Технические науки/ 6.Электротехника и радиоэлектроника.

Мехтиев А.Д., Таткеева Г.Г., Таранов А.В., Баландин В.С.,
Биличенко А. П. Югай В.В. Эйрих В.И.

Карагандинский государственный технический университет

Определение концентрации метана с помощью сенсорных сетей информационно-измерительной системы

Увеличение интенсивности добычи угля сопровождается ростом метанообильности (газообильности), повышением метаноопасности и ухудшением технико-экономических условий работы шахт. На предприятиях угледобывающей отрасли остро стоит задача мониторинга технологических процессов и в частности контроля метана в горных выработках. Использование кабельных коммуникаций для сбора данных с различных датчиков затруднительно, а иногда и невозможно (например, если речь идет о мониторинге персонала шахты). Постоянное снижение стоимости беспроводных решений и повышение их эксплуатационных характеристик позволяют постепенно отказываться от проводов и проводных сетей в системах сбора телеметрических данных, диагностики оборудования и обмена информацией. Использование сетей беспроводных устройств позволяет создать диспетчерскую систему, обеспечивающую оператору непрерывный доступ к информации о состоянии обслуживаемых объектов.

На участках угольных пластов с высокой природной метаноносностью выделившийся метан создает две проблемы. Первая проблема: достижение такой же нагрузки на забой, как и на пластах меньшей метаноносности. Вторая проблема: обеспечение безопасных условий для людей. Опасность проявляется в возгораниях и взрывах метановоздушной смеси, во внезапном выбросе метана из разрушенного угля в выработку во время выполнения людьми производственных процессов. Пока обе эти проблемы не решены на метаноносных пластах. Отсутствие постоянного контроля содержания метана в горных выработках не позволяет объективно оценить эффективность дегазации и не обеспечивает безопасных условий для шахтеров. Поэтому разработка отечественной информационно-измерительной системы для определения концентрации метана в горных выработках является актуальной задачей.

Электрофизика диэлектрических кристаллов является классическим разделом современной физики твердого тела. Изучение процессов пробоя, диэлектрической релаксации, сегнетоэлектрических и пьезоэлектрических свойств стимулировалось развитием энергетики, передачи электроэнергии на большие расстояния, электротехники и радиотехники. Однако середина шестидесятых годов двадцатого века ознаменовалась бурным развитием раздела физики твердого тела, связанного с исследованиями ионного транспорта. Возникло новое научное направление- физика суперионных кристаллов или, как еще принято их называть, твердых электролитов. Электропроводность твердых электролитов оказалась такой высокой, что для ее объяснения потребовалось разделение общей решетки кристаллов на две фазы: упорядоченной, состоящей из тяжелых структурных единиц, и неупорядоченной, образованной структурными единицами, обладающими высокой подвижностью.

Начало XXI века ознаменовалось бурным вторжением нанотехнологий во все области науки и техники. И в физике твердых электролитов появились новые направления, связанные с синтезом твердых композитов на основе нанотехнологий. Появились новые сенсоры различных физических параметров твердых тел, жидкостей и газов.

Целью проекта является разработка отечественной информационно-измерительной системы на основе твердого электролита для определения концентрации метана в угольных пластах, горных выработках и газопроводах.

Совершенствование известных и разработка новых материалов для газовых сенсоров и подобных устройств составляют одну из важнейших задач современной физической химии твердого тела

Анализ современного состояния ценообразования в области проектирования и создания информационно-измерительных систем создает впечатление о невозможности разработки современных отечественных информационно-измерительных систем. Однако, это не так и ситуация выглядит иначе, чем это кажется на первый взгляд.

Уменьшить цену отечественных информационно-измерительных систем и выиграть в конкурентной борьбе, можно только за счет увеличения получаемой информации от датчиков (сенсоров).

Это возможно в следующих случаях:

- путем создания новых типов датчиков (сенсоров);

- путем новых схематических решений по получению и обработки информации;

- путем использования отечественных материалов и ресурсов.

Для решения данных задач можно использовать современные технические возможности систем различной архитектуры и сложности: от управления отдельными механизмами до систем, охватывающих контроль процессов и параметров всего предприятия.

Новейшие технологии беспроводной связи и прогресс в области производства микросхем позволили в течение последних нескольких лет перейти к практической разработке и внедрению нового класса распределенных коммуникационных систем — сенсорных сетей.

Сенсорные сети представляют собой распределенное в пространстве множество датчиков метана и исполнительных устройств, объединенных между собой посредством радиоканала.

Приведенные выше сведения являются результатом работы в рамках проекта грантового финансирования научных исследований МОН РК по теме «Разработка и внедрение в производство отечественной информационно-измерительной системы для определения концентрации метана»