и ограничениями, и выбор конкретного датчика должен основываться на задачах и требованиях проекта. Применение сочетания нескольких различных датчиков может улучшить качество и точность измерений.

Однако робот для анализа уровня газа – это не только выбор и установка датчиков, но и важные аспекты, такие как механическая конструкция, энергопитание, передача данных и программное обеспечение. Эти факторы также следует учитывать при разработке робота.

В целом, реализация проекта робота для анализа уровня газа является сложным и многогранным процессом, который требует внимания к деталям и учета всех аспектов проектирования. Однако, с правильным подходом и использованием соответствующих датчиков, такой робот может быть полезным инструментом в различных промышленных, научно-исследовательских и других сферах.

Список использованных источников

  1. https://cyberleninka.ru/article/n/o-primenenii-individualnyh-gazoanalizatorov-v-shahte-gornaya-promyshlennost

  2. https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fphy.2022.1058475/full

  3. https://заводы.рф/publication/ugol-svoystva-sposoby-pererabotki-primenenie

  4. https://www.cdc.gov/Niosh/mining/features/coalmineexplosion.html

  5. https://studopedia.ru/3_206819_predotvrashchenie-i-kontrol-zagazovannosti-gornih-virabotok.html

ПРИЛОЖЕНИЯ

Рисунок 1.1.1 Добыча угля Рисунок 1.1.2 Способы добычи

Рисунок 1.1.3 Шахтная добыча Рисунок 1.2.1 анализ уровня газа

Рисунок 2.2.1 Робот вид сбоку Рисунок 2.2.2 Робот сверху

Рисунок 2.2.3 УЗД Рисунок 2.2.4 гусеничный механизм

Рисунок 2.2.5 датчики для считывания показаний газоанализатора

Рисунок 2.3.1 Программа для работы робота

Просмотров работы: 46