Поисковый робот для обнаружения утечек газа

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

Поисковый робот для обнаружения утечек газа

Алтышкин А.В. 1
1ГБОУ СОШ №5 9А
Альмеев Р.И. 1Артёмова Д.Т. 2
1СФ СамГТУ
2ГБОУ СОШ №5 9А
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Актуальность Роботизация диагностики шахт и рудников является актуальной на сегодняшний день. Летального исхода добывающих шахтах можно было бы избежать при использовании робота, способного определять загазованность помещений. Он способен своевременно оповещать о повышении концентрации метана, опасного для жизни человека на конкретной территории.

Проблема.

В настоящее время большая часть смертей в шахтах происходит из-за утечек газа.

Цель: Разработать конструкцию мобильного робота для контроля утечек газа

Задачи:

1.Провести обзор литературных источников по проблеме контроля утечек газов в угольных шахтах и способах её решения

2.Предложить способ контроля утечек газов в угольных шахтах с использованием мобильного робота

3.Спроектировать конструкцию и разработать ПО для мобильного робота

4.Изготовить опытный образец (макет) мобильного робота и провести его испытание

1. Содержание газа в угольных шахтах

Содержание кислорода в воздухе выработок, в которых находятся или могут находиться люди, должно составлять не менее 20% (по объему). Содержание водорода в зарядных камерах не должно превышать 0,5%. Концентрация вредных газов в воздухе действующих подземных выработок не должна быть выше предельно допустимой, приведенной в табл. В случае применения материалов или технологических процессов, при которых возможно выделение других вредных веществ, контроль за их содержанием должен осуществляться в соответствии с требованиями государственных стандартов. Перед допуском людей в выработку после взрывных работ содержание вредных газов, не должно превышать 0,008% по объему в пересчете на условный оксид углерода. Такое разжижение вредных газов должно достигаться не более чем за 30 мин после взрывания зарядов. При проверке достаточности разжижения вредных продуктов взрыва 1 л диоксида азота следует принимать эквивалентным 6,5 л оксида углерода.

Контроль концентрации метана в газовых шахтах должен осуществляться во всех выработках, где может выделяться или скопляться метан. Места и периодичность замеров устанавливаются начальником участка ВТБ и утверждаются главным инженером шахты.

Состояние воздушной среды в рабочих помещениях оценивают содержанием характерных для данного производства вредных веществ (С) и сопоставлением найденных значений с величинами соответствующих предельно допустимых концентраций (ПДК), выраженных в одних и тех же размерностях (мг/м3)

Состояние воздушной среды считается соответствующим требованиям санитарных норм, если отношение величин фактических концентраций вредных веществ к предельно допустимой не превышает единицы

При наличии в воздухе рабочих помещений нескольких вредных веществ с однонаправленным токсическим действием состояние воздушной среды оценивают суммированием безразмерных величин, характеризующих отношение фактических концентраций токсических веществ к их ПДК.

2.Жертвы утечек газов в угольных шахтах в России и В Китае

Шахта «Ульяновская» 2007 год.

110 погибших

Шахта «Распадская» 2010 год.

91 погибший

Шахта «Зыряновская» 1997 год.

67 погибших

Шахта «Тайжина» 2004 год.

47 погибших

Шахта «Юбилейная» 2007 год.

39 погибших

Шахта «Северная» 2016 год.

36 погибших

Шахта «Центральная» (Копейск) 1993 год.

28 погибших

Шахта «Центральная» (Воркута) 1998 год.

27 погибших

"Чэньцзяшань" 2004

166 погибли

"Суньцзявань" 2005

210 погибли

"Синьсин" 2009

108 погибли

"Бабао" 2013

11 погибли

“Сычжуан “2011

35 погибли

"Гоминь"2010

43 погибли

“Чунцин “2009

25 погибли

"Чанъюань"2006

32 погибли

Шахта «Есаульская» 2005 год.

25 человек

 

3.Альтернативные виды роботов

Вариант 1. Поиск и обнаружение утечек газа на промышленных и коммунальных объектах крайне важный аспект обеспечения безопасности людей и сохранности оборудования. Обнаружение утечки газа производится как стационарными газовыми детекторами, так и ручным обследованием с использованием газовых течеискателей. Квалифицированный персонал, пользуясь детектором утечки газа, производит обход и сканирование газового оборудования и газопроводов.

Робот, созданный для автоматического обследования объектов нефтегазовой инфраструктуры с целью дистанционного обнаружения и локализации утечки газа, в автоматическом режиме совершает проезд по заранее проложенному маршруту и производит дистанционные замеры концентрации газа в непосредственной близости от мест возможной утечки.

Измерение концентрации газа производится лазерным лучом методом атомно-абсорбционной спектроскопии. Поскольку измерения производятся точечно, прибор установлен на подвижной платформе 3х степеней свободы. Гиростабилизированная платформа позволяет производить быстрое и высокоточное сканирование.

На подвижной платформе также размещены две камеры - видимого и инфракрасного спектра - которые обеспечивают получение двух спектрального изображения утечки и позволяют точно определить ее местоположение на части оборудования. Изображение с этих камер передаётся оператору через WiFi вместе с показаниями дистанционного измерителя утечки газа. В случае высокой концентрации газа, оператору подается сигнал тревоги.

Для обеспечения наилучшего результата и учета влияния ветра, мобильный робот оснащен анемометром.

Робот обнаружения и локализации утечек газа, созданный на базе автономного робота SRX1, позволяет с минимальными затратами проводить регулярные инспекции газовой инфраструктуры, газопроводов без непосредственного участия человека. Своевременно обнаружить скрытые угрозы и тем самым предотвратить, возможно, несоизмеримо большие потери. Использование робота целесообразно на объектах с малым количеством персонала или безлюдных газовых станциях.

Вариант 2 . Частью, обеспечивающей передвижение, является шагающий восьминогий робот. Шагающий робот — это машина относительно медленная в перемещении. Её скорость зависит от числа ног, которое имеет машина. Корпус робота вмещает все необходимые подсистемы робота и обеспечивает место для крепления 8 ног. При шагающем движении робот попеременно опирается на четыре из восьми ног: две несмежные ноги с одной стороны корпуса и две несмежные с другой. Корпус робота и расположение ног позволяют передвигаться по шахте. Для шагающего робота необходима нога, обеспечивающая контакт с землей в точке. Таким образом, можно использовать ногу с 3 степенями свободы. У манипулятора робота имеется газовый датчик, который используется для обнаружения утечки газа в шахте. Данный датчик быстро распознает метан, природный газ, сжиженный природный газ, при этом он не реагирует на запах алкоголя и дыма. При обнаружении роботом утечки газа, его местонахождение отмечается в базе данных системы. Затем следует анализ состава. В случае повышенной концентрации газа поступают сигналы тревоги. Конструкция газового датчика показана на рис. 2, датчик состоит из керамической трубки, слоя, распознающего газ, измерительного электрода и нагревательной катушки, фиксируемых в корпусе сеткой из нержавеющей стали. Нагревательная пружина обеспечивает необходимые условия работы для чувствительных компонентов. Датчик имеет 6-контактов, 4 из них используются для распознавания сигналов, а оставшиеся 2 используются для подачи тока накаливания.

Робот можно применять для исследования шахт и рудников в процессе работы шахтеров для диагностики загазованности пространства. В настоящее время существует необходимость заблаговременного обнаружения и устранения утечки или наличия газа, поэтому робототехническая операция актуальна для проведения подобного рода работ. Возможно использование в труднодоступных местах шахты или рудника для точного мониторинга состояния безопасности участка. В этом случае робот имеет преимущество перед другими видами контроля.

4.Плюсы и минусы вариантов

Плюсы 1 варианта

Минусы 1 варианта

Измерение концентрации газа производится лазерным лучом методом атомно-абсорбционной спектроскопии.

Не практичная система передвижения

позволяет с минимальными затратами проводить регулярные инспекции газовой инфраструктуры, газопроводов без непосредственного участия человека.

Малая проходимость из-за того что робот построен на основе из колёс

На подвижной платформе также размещены две камеры - видимого и инфракрасного спектра - которые обеспечивают получение двух спектрального изображения утечки и позволяют точно определить ее местоположение на части оборудования.

Использование робота целесообразно на объектах с малым количеством персонала или безлюдных газовых станциях.

Плюсы 2 варианта

Минусы 2 варианта

Мобильность

Малая проходимость

Данный датчик быстро распознает метан, природный газ, сжиженный природный газ, при этом он не реагирует на запах алкоголя и дыма.

Высокий шанс сбоя из-за передвигательной системы

В случае повышенной концентрации газа поступают сигналы тревоги

При сбое одной опоры робот не способен продолжать движение

Нагревательная пружина обеспечивает необходимые условия работы для чувствительных компонентов.

5.Не передвижные датчики

Характеристики неподвижных датчиков

В настоящее время в шахтах зачастую используют не передвижные системы вычисления утечек газов , однако я считаю что роботы более практичны и менее затраты. Датчики по характеристикам должны быть расположены на всем периметре. Робот может 1 проехать всё помещение.

В данной таблице можно рассмотреть все характеристики не передвижных газоанализаторов

Датчики

MH-440D

MH-410D

MH-490W

MH-Z12

Рабочее напряжение

3.5 ~ 5.5V DC

3.5 ~ 5.5V DC

3.5 ~ 5.5V DC

4-6V

Потребляемый ток

75 ~ 85mA

75 ~ 85mA

75 ~ 85mA

максимальный

Просмотров работы: 142