Персональный шахтёрский пылемер PDM

Материал из MiningWiki — свободной шахтёрской энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Лабораторные и производственные испытания нового персонального пылемера, измеряющего концентрацию респирабельной пыли в реальном масштабе времени

Laboratory and Field Performance of a Continuously Measuring Personal Respirable Dust Monitor

Обложка перевода документа NIOSH "Персональный пылемер PDM"

Отчёт о проведении исследования, № 9669

Report of Investigations 9669

Авторы: Джон Волквейн, Роберт Винсон, Стивен Пейдж, Линда Мак-Вильямс, Джеральд Джой, Стивен Михлер, Дональд Тачман

By Jon C. Volkwein, Robert P. Vinson, Steven J. Page, Linda J. McWilliams, Gerald J. Joy, Steven E. Mischler, and Donald P. Tuchman


Министерство здравоохранения и социального обеспечения (США)

Центры по контролю и профилактике заболеваний

Национальный Институт охраны труда (NIOSH)

Исследовательская лаборатория NIOSH в Питтсбурге Pittsburgh Research Laboratory


DHHS (NIOSH) Publication No. 2006–145


Питтсбург, Пенсильвания

Сентябрь 2006


Как получить документы:

Копии документов Национального института охраны труда (NIOSH) и другую информацию по вопросам охраны труда и техники безопасности Вы можете получить, обратившись в NIOSH по адресу:

4676 Columbia Parkway Cincinnati, OH 45226–1998

Fax: 513–533–8573 Телефон: 1–800–35–NIOSH (1–800–356–4674) e-mail: pubstaft@cdc.gov

Интернет-сайт: www.cdc.gov/niosh


Результаты и выводы исследования, описанные в этом отчёта, не являются официальной позицией NIOSH.


Правовая оговорка: упоминание любой компании или продукции не означает, что это одобряется NIOSH. Кроме того, ссылки на веб-сайты, вне сайта NIOSH, не означают, что Институт одобряет использование продукции или программ этих организаций. Институт не несёт ответственности за информацию, содержащуюся на таких сайтах.


Отчёт о проведении исследования, № 9669 Report of Investigations 9669


Авторы: Джон С. Волквейн1, Роберт П. Винсон2, Стивен Дж. Пейдж3, Линда Дж. Мак-Вильямс4, Джеральд Дж. Джой5, Дональд П. Тачман5, Стивен Е. Михлер6 (Jon C. Volkwein, Robert P. Vinson, Steven J. Page, Linda J. McWilliams, Gerald J. Joy, Donald P. Tuchman, Steven E. Mischler)

1 – исследователь-физик (research physical scientist); 2 – физик (physicist); 3 - исследователь-физик (research physicist); 4 – статистик (statistician); 5 – промышленный гигиенист (industrial hygienist); и 6 – физик (physical scientist).


Питтсбургская исследовательская лаборатория Национального института охраны труда; Питтсбург, Пенсильвания.

Pittsburgh Research Laboratory, National Institute for Occupational Safety and Health, Pittsburgh, PA.

Содержание

Предисловие к переводу[править]

Добыча полезных ископаемых нередко сопровождается загрязнением воздуха пылью из-за несовершенства используемых технологических процессов, машин, износа оборудования, и из-за недостаточного внимания работодателя к сбережению здоровья рабочих. Но вдыхание даже нетоксичной, инертной пыли может привести к развитию неизлечимых и необратимых заболеваний – пневмокониозов (антракоз, силикоз и др.). В СНГ это происходит на фоне разрушения системы профилактики профессиональных заболеваний, созданной в СССР; неблагоприятной экономической ситуации; и продолжающейся с 1930-х не-регистрации большей части профзаболеваний[1]. Это приводит к закономерным последствиям: Так, по данным руководителя Ростовского центра профпатологии Ирины Пиктушанской († 05.2015), процесс инвалидизации шахтёров значительно ускорился – теперь это происходит через 4 месяца после постановки первичного диагноза, а не через 20 лет, как было в 1960-е. Срок дожития шахтёров после постановки диагноза профзаболевания за полвека (вопреки прогрессу науки) тоже сократился – с 38 до 4 лет в среднем[2] .

Министерство труда РФ принимает различные меры для защиты рабочих от вредных производственных факторов. На смену аттестации рабочих мест АРМ, которую игнорировало большинство работодателей, пришла специальная оценка условий труда. В отличие от АРМ, она позволяет работодателю улучшить условия труда за счёт выдачи рабочим средств индивидуальной защиты СИЗ (то есть – не меняя сами условия труда), а закупка СИЗ может быть оплачена за счёт отчислений работодателя в Фонд социального страхования. Это делает спецоценку более привлекательной для работодателя, и возможно, надежда снизить классы труда (а заодно – отчисления и другие обременительные для бизнеса расходы) стимулирует проводить такую спецоценку чаще, чем проводилась АРМ.

При этом работодатель обязан обеспечивать рабочих эффективными СИЗ, соответствующими условиям труда. В отношении СИЗ органов дыхания (респираторов, СИЗОД) – это требование у шахтёров скорее нарушается, чем выполняется. Если при подземной добыче полезных ископаемых запылённость может превышать 1 грамм/м3[3], и часто составляет сотни мг/м3, то необходимы респираторы, снижающие запылённость вдыхаемого воздуха в сотни раз. Исследования показали, что такую эффективность могут обеспечить изолирующие СИЗОД с принудительной подачей воздуха под лицевую часть по потребности под давлением (так, чтобы во время вдоха давление было выше наружного для исключения просачивания неотфильтрованного воздуха через зазоры между маской и лицом); или фильтрующие СИЗОД с принудительной подачей воздуха под полнолицевую маску[4]. Но на практике шахтёрам выдают полумаски без принудительной подачи воздуха – самые неэффективные из всех респираторов. Результаты исследований эффективности СИЗОД (и западных - на рабочих местах (обзор[5]), так и лабораторных исследований советских моделей[6]), показавших низкие защитные свойства полумасок – игнорируются. Игнорируется и то, что шахтёры не могут применять респираторы непрерывно, что по определению не позволяет обеспечить их эффективную защиту при большой запылённости с помощью СИЗОД. В то время, как в развитых странах законодательство однозначно определяет порядок выбора и организации использования респираторов (достаточно эффективных при своевременном использовании); в РФ изготовители необоснованно завышают эффективность своей продукции на порядки – см. фото полумаски Artrix). Сочетание использования малоэффективных СИЗОД и большой концентрации пыли создаёт недопустимо высокий риск развития профзаболеваний.

Изготовители этого изделия гарантируют потребителю снижение загрязнённости вдыхаемого воздуха в 5 000 раз (КЗ=5000). При этом игнорируются результаты многочисленных научных исследований респираторов аналогичной конструкции, которые показали, что во время работы полумаска может сползти, и просачивание неотфильтрованного воздуха может в отдельных случаях достигать 40% от вдыхаемого. Использование рекомендаций изготовителей, которые значительно и необоснованно завышают эффективность своей продукции, может привести к использованию средств индивидуальной защиты органов дыхания в таких условиях, в которых они не смогут защитить рабочих уже по самой своей конструкции. Выбор заведомо недостаточно эффективных средств защиты вносит свой вклад в рост профессиональной заболеваемости в РФ и странах СНГ.
Купленная одним из олигархов яхта, не используемая для санаторно-курортного лечения больных горнорабочих

С другой стороны, воздействие нетоксичной (фиброгенной) пыли на шахтёров ограничено как максимальная среднесменная концентрация, и для определения эффективности защиты нужно измерять именно её. Но на сайте Госреестра средств измерений в 2015г не было ни одного устройства, способного проводить длительные замеры во взрывоопасной атмосфере. (Такие пробоотборные электрические насосы есть, но изготовители не сертифицировани их). Это затрудняет проведение полноценного контроля за условиями труда, оценку эффективности средств коллективной защиты от пыли, и мешает улучшению условий труда.

Может быть, ознакомление с передовым зарубежным опытом поможет найти пути улучшения защиты российских шахтёров от пыли. В настоящем переводе описана часть исследований персонального пылемера, разработанного для шахтёров-угольщиков США. Прибор позволяет определять массовую концентрацию пыли (без учёта химического состава) в реальном масштабе времени, что позволяет оперативно выявлять увеличение воздействия пыли, устанавливать причину увеличения, и принимать корректирующие меры. По данным доклада руководителя MSHA Джо Мэйна[7], в законодательство внесены изменения, и с февраля 2016г все компании, добывающие уголь под землёй, обязаны использовать эти пылемеры для определения воздействия пыли на всех шахтёров, работающих в наиболее пыльных местах[8].

Хотя описанный прибор измеряет концентрацию не всей, а респирабельной пыли, и при достаточно низкой запылённости, можно заметить, что существуют технические возможности измерять таким же способом более высокие концентрации всей пыли. Подача воздуха в микровесы без предварительной очистки циклоном позволит улавливать всю пыль (не только респирабельную), а уменьшение расхода воздуха и/или включение подачи воздуха периодически - уменьшит массу пыли на фильтре даже при сильно загрязнённой атмосфере. Отсутствие циклона может позволить использовать недорогой мембранный насос, снизит сопротивление (что в сочетании с уменьшением объёма прокачиваемого воздуха снизит потребности в электроэнергии, а это позволит облегчить и удешевить аккумуляторы).

Но эта возможность пока не реализована. В то время как работодатели в США обеспечивают своих шахтёров пылемерами (стоимостью более 20 тыс $), их коллеги в РФ предпочитают тратить деньги на покупку яхт – используя их не для саноторно-курортного лечения шахтёров, у которых антракоз и силикоз перешли в лёгочное сердце. Это отличие отчасти может объясняться незначительной долей регистрируемых профзаболеваний, и конфликтом интересов – сохранение жизни и здоровья свидетелей приватизации потенциально может быть невыгодно тем, кто сумел эффективно расхитить народнохозяйственную собственность СССР. Остаётся надеяться, что государство перестанет игнорировать свои регулирующие обязанности, и станет более эффективно стимулировать работодателя улучшать условия труда.

Ссылки к предисловию

  1. Измеров Н.Ф., Кириллов В.Ф. - ред. Гигиена труда. — Москва: ГЭОТАР-Медиа, 2010. — С. 13-14 — 2000 экз. — ISBN 978-5-9704-1593-1.
  2. Пиктушанская Ирина Николаевна Поводов для критики не убавилось // Группа изданий «Охрана труда и социальное страхование» Медицина труда и экология (под обложкой журнала «Охрана труда. Практикум»). — Москва: 2013. — № 2. — С. (71-77).
  3. Дрёмов А.В. Обоснование рациональных параметров обеспыливания в комбайновом проходческом забое : автореферат дис. кандидата технических наук: 05.26.01 / [Место защиты: МГГУ]
  4. Nancy Bollinger NIOSH Respirator Selection Logic. — NIOSH. — Cincinnati, OH: National Institute for Occupational Safety and Health, 2004. — 32 p. — (DHHS (NIOSH) Publication No 2005-100). Есть перевод: PDF Wiki
  5. Кириллов ВФ, Филин АС, Чиркин АВ Обзор результатов производственных испытаний средств индивидуальной защиты органов дыхания (СИЗОД) (ru) // ФБУЗ "Российский регистр потенциально опасных химических и биологических веществ" Роспотребнадзора Токсикологический Вестник. — Москва: 2014. — № 6. — С. 44-49. — ISSN 0869-7922. — DOI:10.17686/sced_rusnauka_2014-1034 PDF Wiki
  6. Голінько В.І., Наумов М.М., Чеберячко С.І., Радчук Д.І. Дослідження захисної ефективності вітчизняних одноразових протипилових респіраторів за європейськими стандартами. Металлургическая и горнорудная промышленность (2011), № 5 с. 118-121
  7. Джо Мэйн, руководитель MSHA. Announcement today at U.S. House of Representatives oversight hearing - over 41,000 respirable dust samples show mines can meet new dust rule 23 апреля 2015г.
  8. A Rule by the Mine Safety and Health Administration on 05/01/2014. Lowering Miners' Exposure to Respirable Coal Mine Dust, Including Continuous Personal Dust Monitors. C. Summary of Major Provisions.

Реферат[править]

Национальный институт охраны труда (NIOSH, далее в тексте – Институт – прим.), в сотрудничестве с промышленностью, профсоюзами, а также Управлением по охране труда при добыче полезных ископаемых (Управление по безопасности и охране труда на шахтах, (MSHA)) разработал и исследовал новый вид измерительного оборудования – персональный пылемер (personal dust monitor, PDM). Это устройство интегрировано в лампу на шахтёрской каске, и непрерывно даёт информацию о концентрации респирабельной угольной пыли в зоне дыхания рабочего. Для того, чтобы подтвердить обеспечиваемую точность измерений – как после получения от изготовителя, так и после того, как они использовались шахтёрами на рабочих местах - была проведена лабораторная проверка 25 прототипов таких пылемеров в лабораторных условиях. Эта лабораторная проверка подтвердила ранее полученные результаты: измеренные этими пылемерами концентрации находятся в пределах 95% доверительного предела при допускаемой погрешности ±25% по отношению к «базовому» значению. Испытания на рабочих местах, в шахтах, позволили определить точность и надёжность пылемера, и то, как к нему относятся шахтёры. Эти результаты показали, что в таких условиях погрешность составляет: относительное стандартное отклонение 0,078% у пылемера PDM; и 0,052% у (используемого сейчас) стандартного персонального пылемера. (Испытания показали, что) этот пылемер даёт достоверную информацию о запылённости с вероятностью 90% в течение более чем 8000 часов работы под землёй. Краткие отзывы шахтёров об устройстве показывают, что они считают его более удобным в применении, чем стандартный пылемер, так как новое устройство встроено в используемую шахтёрами лампу на каске. Средние значения погрешности измерений, полученные до и после испытаний на рабочих местах (под землёй) оказались статистически равными. Было проведено дополнительное исследование для сопоставления нового пылемера с аналогичным английским прибором (U.K. Mining Research Establishment sampler) как это требует законодательство США. Однако при увеличении концентрации (обнаружилась) изменчивость, и это потребовало использования более сложных статистических методов, что затруднило проведение анализа результатов измерений. Результаты этой работы, и их объяснение будут описаны в следующей публикации. При использовании нового пылемера в разнообразных производственных условиях, охваченных этой работой, устройство показало себя как такой же точный, надёжный и удобный измеритель запылённости, как и уже используемый сейчас стандартный пылемер.

Введение[править]

Измерение концентрации пыли в воздухе на рабочем месте, по существу, является первым шагом на пути профилактики (неизлечимых и необратимых) заболеваний органов дыхания, развивающихся при вдыхании чрезмерного количества пыли. Закон об охране труда на угольных шахтах 1969г (Federal Coal Mine Health and Safety Act of 1969), принятый перед аналогичным законом 1977г (Federal Mine Safety and Health Act of 1977), обязывает (работодателя) обеспечить среднесменную запылённость не более 2 мг/м3 по респирабельной фракции угольной пыли (по данным специалистов, одновременно измерявших концентрации и респирабельной, и всей пыли в угольных шахтах Великобритании, концентрация всей пыли в среднем в 5-20 раз выше, чем концентрация респирабельной пыли – прим.), а также проводить измерения концентрации пыли. Сейчас (2006г) для определения запылённости используется персональный пылемер (coal mine dust personal sampler unit CMDPSU), которые прокачивают воздух шахты через пробоотборный фильтр. Затем уловленная респирабельная пыль отправляется для анализа в лабораторию. Результаты анализа становятся известными на шахте через несколько дней после проведения замеров (или иногда – через несколько недель). После длительных попыток разработать пылемеры, которые бы измеряли концентрацию пыли непрерывно с помощью определения рассеивания света[1] (стационарное устройство), а также персонального пылемера[2], министр труда США и комитет, занимающийся профилактикой пневмокониозов у шахтёров-угольщиков (Federal Advisory Committee on the Elimination of Pneumoconiosis Among Coal Mine Workers[3]), дали указание Институту (NIOSH) начать исследования для улучшения оборудования, используемого для измерения запылённости в шахтах. После консультации с профсоюзами, промышленностью и правительством, Институт заключил контракт (CDC contract 200–98–8004) с компанией Rupprecht and Patashnick Co., Inc. (сейчас - Thermo Electron Corp., TEC, находится в Албани, штат Нью-Йорк), на разработку персонального пылемера (personal dust monitor PDM). Этот пылемер разрабатывался на основе (уже имевшегося) устройства для определения качества воздуха, который широко использовался для мониторинга. Важной особенностью этого прибора было то, что он измерял массу пыли на фильтре, не учитывая (химический) состав пыли, размер частиц, и их физические свойства. Выполнение работы по этому контракту позволило создать миниатюрный датчик, и разместить его в прототипе персонального пылемера, который давал точный результат измерений (уже) к концу смены (end-of-shift (EOS) data)[4]. Результаты проверки в лабораторных условиях показали, что для угольной пыли разных видов, при разном дисперсном распределении частиц, этот прибор измерял запылённость с погрешностью ± 25% с вероятностью 90% (по отношению к «базовому» значению). Результаты испытаний в шахтах показали, что статистически-значимых отличий в показаниях нового прибора и уже используемых пылемеров – нет. При проведении испытаний в шахтах, новая технология позволила получить успешные результаты в течение 108 смен, при попытках провести замеры в 115 случаях. Испытания в шахтах показали, что новый пылемер удобен в использовании, устойчиво работает, даёт точные и своевременные результаты, позволяющие контролировать запылённость, и предотвращать чрезмерное воздействие пыли, и что им легко пользоваться.

Получив обнадёживающие результаты испытаний прототипа пылемера как в лабораторных, так и в производственных условиях, Управление по охране труда при добыче полезных ископаемых (MSHA) в июне 2003г заявило, что оно приостановит все работы, относящиеся к завершению законотворческой деятельности, регулирующей защиту от пыли (проект был опубликован в марте 2003г), и сосредоточит усилия на ускорении исследований нового пылемера PDM[5]. Другие партнёры, участвовавшие в разработке пылемера (профсоюзы и промышленность) внесли вклад в разработку проекта испытаний (для оценки того, подходит ли прибор для использования в угольных шахтах; надёжен ли он при повседневном применении; и удобен ли он для применения шахтёрами). В другой части документа предписывается определить точность, чувствительность (accuracy), функциональность и работоспособность при длительном использовании прототипа пылемера – как в лабораторных условиях, так и в шахтах.

В настоящем документе описано изучение двух из трёх главных проверяемых параметров. Первый – лабораторная проверка того, что точность измерения пылемера, который будет выпускаться для продажи, соответствует точности прототипа прибора; и проверка сохранения точности пылемера после его применения в условиях шахт. Второй – проверка точности в подземных условиях как нового, так и уже используемого пылемеров, и импактора (используемого для определения дисперсного распределения частиц пыли). Тщательная проверка в подземных условиях также позволит определить технические характеристики пылемера при его повседневном использовании шахтёрами. Третий – определение того, соответствует ли новый пылемер требованиям английского стандарта (U.K. Mining Research Establishment MRE) и международного стандарта (International Organization for Standardization ISO) к приборам, используемым в шахтах. Проверка соответствия английскому и международному стандартам оказалась значительно сложнее, чем предполагалось изначально; и потребовала использования более сложной статистической модели, чем планировалось. Поэтому Институт (NIOSH) решил опубликовать уже выполненную часть работы в настоящем документе, а остальную – опубликовать в другом.

Для оценки риска развития профессиональных заболеваний, возникающих при вдыхании пыли, важно определить массу респирабельной (мелкодисперсной, наиболее опасной) фракции пыли. Международный стандарт ISO[6] рекомендует использовать определение того, какая часть пыли респирабельная, в соответствии с работой[7]. Но поскольку нет ни одного сепаратора респирабельной фракции, который бы абсолютно точно соответствовал указанной рекомендации, любое устройство будет давать результат измерений с какой-то присущей ему погрешностью. Например, широко используемый сепаратор респирабельной пыли – циклон Дорр-Оливер диаметром 10 мм, используемый в настоящее время в стандартном персональном пылемере CMDPSU – даёт погрешность как по отношению к международному стандарту, так и по отношению к английскому (British Medical Research Council BMRC)[8]. Определение респирабельной фракции пыли, разработанное BMRC, стало применяться и в MRE как показатель опасности пыли для здоровья рабочего. Для использования в составе нового пылемера, сепаратор респирабельной пыли должен был соответствовать тому условию, что он будет устанавливаться на каску. Был выбран циклон конструкции (Higgins-Dewell HD). Его первоначальные испытания показали, что он даёт небольшую погрешность по отношению к международному стандарту ISO[9].

В этом отчёте описаны принцип работы, конструкция и технические характеристики нового пылемера, и приводится его сравнение со стандартным традиционным гравиметрическим методом измерения запылённости; и функциональность устройства при его применении шахтёрами. Особое внимание уделено оценке точности измерений до и после его использования в шахтах, и точности в подземных условиях.

Описание нового пылемера PDM[править]

В настоящем отчёте описан вариант пылемера, который разработан и испытан, но который (пока ещё – 2006г – прим.) не поступает в продажу. Это изделие (Model 3600 PDM) работает точно так же, как и прототип пылемера, разработанный ранее по контракту. Отличие испытывавшегося пылемера от прототипа: более прочный корпус, улучшенный индикатор показаний, более эффективное управление потреблением энергии, улучшенное программное обеспечение. Этот пылемер разрабатывался с тем, чтобы устройство стало «практически незаметным» для шахтёра, и заменялось бы при плановой замене лампы на каске и аккумулятора, используемых сейчас большинством шахтёров.

Точное взвешивание уловленной пыли осуществляется с помощью специальных микровесов с колеблющимся чувствительным элементом (tapered-element oscillating microbalance TEOM). Эти микровесы позволяют пылемеру PDM получать результат измерений в реальном масштабе времени[10]. Аналогичные микровесы используются для определения массы пыли в атмосфере, в выхлопных газах дизельных двигателей, измерения запылённости воздуха в воздуховодах. Используемый метод измерений, основанный на использовании инерции уловленной пыли, позволяет получить результат, который по порогу чувствительности измерения соответствует наиболее чувствительным лабораторным микровесам. При разработке такого устройства, предназначенного для использования в составе пылемера в сложных и тяжёлых подземных условиях, пришлось решить ряд проблем. После многолетних усилий был разработан чувствительный элемент, который устанавливался на специальном основании, компенсирующем удары, и позволяющим обеспечить взвешивание уловленной пыли с точностью до микрограмм в сложных подземных условиях.

Фиг. 1. Конструкция пылемера PDM

Конструкция устройства[править]

Пылемер фактически является сочетанием шахтёрской лампы и измерителя концентрации респирабельной пыли. По весу и размерам он примерно соответствует используемым сейчас свинцовому аккумулятору и шахтёрской лампе. Пылемер состоит из трубки для отбора проб воздуха, циклона – сепаратора крупной (не-респирабельной) пыли, воздухонагревателя, измерителя массы пыли, аккумулятора для питания пылемера, аккумулятора для питания шахтёрской лампы, электронного блока управления и запоминания, индикатора показаний, и программного обеспечения на основе Windows (называется WinPDM; обеспечивает подключение к компьютеру). На Фиг. 1 показаны некоторые из этих компонент. Прочность корпуса пылемера увеличили, чтобы он выдержал условия подземного применения; и теперь устройство соответствует требованиям к прочности шахтёрских ламп при падении (MSHA drop test requirements for cap lamps; 30 CFR 77 Code of Federal Regulations. See CFR in references[11]), а также требованиям к безопасности (30 CFR 18).

В новом пылемере также имелся разъём, позволяющий подключать его к персональному компьютеру для скачивания результатов измерений и внесения изменений в программное обеспечение; и одновременно заряжать аккумулятор прибора для следующей смены (Фиг. 2).

Фиг. 2. Новый персональный пылемер PDM (версия, выпущенная изготовителем до начала продаж), присоединённый к белому блоку (слева), объединяющему зарядное устройство и обеспечивающему связь с персональным компьютером через интерфейс обмена RS–232

Движение воздуха, отбираемого для проведения измерений[править]

Запылённый воздух угольной шахты всасывается во входное отверстие воздуховода для отбора воздуха, находящееся около лампы на козырьке каски. Затем воздух движется по гибкому воздуховоду к циклону-сепаратору HD, который установлен на входе в прибор. Циклон улавливает крупную пыль, пропуская мелкую – такую, которая при вдыхании может дойти до лёгких (респирабельную). Пройдя через зону подогрева (что позволяет избежать конденсации влаги), воздух с респирабельной пылью попадает на датчик измерения массы пыли. При прохождении воздуха через этот датчик, установленный на нём заменяемый фильтр улавливает (респирабельную) пыль. Этот фильтр может заменяться механиком, обслуживающим пылемеры (Фиг. 3) в конце каждой смены, при очистке прибора.

Фиг. 3. Замена фильтров на чувствительном датчике микровесов с помощью специального приспособления.

Измерение и регулирование расхода воздуха[править]

После датчика измерения массы пыли, отфильтрованный воздух проходит через отверстие, и измеряется перепад давления при прохождении потока воздуха через это сужение. Измеренный перепад давления позволяет определить расход воздуха. В приборе также установлены датчики, измеряющие температуру и относительную влажность воздуха (до насоса). Их показания учитываются при управлении производительностью насоса так, чтобы обеспечить то разрежение, которое необходимо для корректного отбора проб воздуха. Другие датчики измеряют температуру воздуха вблизи циклона, а также давление воздуха в шахте. Эта информация используется прибором вместе со сведениями о температуре (отбираемого) потока воздуха около отверстия (расходомера) для определения (фактического) расхода воздуха через циклон HD. Полученная информация используется в системе обратной связи для того, чтобы расход воздухе через циклон был постоянным (2,2 л/мин), что обеспечит правильное разделение крупнодисперсной пыли и респирабельной пыли, в конкретных подземных условиях.

Источник питания[править]

Для электропитания пылемера и шахтёрской лампы используются два одинаковых аккумулятора. Их хватает на 12 часов работы как пылемера, так и лампы. Полностью разряженные аккумуляторы могут быть заряжены за 6 часов, что позволит использовать индикатор показаний прибора в максимальной степени. В приборе использованы новые аккумуляторы, использующие литий-ионную технологию (также используемую в персональных компьютерах), что обеспечивает большую ёмкость при небольшом размере, и хорошие характеристики в отношении времени зарядки и жизненного цикла. Благодаря большой ёмкости таких аккумуляторов при небольшом их размере, удалось разместить все аккумуляторы и сам пылемер в корпусе, соответствующем по размеру стандартному аккумулятору для шахтёрской лампы. Масса пылемера, который мы испытывали, составила 3 кг (6,6 фунтов).

Обработка результатов измерений[править]

Информация с датчиков, включая датчик массы уловленной пыли, поступала в микропроцессор в реальном масштабе времени. Это позволяло получать сведения о запылённости воздуха в зоне дыхания шахтёра с ежеминутным усреднением. Результаты измерений могут отображаться в реальном масштабе времени как в цифровом, так и в графическом виде. Также прибор измеряет параметры окружающей среды – температуру и давление воздуха, и перемещение прибора. Информация о концентрации пыли и параметрах окружающей среды сохраняется в памяти прибора порядка 20 полных смен. Эта информация может быть выбрана и скачана с прибора для анализа. В верхней части прибора находится дисплей с подсветкой, который непрерывно показывает информацию о концентрации пыли за предшествующие 30 минут, кумулятивную (среднюю с начала смены) массовую концентрацию пыли, и прогнозируемую среднесменную концентрацию пыли (к концу смены). С помощью дисплея шахтёр может оценить запылённость в любой момент времени, и эффективность пылезащитных мероприятий.

Информация о концентрации пыли и параметрах окружающей среды всегда доступна для шахтёра, но она защищена от искажения (фальсификации), так как доступ к ней ограничен. Кроме того, прибор может использоваться и шахтёрами, и административными работниками для кратковременных измерений концентрации пыли – таких, которые не повлияют на статистические показатели по полносменным замерам. Эта возможность может быть полезна при измерении эффективности различного вентиляционного или пылезащитного оборудования. Такие (внутри-сменные) замеры могут проводиться так часто, как это необходимо, а результаты таких измерений могут быть скачаны вместе защищёнными от фальсификаций результатами измерений запылённости в течение смены.


Способ измерения массы пыли с помощью датчика TEOM[править]

Главным элементом конструкции датчика измерения концентрации пыли TEOM является полая трубка (tapered element TE). Один конец этой трубки закреплён, а другой конец может совершать колебания. На свободном (не закреплённом) конце трубки устанавливается сменный фильтр, который улавливает мелкодисперсную (респирабельную) пыль из потока проходящего через трубку воздуха. Специальное электронное оборудование, расположенное по бокам от трубки, побуждает её совершать колебания с постоянной амплитудой и с частотой, равной частоте собственных колебаний (резонансной). По мере накопления пыли на фильтре его масса возрастает, а частота собственных колебаний снижается. Это позволяет определить массу пыли на фильтре без погрешностей, возникающих из-за разнообразия размеров частиц пыли, их формы и физико-химических свойств.

Новый пылемер определяет массовую концентрацию респирабельной пыли в шахте (путём измерения изменения частоты собственных колебаний датчика, и измерения расхода воздуха, прошедшего через фильтр за период измерения). Отображаемые индикатором значения концентрации пыли (выраженные в мг/м3) обновляются каждые несколько секунд. Для калибровки датчика (получения константы (К0) которая определяет взаимосвязь между изменением массы на конце датчика (TE) и изменением частоты) изготовитель пылемера использует стандарты (измерения) массы, соответствующие (traceable to) National Institute of Standards and Technology.

Масса фильтра вычисляется каждые 5 секунд по формуле:

MT 0 = K0 × { 1/fc2 + 1/fi2} . . (1)

где

MT 0 = масса;

K0 = константа, учитывающая свойства датчика (TE);

fc = частота колебаний в момент измерения (текущая);

fi = исходная частота колебаний, в начале смены.

Коэффициент массы определяется по массе, времени, и расходе воздуха через прибор. Порядок проведения вычислений более подробно описан в руководстве по эксплуатации изготовителя[12].

Компенсация моментов позволила добиться миниатюризации[править]

Ранее подобные измерители запылённости (TEOM) были слишком громоздкими и хрупкими для того, чтобы их можно было использовать в персональных пылемерах[13]. Возможность использования этой технологии в персональных шахтёрских пылемерах появилась тогда, когда удалось разработать миниатюрный датчик TEOM. Разработка миниатюрного датчика позволило сделать специальную запатентованную конструкцию, позволяющую компенсировать моменты изделия. Компенсатор моментов, входящий в состав пылемера PDM, совершает колебания (с дополнительной массой на конце) с той же частотой, что и датчик запылённости – но в противофазе с ним. (Вследствие этого) датчик запылённости ведёт себя так, словно он закреплён на массивной опоре – но без использования тяжёлого основания. Можно привести аналогию – у музыкального камертона два, а не один свободно колеблющийся «рог». Использование второго колеблющегося элемента компенсирует усилия (моменты), создаваемые первым, так как они колеблются в противофазе с одинаковой частотой и амплитудой. Скомпенсированность моментов позволяет шахтёру разворачивать основание измерительного инструмента, не влияя при этом на движение чувствительного элемента (датчика/камертона), и он будет звучать длительное время. А если сделать камертон с одним «рогом», то он не будет звучать долго, если его не закрепить на массивном основании, и крепление не должно создавать значительных потерь энергии в системе.

При использовании этого принципа потери энергии от датчика (TE) в окружающую среду при соответствующей конструкции компенсатора моментов можно свести к нулю. (Это) позволяет резко уменьшить массу и размеры пылемера без какого-то ухудшения его характеристик. Кроме того, уменьшение размеров датчика значительно уменьшает расход энергии на подогрев (воздуха – для предотвращения образования конденсата).

Методы[править]

Лабораторные методы[править]

Для подтверждения точности измерений у «предпродажной версии» нового пылемера 3600 PDM, были проведены лабораторные исследования приборов как после получения изготовителя, так и после проведения серий измерений в подземных условиях. Используя опубликованные критерии для методов анализа[14], Институт показал, что для прототипа нового пылемера PDM: «погрешность результатов измерения у конкретного прибора находятся в пределах ±25% с доверительной вероятностью 95%», и что (они) соответствуют верхнему 95% доверительному пределу[4]. В предпродажной версии пылемера 3600 PDM использовались те же самые методы измерения массы пыли, что и в прототипе, и те же самые алгоритмы, и (поэтому) подробное проведение проверки точности не было оправдано. Но чтобы подтвердить (ожидаемую) точность измерений было проведено ограниченное число проверок – у каждого из всех новых приборов.

Камера для имитации запылённой атмосферы[править]

Для того, чтобы сравнивать работу разных измерительных приборов-пылемеров, использовалась лабораторная (пылевая) камера Marple, позволявшая обеспечивать стабильные и хорошо контролируемые условия проведения измерений[15]. Камера обеспечивала концентрацию пыли от 0,2 до 4 мг/м3. Эти диапазоны концентраций соответствовали диапазонам концентраций, рекомендованным в документе Института (NIOSH’s Guidelines for Air Sampling and Analytical Method Development and Evaluation)[14]. Эти величины были взяты в качестве ориентира, так как они позволяли получать такую (навеску) пыли, которая позволяет сделать высококачественный анализ. В качестве эталонного измерителя использовался гравиметрический пылемер. При уменьшении концентрации пыли менее 0,5 мг/м3, как показало исследование[16] относительное стандартное отклонение (relative standard deviation RSD) у пылемеров значительно возрастает. Поэтому, для увеличения точности базового (эталонного) метода измерения запылённости, при концентрации пыли менее 0,5 мг/м3, число замеров было увеличено. Для создания запылённости в пылевой камере использовали уголь из Питтсбургского угольного пласта; уголь (размалывался мельницей) Alpine AFG Model 100 jet mill (изготовитель Hosokawa Micron Powder Systems, Summit, NJ). Для подачи в воздух камеры используется генератор пыли с псевдоожиженным слоем, и с нейтрализатором электрических зарядов (изготовитель TSI, Inc., St. Paul, MN). Температура в камере поддерживалась в пределах 20-25°С, а относительная влажность между 40 и 60%. Приборы устанавливались в камере на поворотную опору, которая вращалась с частотой 1-2 оборота в минуту. Это позволяет не проводить рандомизированное планирование экспериментов, и гарантировало, что воздействие (пыли) по каждому из радиусов на каждый из пылемеров будет одинаковым. Для измерения концентрации пыли в камере использовали имевшейся в продаже пылемер Model 1400a TEOM (изготовитель TEC, Albany, NY). Его показания использовали для того, чтобы подобрать подходящие интервалы времени для получения необходимого количества пыли на фильтрах пылемеров.

Измерительные приборы[править]

Чувствительность и точность измерения нового пылемера PDM сравнивалась со средними значениями (результатов измерений эталонным методом) – гравиметрических измерений. От компании-изготовителя TEC было получено 25 приборов PDM. Для гравиметрического анализа использовали гравиметрические измерители – циклоны BGI–4CP с встроенными держателями для фильтров (изготовитель BGI, Inc., Waltham, MA). Циклоны и фильтры присоединяли к персональному пробоотборному насосу MSA Escort ELF (изготовитель MSA Co., Inc., Pittsburgh, PA). Устройство циклона BGI–4CP соответствовало циклону HD, идентичному установленному в новый пылемер. И новый пылемер PDM, и циклоны BGI–4CP использовались при расходе воздуха 2,2 л/мин. Для снижения изменчивости при проведения измерений, измеритель BGI–4CP был модифицирован: вход воздуха в прибор осуществлялся через трубку, идентичную используемую в новом пылемере PDM.

Новый персональный пылемер PDM[править]

В пылемере PDM использовался фильтровальный материал TX40H120WW (изготовитель Pallflex Products Corp., Putnam, CT) (в виде диска) диаметром 15 мм, с тефлоновым покрытием. Фильтровальный материал изготавливался в виде фильтра, закреплённого в пластиковой кассете. Кассета устанавливалась на конец чувствительного элемента (TE) датчика запылённости. Использовался тот же самый фильтровальный материал, который использовался в измерители концентрации пыли в воздухе TEC Model 1400a. Расход воздуха через пылемер PDM проверялся, и при отличии более чем на ±1% (0,022 л/мин) прибор калибровался повторно. Результаты измерений расхода воздуха через каждый из приборов, и результаты калибровок записывались. Для анализа стабильности расхода воздуха у пылемера использовали результаты (измерений) у 10 пылемеров, у которых имелась полная информация обо всех измерениях расхода и калибровках.

Очистка пылемеров PDM проводилась в конце каждого для, когда проводили замеры. Для очистки снимали бункер циклона-сепаратора крупной пыли, и фильтр с чувствительного элемента датчика запылённости TE. (Затем) канал воздуховода продувался сжатым воздухом, в направлении от входного отверстия у шахтёрской лампы к циклону; от бункера циклона к циклону; и от чувствительного элемента датчика TE назад к циклону. Затем с помощью сжатого воздуха очищали бункер циклона, и канал чувствительного элемента TE. После этого на чувствительный элемент устанавливали новый фильтр; на циклон устанавливали бункер для пыли, и собирали пылемер.

Гравиметрический (эталонный) пылемер[править]

У эталонного гравиметрического пылемера использовался циклон BGI–4CP и присоединённый к нему мембранный фильтр из поливинилхлорида диаметром 37 мм с порами диаметром 5 мкм. Перед проведением каждой серии измерений проводили калибровку персонального пробоотборного насоса MSA ELF. Для калибровки использовали расходомер Gilibrator (изготовитель Sensidyne, Inc., Clearwater, FL) так, чтобы насос обеспечивал расход 2,2 ± 0,022 л/мин через гравиметрические (эталонные) измерители BGI–4CP. При калибровке насоса использовали (приспособление), создающее перепад давления, эквивалентный создаваемому пробоотборным устройством.

Импакторы[править]

(Импактор – устройство для определения распределения частиц пыли по размерам, состоит из серии отверстий разного диметра. Воздух проходит через крупные отверстия с относительно небольшой скоростью, и струя ударяется о липкую подложку. Затем воздух проходит через меньшие отверстия с большей скоростью, и ударяется о подложку. Отличие в скоростях определяет отличие с улавливании частиц пыли, а сравнение массы пыли на разных подложках позволяет определить распределение по размерам – прим.)

Для определения распределения частиц пыли в камере по размерам использовался персональный каскадный импактор Marple (Model 290, изготовитель TEC, Franklin, MA). Для прокачивания через него воздуха 2,0±0,02 л/мин применяли персональный пробоотборный насос ELF Escort. Устройство использовали в соответствии с указаниями изготовителя, включая (применение) поправочных коэффициентов для учёта осаждения пыли во входном отверстии и на стенках[17].

У использовавшегося импактора было 8 ступеней, которые по «пороговой эффективности» (cut points) соответствовали улавливанию частиц пыли с разным диаметром, от 0,52 до 21,3 мкм. После инерционных улавливающих ступеней воздух прокачивался через фильтр (из поливинилхлорида PVC, диаметром 37 мм, размер пор 5 мкм). На каждой из ступеней импактора струйки воздуха ударялись о подложку Mylar® диаметром 34 мм в шести местах (для столкновения). Для предотвращения отскока частиц от подложки, места соударения струек воздуха с ней покрывали (вязкой липкой не высыхающей) смазкой. Смазку наносили только на места соударения, для чего использовали металлический шаблон, «трафарет» с шестью отверстиями (соответствующие местам соударения). Подложку накрывали трафаретом, после чего на неё распыляли смазку для импакторов (Dow Corning 316 Silicone Release Spray, изготовитель Dow Corning Corp., Midland, MI), образуя покрытие толщиной от 1 до 10 мкм. После распыления подложку выдерживали при постоянной температуре и влажности три дня для максимального удаления всех летучих компонентов силиконовой смазки. Затем взвешивали все подложки импатора и фильтр окончательной очистки, и устанавливали их в импактор. Для определения распределения частиц угольной пыли по размерам импактор использовали три раза. (Кроме того, три подложки и три фильтра завершающей очистки использовали для контроля (возможных ошибок измерений – через них воздух не прокачивали).

Для определения распределения значений среднего массового аэродинамического диаметра частиц пыли (MMAD) и стандартного геометрического отклонения (GSD) использовали линейную регрессионную линию, построенную на основе результатов измерений импактора. Её строили как график Y=f(X), где по оси Х откладывали логарифм размера частиц пыли, соответствующих пороговой эффективности ступени импактора; а по оси Y – обратную функцию накопительного нормального распределения (массы частиц пыли) (inverse cumulative distribution function of the normal distribution or probit of cumulative mass percentages). Использование прямой линии для регрессионного графика рекомендуется только тогда, когда данные достаточно хорошо соответствуют линейному распределению, так как в других случаях прямолинейная регрессия в чрезмерно большой степени учитывает значения Y в начале и в конце графика. Накопительные логарифмически-нормальные графики часто искривляются на концах, и это приводит к ошибкам при определении параметров регрессии[18]. Чтобы учесть возможную ошибку по этой причине, мы использовали результаты измерений импактора лишь тогда, когда значение R2 для регрессии было не ниже 0,95.

Точность гравиметрического анализа (взвешивания)[править]

Для взвешивания (подложек и фильтров импактора) использовали микровесы Cahn (model C–31, изготовитель TEC, Boston, MA), а для взвешивания пыли, уловленной гравиметрическим пробоотборником BGI–4CP и фильтром CMDPSU - микровесы Mettler-Toledo (model UMT2, изготовитель Mettler-Toledo, Inc., Columbus, OH). Взвешивание проводили в Питтсбургской исследовательской лаборатории Института (PRL NIOSH) при температуре 22,78 ± 3,9 °С (73 ± 0,7 °F) и относительной влажности RH 53 ± 2%. Для взвешивания всех образцов, как до, так и после использования их для улавливания пыли, использовали контрольные, «фоновые» фильтры. Величина среднего загрязнения фоновых фильтров использовалась для коррекции результатов взвешивания уловленной пыли (у импакторов и персонального пробоотборника с циклонами BGI–4CP и CMDPSU) – во всех случаях. Но небольшие циклические отклонения в этих условиях, в течение (периода измерения длительностью) несколько минут не удалось полностью учесть с помощью контрольных фильтров по следующим причинам. Во-первых, взвешивание контрольных и пробоотборных фильтров проводилось не одновременно. Во-вторых, взвешивание фильтров до и после их использования для улавливания пыли не соответствовало по времени циклическому непостоянству условий окружающей среды (помещения). Поэтому была сделана оценка погрешности измерений массы пыли при её взвешивании.

Планирование проведения исследования[править]

Так как размеры камеры Marple для создания контролируемой запылённой атмосферы были невелики, то (при проведении исследований) 25 пылемеров PDM обычно делили на две группы по 12 и 13 штук. Каждую из групп приборов проверяли по 3 раза; и при каждой из проверок использовали 15 пылемеров типа BGI–4CP. У всех пылемеров отверстия для всасывания запылённого воздуха (из камеры) равномерно располагали по кругу по отношению к центру камеры Marple (Фиг. 4).

Фиг. 4. Лабораторный стенд для испытания новых пылемеров, и их сравнения с обычными.

15 (обычных) гравиметрических пылемеров делили произвольным образом на 4 группы по времени проведения измерений. Интервалы проведения измерений определяли с учётом того, сколько требуется времени для улавливания заранее установленной массы пыли (у группы пылемеров). При проведении первой серии замеров, интервал проведения измерений с помощью 6 пылемеров определяли так, чтобы учесть повышенное непостоянство эталонного измерительного прибора при концентрациях пыли, меньшей 0,5 мг/м3; а при второй, третьей и четвёртой серии замеров использовали по три пылемера. Массу пыли, уловленную (эталонными) пробоотборниками в каждой из (временных) групп, использовали для определения истинного значение запылённости в соответствующий интервал времени. Кроме того, при проведении каждого замера, использовали по 3 контрольных фильтра. Эти фильтры использовали точно так же, как и пробоотборные – но воздух через них не прокачивали, и крышки кассет не открывали. При определении изменения массы пробоотборных фильтров, полученное значение корректировали с учётом результата взвешивания контрольных фильтров.

Длительность измерений выбирали так, чтобы пылеуловитель уловил порядка 0,2-4 мг пыли на фильтр (то есть – респирабельной пыли). Обычно для этого соответствующим образом программировали компьютер в новом пылемере, а эталонные пылемеры включали вручную в тот же самый момент времени. Но так как их было много, их включали не одновременно, а один за другим. Чтобы свести к минимуму различие во времени работы разных эталонных гравиметрических пылемеров, их выключали в такой же последовательности. Когда масса пыли, уловленная гравиметрическим фильтром, достигала требуемого значения, группу этих пылемеров выключали. Для определения требуемого интервала времени использовали новый пылемер Model 1400a TEOM с циклоном HD (при расходе воздуха 2,2 л/мин). Поэтому длительность измерений определялась количеством уловленной респирабельной пыли. В результате получилось 4 интервала времени проведения измерений с использованием эталонных гравиметрических пылемеров BGI–4CP. А для определения того, каковы результаты измерений нового пылемера в этот же интервал времени, использовали запись результатов измерений из файла этого прибора (для каждого из приборов). При трёхкратном проведении этих измерений получились практически повторяющиеся результаты, но в некоторых случаях масса уловленной пыли отличалась:

  • Первый замер, длительность 8 часов, интервал времени 1-4. Концентрация пыли в камере была примерно 2 мг/м3. Эталонные гравиметрические пробоотборники выключали по мере накопления на них (на фильтрах) пыли 0,4; 0,9 и 2 мг. Для определения распределения пыли по размерам использовали три импактора. Результаты их измерений показали, что свойства угольной пыли схожи с результатами, полученными ранее для этой же пыли.
  • Второй замер, длительность 8 часов, интервал времени 5-8. Концентрация респирабельной пыли в камере была 4 мг/м3. Эталонные гравиметрические пылемеры выключали по мере накопления на фильтрах респирабельной пыли массой: 1, 2, 3 и 4 мг.
  • Третий замер, длительность 8 часов, интервал времени 9-12. Концентрация респирабельной пыли в камере была 2 мг/м3. Эталонные гравиметрические пылемеры выключали по мере накопления на фильтрах респирабельной пыли массой: 0,2; 0,7; 1,7 и 2,0 мг; эти измерения проводили три раза.

Испытание аккумулятора нового пылемера[править]

При проведении предыдущего исследования было установлено, что ёмкости аккумулятора нового пылемера хватает на 12 часов работы. Но не изучалось, как сказывается разрядка аккумулятора на работе пылемера. Для определения влияния разрядки аккумулятора на скорость улавливания пыли и на расход воздуха использовали записи работы у 6 новых пылемеров, которые эксплуатировались до разрядки аккумуляторов. При проведении исследования в лаборатории использовали камеру Marple для создания запылённости 2 мг/м3. Эта концентрация непрерывно контролировалась с помощью нового пылемера Model 1400a TEOM, а новые пылемеры использовали до тех пор, пока аккумулятор не разрядится.

Проверка правильности значения коэффициента массы у нового пылемера PDM[править]

При проведении этого исследования проводилась проверка коэффициента массы. Чтобы измерить массу пыли, у каждого их чувствительных элементов датчика запылённости TE эмпирически определялось своё индивидуальное значение коэффициента массы.

Значение коэффициента массы[править]

Коэффициент K0 (K zero) определялся с помощью записи изменения частоты колебаний TE при улавливании фильтром датчика известного количества пыли, и для оценки K0 использовали следующее уравнение:


K0 = m / { (1/ff2 ) – (1/fi2 ) } . . (2)


где

K0 – коэффициент массы датчика концентрации пыли;

m – масса пыли, уловленной фильтром датчика TE - в граммах;

ff - частота колебаний датчика – после того, как пыль была уловлена фильтром, Гц;

fi – исходная частота колебаний датчика – до того, как пыль была уловлена фильтром, Гц.


Для получения значения коэффициента K0 для каждого из датчиков проводили по 5 замеров, и усредняли их результат. Значение K0 определяли каждый раз, когда масса (грузиков, закреплённых на чувствительном элементе микровесов) изменялась. Затем полученное значение K0 сравнивали с тем, которое было заложено в память пылемера на предприятии-изготовителе.

Определение коэффициента массы[править]

Все новые пылемеры почистили, и установили в них новые фильтры. Отверстия для входа воздуха соединили с высокоэффективным противоаэрозольным фильтром (HEPA) чтобы избежать случайного загрязнения пылью. Во время проверки каждый из пылемеров был подключен к компьютеру/зарядному устройству, что позволяло отображать частоту колебаний чувствительного элемента TE в реальном масштабе времени. Каждый из пылемеров работал не менее 1 часа (для разогрева) прежде чем были начаты измерения для определения коэффициента массы K0.

Для определения коэффициента массы на фильтры добавляли маленькие предварительно взвешенные алюминиевые «таблетки» с клеющим покрытием на одной стороне (для крепления к поверхности фильтра). Эти грузы взвешивали непосредственно перед проведением испытаний, взвешивание проводили в Питтсбургской исследовательской лаборатории.

После прогрева, пылемеры программировали с помощью программы (WinPDM 5.12A expert software program) так, чтобы внутренняя информация о частоте колебаний (не обработанная) считывалась и отображалась на дисплее, и записывалась – ежесекундно. Программа строила график этой не обработанной частоты колебаний в реальном масштабе времени. С помощью этого графика можно было определить, когда частота стабилизируется. Значение исходной (базовой) частоты fi после её стабилизации записывали. После этого датчик запылённости вынимали из пылемера, и предварительно взвешенный алюминиевый груз крепили в центре фильтра чувствительного элемента TE. Затем датчик ставили на его место в пылемер, и наблюдали за собственной частотой колебаний чувствительного элемента. Когда она стабилизировалась, записывали её значение (ff, после установки груза известной массы). Этот процесс повторяли 5 раз. Все грузики равномерно распределяли по фильтру, и приклеивали к нему. Масса грузов при каждом из замеров равнялась суммарной массе грузов, которые помещали на фильтр к моменту проведения этого замера. Затем вычисляли коэффициент массы с помощью уравнения 2, и вычисляли средне значение K0 для 5 измерений. Это среднее значение сравнивали с значением, заложенным в память прибора на предприятии-изготовителе.

Анализ[править]

Для определения точности и чувствительности (accuracy and precision) использовали результаты парных измерений – с помощью новых пылемеров, и с помощью усреднённых значений, полученных с помощью эталонных гравиметрических пылемеров. Для определения точности, погрешности и чувствительности использовали метод, описанный[14]. Точность считалась способностью определить правильное значение концентрации; погрешность считалась не корректируемым относительным отклонением между средним значением (результатов измерений) и истинной концентрацией; и чувствительность – относительная изменчивость результатов повторных измерений по отношению к среднему значению этих же измерений. При проведении этих испытаний, отношение массы, измеренной новым пылемером, к массе, измеренной гравиметрически, определяли путём деления результатов конкретного измерения PDM на среднее значение трёх гравиметрических измерений за соответствующий временной интервал. Затем эти отношения масс усредняли для каждой из групп исходных данных. для нового пылемера PDM, и для результатов гравиметрических измерений вычисляли относительное стандартное отклонение RSD. Для уменьшения влияния погрешности гравиметрических измерений, значение RSD для всех гравиметрических измерений (вместе взятых) вычли из каждого из значений RSD, использовавшегося для сравнения точности измерений (выполненных с помощью нового пылемера PDM, и гравиметрически). Значение RSD после коррекции определялось по формуле:

RSDx = sqrt{ (RSDx/t)2 – (RSDTi)2 } . . (3)

где

sqrt – квадратный корень;

RSDx/t - относительное стандартное отклонение (отношения масс);

а экспериментальное суммарное RSD гравиметрических замеров (RSDTi) вычисляли по формуле:

RSDTi = 0,5 * sqrt{ (∑(RSDgravimetric)2 /n } . . (4)

где sqrt – квадратный корень;

Затем вычисляли погрешность, используя среднюю концентрацию минус 1. Чувствительность (accuracy) вычисляли по методу[14]. Для определения доверительных интервалов использовали метод, описанный[19] – с использованием не-центрального t-распределения Стьюдента (noncentral Student’s t-distribution). Точность измерений нового пылемера анализировали для каждого из замеров, используя для этого значения RSD нового пылемера и эталонных гравиметричеких измерителей при накоплении на фильтрах от 0,2 до 4,3 мг респирабельной пыли. Чтобы определить «общую» точность нового пылемера на основании анализа лабораторных испытаний, проводившихся перед испытаниями в шахтах, значения RSD определяли с помощью однофакторного анализа изменчивости (one-way analysis of variance ANOVA). Для определения относительного стандартного отклонения в пределах одного испытания (intratest RSD) использовали квадратный корень из среднеквадратических ошибок (square root of the mean square error RMSE). При проведении этого анализа зависимой переменной была концентрация пыли, измеренная в миллиграммах на кубометр, а независимой (или групповой) переменной была лабораторная проверка. Было проведено 6 проверок по 12-13 новых пылемеров за одну проверку. При проведении каждой из проверок, концентрацию пыли измеряли в течение 4 временных интервалов. Для каждого нового пылемера, концентрацию пыли усредняли за временной интервал, относящийся к данной проверке. Чтобы проведение вычислений соответствовало тому, как они проводятся для обработки результатов измерений в шахтах, результаты измерений PDM логарифмически преобразовывали (используя натуральные логарифмы) перед проведением анализа.

Подробные испытания в шахтах[править]

При проведении этой части исследования, новые пылемеры проверялись в подземных условиях при их использовании шахтёрами, для определения их механической работоспособности, удобности и эргономических свойств при длительном применении. Определялась точность измерений новых пылемеров и эталонных гравиметрических измерителей.

Критерии для выбора шахт для проведения испытаний[править]

Проведение этих испытаний требовало достаточно хорошего уровня взаимодействия с работниками шахты для того, чтобы провести обучение персонала, выделить необходимое место для работы, и проводить регулярное периодическое техобслуживание новых пылемеров без участия представителей Института. Необходимость такого хорошего взаимодействия не позволяла выбирать для испытаний шахты случайным образом. Но (мы) выбрали шахты так, чтобы приборы испытывались в условиях добычи разных видов угля, при использовании разных горных машин, шахты располагались в разных частях страны, толщина пластов угля была различна, и численность сотрудников шахты – неодинакова. (Мы) выбрали шахты так, что они находились в каждом из 10 округов MSHA (для шахт, где добывается каменный уголь). В таблице 1 приводится описание каждой из шахт. В пределах каждой из шахт, (мы) выбрали рабочих, использовавших разные горные машины, и работавшие в разных местах – так, чтобы измерения были сделаны в разных условиях, характерных для условий добычи угля в шахте.

Таблица 1. Описание шахт, в которых проводилось исследование, и положение измерителя запылённости воздуха рабочей зоны
Округ MSHA Высота шахты, м (дюймов) Технология добычи угля* Дополнительные свойства Положение стационарного измерительного прибора

Lippmann sample

2 1,651 (65) CM Exhaust vent tube, integral miner bolter Слева сзади от комбайна.
3 1,778 (70) CM Exhaust vent tube, integral miner bolter……… On miner near left bolter.
4 1,651 (65) LW Использовали удалённый источник питания PDM Shield 30.
5 1,219 (48) CM Scrubber, bridge face haulage Immediate miner return
6 1,422 (56) CM Маленькая шахта Bolter
7 1,27 (50) CM Pillar section – retreat ventilation to gob Behind miner toward gob side.
8 1,168 (46) CM Super section single split vent, тонкий пласт Immediate miner return.
9 3,048+ (120+) LW Толстый угольный пласт Shield 20.
10 1,168 (46) CM Тонкий пласт, super section Immediate miner return.
11 1,829 (72) CM Дизельный погрузчик? (Diesel face haulage ) Twin boom bolter.
  • CM – Continuous mining – камерно-столбовая добыча с использованием короткозабойных очистных комбайнов;
  • LW – Longwall mining - разработка (угля) длинными забоями.

Порядок проведения измерений[править]

На каждом из мест, где проводилась подземная проверка нового пылемера, (специалисты) Института проводили три дня, чтобы показать местным сотрудникам, как использовать новый пылемер, и как проводить его техобслуживание. Замеры проводились у всех горнорабочих, работавших в забое, в течение всей смены. Для этого они входили в и выходили из забоя (travel to and from the working section). Дополнительно определялась точность (precision) трёхкратных замеров. После этого в 6 из 10 шахт новые пылемеры оставили местным сотрудникам, и они использовали их в отсутствие специалистов Института. В конце весны 2005г, после завершения подробного исследования нового пылемера в десятой шахте, 4 горных компании провели расширенное испытание новых пылемеров в своих шахтах для того, чтобы лучше определить (автономные) эксплуатационные свойства устройства.

В каждой из шахт, в начале смены, специалисты Института проводили 45-минутное занятие. Они показывали короткий учебный видеоролик, что позволяло давать сотрудникам шахт информацию совершенно одинаково. Каждому из шахтёров, использовавшему новый пылемер, давали карманный справочник по пылемеру (memory jogger card) для напоминания ему (или ей) о вопросах, рассмотренных в учебном видеоролике. Участок шахты, где шахтёры использовали новый пылемер, выбирался сотрудниками администрации и представителями рабочих (hourly employee representatives). Помимо обучения горнорабочих забоя, руководителей, представителей трудовых коллективов и специалистов по безопасности и охране труда, специалисты Института проводили обучение тех сотрудников шахт, которые впоследствии (самостоятельно) проводили периодическое техобслуживание новых пылемеров.

В результате проведения исследований была получена информация о концентрации пыли в течение всей смены, код MSHA специальности рабочего (использовавшего пылемер), и сведения обо всех проблемах, возникавших при проведении измерений. Сотрудники горнодобывающих компаний программировали пылемеры так, чтобы те автоматически начинали проводить измерения с начала смены, и продолжали их в течение всей смены. Использовалось от 7 до 14 новых пылемеров в зависимости от численности горнорабочих в забое, использовалось от 7 до 14 новых пылемеров. Каждый день шахтёры брали свои пылемеры (точно так же, как они брали лампы на каски), и в конце смены они возвращали их тому, кто выдавал. После получения пылемера от шахтёров, сотрудник горной компании переписывал результаты измерений из памяти пылемера, очищал воздуховод (по которому всасывался воздух для измерения запылённости), очищал циклон, заменял фильтр на чувствительном элементе датчика запылённости, и задавал программу работы на следующую смену. Считали, что результаты измерений достоверны, если пылемер работал всю смену – без отказов механических частей, электроники и без ошибок персонала. Эти результаты могли позднее считаться недостоверными, если проверка показывала, что расход прокачиваемого воздуха был некорректный, или при выявлении других ошибок. Число замеров, во время которых не было отказов оборудования, поделенное на общее число замеров, было показателем успешности проведения измерений (при проведении этого вида испытаний). При дальнейшем анализе записи результатов измерений они могли оцениваться как недостоверные по каким-то причинам, но это не влияло на общий показатель успешности полносменных замеров (с точки зрения работоспособности оборудования). Считали, что если расход воздуха у нового пылемера был 2,2 л/мин ± 5%, то он в пределах допустимого. А если датчик расхода воздуха нового пылемера регистрировал отклонение ±0,2 л/мин от калибровочного значения в течение 60 секунд, на индикаторе прибора появлялось сообщение об ошибке, и делалась соответствующая запись в файле с результатами измерений (для последующего определения серьёзности сбоя).

При проведении измерений, первые три дня сотрудники Института делали замеры (запылённости) воздуха рабочей зоны, а также находился (на рабочих местах шахтёров) для помощи при использовании новых пылемеров, сопровождали шахтёров и отвечали на их вопросы. На первых шести шахтах, сотрудники Института оставили все новые пылемеры местным сотрудникам. Те же шахтёры с тех же рабочих мест продолжали использовать пылемеры и на следующей неделе. Если какой-то шахтёр не выходил на работу, новый пылемер использовал вместо него другой рабочий, замещавший отсутствовавшего. Аналогично, если вся бригада, работавшая на участке, заменялась вечерней сменой, то пылемеры оставались с этой сменой для продолжения их использования. Если в наличии оказывались дополнительные приборы, то их давали использовать тем шахтёрам, которые работали вдали от забоя (это иногда случалось). На следующей неделе специалисты института возвращались в шахту и сопровождали шахтёров во время работы. Они наблюдали за выполнением работы и применением пылемеров, и опрашивали шахтёров. Затем (мы) собирали пылемеры, и сделанные с их помощью замеры. Это позволяло получить от каждого пылемера от 8 до 11 полносменных записей от каждого из работавших с прибором в забое. Из-за того, что на некоторых шахтах проводили замеры и в выходные, и из-за измерений в режимах работы, число дней замеров оказалось не одинаковым.

Замеры запылённости воздуха рабочей зоны[править]

В каждой из шахт в течение трёх дней проводились измерения запылённости воздуха рабочей зоны с целью определить точность измерений нового пылемера, (работоспособность) циклона-сепаратора крупной пыли DO, и определить распределение пыли по размерам с помощью импактора. Для проведения измерений использовали стационарный прибор Липмана (stationary Lippmann-type sampling apparatus)[20][21]. Выполняли трёхкратные замеры с помощью нового пылемеров, персональных импакторов Marple, и обычных гравиметрических персональных пробоотборников CMDPSU при расходе воздуха 2 л/мин и 1,7 л/мин. Использование стационарного прибора Липмана сводило к минимуму непостоянство результатов, связанное с местом проведения замеров в шахте. Взвешивание и калибровка при выполнении этого этапа испытаний совпадали с процедурами при лабораторном этапе испытаний. Трёхдневные измерения в 10 шахтах дали суммарно 30 (трёхкратных) замеров, результаты которых использовали для определения точности новых пылемеров.

Техобслуживание и записи об использовании[править]

Во время проведения исследования, проводилась запись о случаях применения каждого из 25 использовавшихся пылемеров PDM. Для каждого устройства сохранялась хронологическая запись, где отмечалось – сколько часов прибор использовался с момента получения до момента завершения исследования. Сюда включали все измерения – как в лабораторных, так и в производственных условиях, без учёта характера применения, и без учёта наблюдения за работой. Для оценки общего (суммарного) применения новых пылемеров, учитывали лишь общее время работы приборов, а отличие в условиях применения не учитывали.

У каждого из пылемеров была своя запись о проведённых ремонтах, и туда частично включали информацию о виде неисправности, и виде ремонта, выполненного для устранения этой неисправности. В отношении записей о выполненном ремонте, указывались признаки, позволявшие различать (разные виды) ремонта, выполненного предприятием-изготовителем. Учитывали два типа ремонта – серьёзный и незначительный. К незначительному относили такие доработки программного обеспечения или механической части прибора, которые были незначительны, и которые вряд ли потребуют повторения после их полноценного выполнения. Примерами такого ремонта можно считать улучшение заводского программного обеспечения для улучшения работы пылемера, устранение заводских дефектов, замеру неисправных клавиш на лицевой стороне и замеру экрана дисплея. А серьёзными неисправностями считали такие, которые требовались для того, чтобы весь прибор мог нормально работать, и выдавать достоверный результат измерений. Считали, что частота выполнения серьёзного ремонта боле точно отражает общую конечную надёжность пылемера после улучшения его конструкции.

Для определения того, успешно ли новый пылемер выполнил замер, регистрировали и другую информацию. Если пылемер завершал работу, и делал достоверные замеры во время этой смены, то считали, что он успешно выполнял замер (в течение смены). А если он не смог выполнить замер в течение всей смены, или если файлы с результатами измерений были повреждены, то считали, что замер выполнен неудачно. При наличии записи о том, что замер выполнен неудачно, какую-то классификацию видов отказов не проводили. Специалисты выявляли причину отказов нового пылемера, и устраняли их – сразу после обнаружения. Во многих случаях для обеспечения нормальной работы требовалось (лишь) выполнить небольшую регулировку. Гораздо реже требовалось отправлять прибор для (серьёзного) ремонта на предприятие-изготовитель.


Анализ точности измерений в производственных условиях[править]

Для определения точности измерений нового пылемера, и циклона DO (при расходе воздуха 2,0 и 1,7 л/мин), с помощью однофакторного анализа изменчивости ANOVA вычисляли относительное стандартное отклонение RSD. Чтобы определить изменчивость (средних значений трёхкратных измерений) в течение одного дня, определяли относительное стандартное отклонение RSD с помощью анализа изменчивости ANOVA. Так как распределения значений концентрации пыли не были нормальными, а имели положительный «скос» (were positively skewed) у каждого из измерительных приборов, перед проведением анализа результаты измерений были логарифмически преобразованы (использовали натуральные логарифмы). При проведении анализа зависимой переменной была измеренная концентрация пыли (мг/м3), а независимой (или групповой) переменной была дата проведения измерений в шахте. Имелось 30 результатов уникальных трёхкратных замеров, полученных с помощью каждого из измерительных устройств.

Результаты[править]

Лабораторная проверка точности[править]

Точностью нового пылемера считали его способность правильно определять концентрацию (респирабельной) пыли в окружающей атмосфере. В документе[4] описано исследование того, соответствуют ли результаты измерений прототипа нового пылемера критериям Института к точности. Ограниченное испытание новых пылемеров (предпродажной версии) в лаборатории до начала испытаний в шахтах проводилось для проверки их эксплуатационных свойств, и было схоже с упомянутой проверкой прототипа нового пылемера.

Проверка точности перед применением пылемеров в шахтах[править]

В таблице 2 приводятся результаты испытаний, проводившихся для определения точности измерений запылённости с помощью прибора PDM 3600 – средние результаты измерений концентрации пыли с помощью измерителя BGI–4CP (обычного) для каждого интервала времени; соответствующий результат, полученный с помощью нового пылемера, и значения относительного стандартного отклонения для каждого из приборов. При проведении первой группы измерений, значения относительного стандартного отклонения у результатов измерений гравиметрическими (стандартными) пылемерами составили 0,041, а при проведении второй группы измерений – 0,039. У нового пылемера для первой и второй групп измерений соответствующие значения составляли 0,057 и 0,043. Для всех результатов вместе, относительное стандартное отклонение RSD было 0,051 (с 95% доверительными пределами 0,048 и 0,057). Это значение будет использоваться в дальнейшем при рассмотрении точности измерений в производственных условиях.

Таблица 2. Результаты измерений, выполненных (в лаборатории) перед началом применения нового пылемера в шахтах. Результаты измерений нового пылемера PDM (мг), и эталонный результат измерений обычным гравиметрическим пылемером. В верхней таблице приводятся результаты для первой группы пылемеров (12 шт из 25), в нижней – для второй (13 шт из 25).
Интервал времени Результат гравиметрических измерений (среднее значение), мг RSD Результаты измерений (мг) нового пылемера PDM № RSD
110 112 113 115 119 126 127 128 130 131 132 133 135
1 0,426 0,048 0,377 0,406 0,384 (1) 0,409 0,388 0,359 0,431 0,413 0,393 0,414 0,357 0,381 0,058
2 0,968 0,047 0,901 0,956 0,903 (1) 0,958 0,903 0,939 0,992 0,952 0,897 0,967 0,843 0,881 0,046
3 1,506 0,033 1,384 1,481 1,397 (1) 1,483 1,397 1,462 1,515 1,453 1,363 1,481 1,289 1,354 0,048
4 2,184 0,023 1,931 2,054 1,942 (1) 2,053 1,933 2,036 2,108 2,020 1,887 2,064 1,792 1,884 0,048
5 1,132 0,033 1,050 1,066 0,994 0,955 1,052 1,047 1,013 1,124 1,033 1,009 (1) 0,935 1,061 0,050
6 2,160 0,049 2,104 2,163 1,991 1,929 2,098 2,115 2,032 2,254 2,097 2,000 (1) 1,839 2,115 0,054
7 3,244 0,054 3,075 3,161 2,910 2,833 3,068 3,110 2,976 3,298 3,076 2,923 (1) 2,658 3,087 0,055
8 4,308 0,036 3,980 4,090 3,757 3,675 3,970 4,027 3,843 4,271 3,989 3,795 (1) 3,425 3,975 0,056
9 0,193 0,082 0,196 0,202 0,201 0,202 0,212 0,196 0,204 0,205 0,222 0,197 0,203 0,165 0,214 0,066
10 0,747 0,021 0,732 0,732 0,733 0,727 0,774 0,732 0,741 0,757 0,800 0,701 0,759 0,596 0,797 0,069
11 1,796 0,033 1,688 1,700 1,702 1,689 1,792 1,697 1,720 1,776 1,837 1,637 1,788 1,396 1,833 0,066
12 2,144 0,033 1,967 1,984 1,975 1,959 2,076 1,968 1,993 2,072 2,139 1,909 2,074 1,633 2,124 0,064
Среднее значение RSD для гравиметрических пылемеров = 0,041,

среднее значение RSD для новых пылемеров PDM = 0,057.

.
Интервал времени Результат гравиметрических измерений (среднее значение), мг RSD Результаты измерений (мг) нового пылемера PDM № RSD
102 105 108 109 111 114 116 120 122 123 124 125 115 132
1 0,424 0,069 0,410 0,377 0,376 0,432 0,451 0,395 0,427 0,391 0,430 0,426 0,372 0,411 0,400 0,061
2 1,003 0,025 0,914 0,854 0,860 0,967 0,989 0,887 0,971 0,889 0,960 0,960 0,840 0,925 0,901 0,054
3 1,572 0,034 1,454 1,354 1,376 1,508 1,571 1,406 1,544 1,415 1,521 1,515 1,331 1,481 1,433 0,052
4 2,115 0,034 1,990 1,865 1,917 2,055 2,149 1,927 2,125 1,949 2,076 2,082 1,836 2,037 1,973 0,049
5 1,111 0,044 1,055 1,008 0,993 1,009 1,089 1,011 1,095 1,059 1,028 1,108 1,048 1,076 1,066 0,035
6 2,169 0,002 2,024 1,928 1,918 1,930 2,097 1,957 2,108 2,035 1,974 2,131 2,016 2,070 2,055 0,036
7 3,224 0,042 2,999 2,890 2,874 2,864 3,130 2,914 3,124 3,028 2,961 3,159 2,978 3,067 3,058 0,034
8 4,213 0,030 3,846 3,709 3,689 3,683 4,002 3,744 4,012 3,891 3,814 4,046 3,809 3,927 3,916 0,032
9 0,185 0,076 0,203 0,202 0,192 0,199 0,204 0,191 0,205 0,194 0,198 0,203 0,181 0,218 0,045
10 0,724 0,025 0,730 0,721 0,692 0,717 0,736 0,703 0,758 0,710 0,724 0,750 0,676 0,768 0,037
11 1,814 0,040 1,742 1,722 1,646 1,702 1,777 1,673 1,798 1,685 1,722 1,772 1,613 1,839 0,038
12 2,035 0,051 2,005 1,985 1,893 1,969 2,041 1,936 2,075 1,952 1,987 2,043 1,867 2,117 0,037
Среднее значение RSD для гравиметрических пылемеров = 0,039,

среднее значение RSD для новых пылемеров PDM = 0,043.

(1) – этот пылемер при проведении этих замеров попал во вторую группу приборов (см. нижнюю часть таблицы).

Усреднённый результат измерения распределения по размерам частиц пыли в пылевой камере дал результат: средний массовый аэродинамический диаметр частиц пыли MMAD = 3,91 мкм (RSD=0,007), и стандартное геометрическое отклонение 2,58. Этот результат схож с распределением по размерам Питтсбургской угольной пыли, которая использовалась при определении точности прототипа нового пылемера[21].

Проверка точности после применения пылемеров в шахтах[править]

Результаты измерений точности после применения приборов в шахтах показаны в таблице 3. Эти результаты получены путём усреднения трёхкратного измерения с помощью (стандартного) гравиметрического пылемера BGI–4CP для каждого из временных интервалов, проведения соответствующих им измерений с помощью нового пылемера PDM, и определения относительного стандартного отклонения RSD у обоих приборов. В первой группе испытаний у гравиметрического пылемера среднее (общее для всех замеров) значение RSD было 0,039, а во второй группе замеров – 0,049. В таблице приведены значения RSD для каждого из новых пылемеров PDM и каждого из интервалов времени. У нового пылемера в первой группе замеров среднее (обще для всех замеров) значение RSD было 0,056; а во второй – 0,051. В среднем, значение среднего массового аэродинамического диаметра частиц пыли в испытательной камере было 4,01 мкм (RSD=0,079), и стандартное геометрическое отклонение GSD = 2,53.

Таблица 3. Результаты измерений точности новых пылемеров PDM после их использования в шахтах, и соответствующие результаты измерений стандартного гравиметрического пылемера.
Интервал времени Результат гравиметрических измерений (среднее значение), мг RSD Результаты измерений (мг) нового пылемера PDM № RSD
102 108 112 113 114 115 119 120 123 124 125 127 128
1 0,425 0,026 (1) 0,373 0,445 0,397 0,359 0,386 (1) 0,410 0,404 0,405 0,429 0,418 0,388 0,058
2 0,960 0,030 (1) 0,817 0,953 0,861 0,788 0,832 (1) 0,895 0,880 0,885 0,932 0,892 0,850 0,053
3 1,475 0,065 (1) 1,281 1,463 1,344 1,220 1,278 (1) 1,368 1,369 1,365 1,438 1,373 1,328 0,048
4 1,950 0,029 (1) 1,717 1,955 1,794 1,629 1,720 (1) 1,827 1,833 1,833 1,923 1,822 1,777 0,046
5 1,012 0,049 0,885 0,875 0,995 0,890 0,824 0,865 0,931 0,982 0,946 0,931 1,010 0,947 0,924 0,064
6 1,931 0,038 1,759 1,741 1,972 1,764 1,638 1,740 1,859 1,947 1,870 1,843 1,995 1,891 1,833 0,061
7 2,899 0,033 2,639 2,608 2,958 2,656 2,460 2,627 2,789 2,919 2,809 2,763 2,981 2,827 2,751 0,060
8 3,906 0,038 3,576 3,512 3,997 3,601 3,329 3,566 3,757 3,938 3,801 3,741 4,011 3,821 3,730 0,058
9 0,209 0,048 0,185 0,173 0,202 0,189 0,162 0,179 0,193 0,197 0,191 0,190 0,184 0,193 0,189 0,061
10 0,709 0,047 0,669 0,621 0,692 0,652 0,585 0,647 0,673 0,701 0,707 0,689 0,661 0,675 0,658 0,054
11 1,738 0,042 1,601 1,506 1,672 1,568 1,420 1,560 1,620 1,667 1,714 1,647 1,580 1,628 1,591 0,052
12 2,114 0,028 1,874 1,772 1,963 1,848 1,664 1,836 1,907 1,964 2,000 1,940 1,856 1,913 1,865 0,051
Среднее значение RSD для гравиметрических пылемеров = 0,039,

среднее значение RSD для новых пылемеров PDM = 0,056.

.
Интервал времени Результат гравиметрических измерений (среднее значение), мг RSD Результаты измерений (мг) нового пылемера PDM № RSD
105 109 110 111 116 122 126 130 131 132 133 135 102 119
1 0,395 0,044 0,361 0,355 0,353 0,323 0,378 0,385 0,371 0,367 0,329 0,342 0,336 0,353 0,363 0,378 0,053
2 0,962 0,062 0,831 0,800 0,786 0,728 0,843 0,869 0,823 0,817 0,758 0,771 0,752 0,786 0,830 0,864 0,053
3 1,425 0,007 1,283 1,228 1,205 1,128 1,313 1,340 1,276 1,272 1,173 1,188 1,169 1,226 1,275 1,328 0,052
4 2,096 0,040 1,854 1,758 1,734 1,617 1,890 1,936 1,838 1,829 1,690 1,719 1,671 1,766 1,837 1,913 0,054
5 1,031 0,029 0,912 0,850 0,844 0,795 0,940 0,931 0,900 0,895 0,889 0,852 0,854 0,888 0,047
6 2,061 0,036 1,856 1,692 1,696 1,590 1,900 1,868 1,804 1,803 1,785 1,716 1,699 1,771 0,051
7 2,909 0,023 2,788 2,519 2,521 2,363 2,825 2,783 2,696 2,696 2,652 2,568 2,523 2,625 0,052
8 3,901 0,093 3,712 3,360 3,371 3,173 3,786 3,721 3,595 3,602 3,573 3,428 3,372 3,502 0,052
9 0,183 0,078 0,175 0,174 0,170 0,163 0,169 0,180 0,189 0,185 0,187 0,180 0,169 0,188 0,049
10 0,722 0,125 0,637 0,583 0,580 0,578 0,613 0,654 0,667 0,637 0,633 0,608 0,595 0,638 0,049
11 1,772 0,020 1,554 1,405 1,385 1,389 1,482 1,582 1,598 1,528 1,524 1,458 1,425 1,539 0,051
12 2,146 0,027 1,853 1,666 1,650 1,652 1,762 1,890 1,907 1,822 1,813 1,740 1,693 1,839 0,052
Среднее значение RSD для гравиметрических пылемеров = 0,049,

среднее значение RSD для новых пылемеров PDM = 0,051.

(1) – этот пылемер при проведении этих замеров попал во вторую группу приборов (см. нижнюю часть таблицы).


Точность[править]

Результаты испытаний новых пылемеров перед их применением в шахтах подтвердили предположение о том, что изменения в конструкции нового пылемера 3600 PDM (по отношению к прототипу PDM-1) не повлияли на точность измерений приборов. В таблице 4 показаны результаты вычислений точности (accuracy), погрешности, чувствительности (precision) и значений верхнего 95% доверительного предела (UCLs). Результаты оценки погрешности показывают, что результат измерений у нового пылемера систематично ниже, чем у стандартного гравиметрического пылемера. Это систематичное отклонение (перед испытаниями – в шахтах) было 5,2%. Несмотря на эту систематическую погрешность, довольно высокая точность измерений у нового пылемера позволяет определить концентрацию пыли с погрешностью, соответствующему критерию ±25% с доверительной вероятностью 95%. Если прибор не соответствовал требованиям к значению верхнего доверительного предела (95% UCL), но при этом его результаты измерений не выходили за пределы 5% доверительного предела (but to not exceed a 5% CL), то считали, что полученный результат измерения точности – неубедителен. Нужно отметить, что при проведении лабораторных испытаний приборов после их применения в шахтах, все пылемеры, у которых погрешность (bias) была больше, чем -0,13, были приборами, которые не соответствовали требованиям к верхнему 95% доверительному пределу. Причины этого рассмотрены ниже.

Таблица 4. Результаты вычислений точности измерений новых пылемеров по результатам лабораторных испытаний, до и после проверки в шахтах
№ пылемера PDM Испытания в лаборатории до испытаний в шахтах Испытания в лаборатории после испытаний в шахтах
Погрешность Точность Чувствительность Верхний 95% доверительный предел Погрешность Точность Чувствительность Верхний 95% доверительный предел
102 –0,04 0,05 12 18 –0,10 0,02 12 14
105 –0,08 0,07 18 26 –0,10 0,03 13 16
108 –0,09 0,05 16 21 –0,13 0,02 15 17
109 –0,05 0,06 14 20 –0,16 0,05 22 27
110 –0,06 0,03 11 15 –0,16 0,05 23 27
111 0,00 0,04 8 11 –0,20 0,04 25 28
112 –0,03 0,03 7 10 –0,01 0,03 5 8
113 –0,07 0,05 14 19 –0,09 0,01 10 11
114 –0,08 0,04 13 18 –0,18 0,02 20 22
115 –0,08 0,06 17 22 –0,11 0,02 14 15
116 0,00 0,04 7 11 –0,10 0,05 16 21
119 –0,02 0,05 10 15 –0,07 0,02 9 11
120 –0,06 0,04 12 16 –0,04 0,03 8 11
122 –0,04 0,05 11 16 –0,07 0,02 11 13
123 –0,01 0,03 7 10 –0,05 0,02 8 10
124 –0,10 0,04 16 20 –0,06 0,01 7 7
125 –0,01 0,07 14 21 –0,03 0,06 12 18
126 –0,06 0,03 10 14 –0,09 0,04 15 20
127 –0,06 0,05 14 20 –0,05 0,02 8 10
128 0,01 0,02 4 6 –0,08 0,02 11 12
130 –0,01 0,07 13 20 –0,11 0,04 17 21
131 –0,09 0,04 14 18 –0,13 0,07 22 28
132 –0,02 0,03 7 10 –0,15 0,05 22 26
133 –0,18 0,04 22 25 –0,17 0,04 22 25
135 –0,04 0,07 16 24 –0,12 0,05 19 24

Хотя результаты испытаний показали, что у некоторых из приборов после испытаний в шахтах точность измерений недостаточно высокая (неубедительный результат - inconclusive), но средние значения точности (accuracy – до и после испытаний в шахтах) были статистически одинаковы. Результаты независимых испытаний с помощью t-test показали, что среднее значение точности до испытаний в шахтах 14,67 (95% доверительные пределы = 12,21 и 17,08) (t-value (df = 48) = –1,63, p-value = 0,11). Нулевая гипотеза (о равенстве точности до и после испытаний в шахтах) не может быть отвергнута.

Один из новых пылемеров не смог показать соответствие требованиям к точности (95% верхнему доверительному пределу) при проведении испытаний до проверки в шахтах. Прибор был отправлен на предприятие-изготовитель для проверки и регулировки. Мы не смогли проверить качество работ по его настройке, сделанной изготовителем. Поэтому этот образец пылемера не использовался при определении точности измерений новых пылемеров в шахтах. Но измерения точности у этого прибора после его применения под землёй показали, что она соответствует требованиям.

Калибровка для установления коэффициента K0[править]

Мы попытались определить, почему у некоторых из приборов после испытаний в шахтах точность не соответствовала требованиям (95% верхний доверительный предел). В таблице 5 показаны результаты лабораторных измерений значений коэффициента K0, используемого прибором для вычисления массы на основании измеренной частоты колебаний чувствительного элемента TE. Значения относительного стандартного отклонения RSD при неоднократных измерениях K0 у двух приборов были 0,0038 и 0,0027.

Таблица 5. Сравнение значений коэффициента K0 у пылемеров PDM, заложенного в программное обеспечение, и измеренное при проведении испытаний.
Номер пылемера PDM Испытания до проверки в шахтах Испытания после проверки в шахтах Измеренное значение K0 Заложенное в программу значение K0 Отличие значений K0, %
Точность, % Верхний 95% доверительный предел Точность, % Верхний 95% доверительный предел
119 10 15 9 10 15368 15427 –0,4
127 14 20 8 9 15138 15552 –2,7
112 7 10 5 8 15827 16028 –1,3
112 Rep Rep Rep Rep 15719 16028 –2,0
112 Rep Rep Rep Rep 15724 16028 –1,9
110 11 15 23 27 15166 15284 1,14
131 14 18 22 28 15138 14827 2,1
133 22 25 23 26 15107 14361 4,9
132 7 10 22 26 14534 13846 4,7
132 Rep Rep Rep Rep 14537 13846 4,8
132 Rep Rep Rep Rep 14466 13846 4,3

Rep – проводились повторные измерения коэффициента K0.


Мы сравнили значения коэффициента K0 у приборов, которые показали наибольшую и наименьшую точности (после испытаний в шахтах). У трёх пылемеров (с наибольшей, или с наименьшей точностью – согласно верхнему доверительному пределу UCL), значение коэффициента K0, заложенное в программу, (отличалось) от измеренного, отличие в пределах 2,7%. Но у четырёх приборов, которые не соответствовали к требованиям к точности при испытаниях после проверки в шахтах, отличие достигало 4,9%. Изучение файлов с записью результатов измерений и соответствующих параметров показало, что у некоторых из приборов значение K0 было изменено на предприятии-изготовителе в интервале между проверкой этих приборов до применения в шахтах, и после применения в шахтах (когда пылемеры ремонтировали). Не все приборы потребовали такой повторной калибровки. Но все пылемеры, у которых проводился ремонт чувствительного элемента датчика (модуль TE, например – ремонт датчика температуры), могли требовать повторной калибровки для уточнения значения K0. Так как этот коэффициент прямо пропорционален массе, проведение такой повторной калибровки могло стать причиной того, что проверка приборов после применения в шахтах не показала соответствия требованиям к точности (верхний 95% доверительный предел UCL). Погрешность при калибровке для определения коэффициента могла стать причиной наблюдавшейся недостаточной точности.

Порог чувствительности и предел количественного определения[править]

Для традиционного определения предела количественного определения (limit of quantification, LOQ) необходимо определить стандартное отклонение (Sw) при 9 последовательных взвешиваниях чистого фильтра[15]. Мы получили, что у обоих весов значения стандартных отклонений Sw совпали (= 1,4 мкг). И (мы) получили итоговое значение предела количественного определения LOQ = 14 мкг при однократном взвешивании. Однако выполнение процедур, направленных на обеспечение контроля качества, и при использовании контрольных фильтров только в помещении для взвешивания показала, что значение полного стандартного отклонения St из-за стандартных отклонений Sw и непостоянства условий в помещении для взвешивания (во время проведения этого исследования) стало равно 4,1 мкг. Используя стандартные формулы для возрастания ошибки при определении увеличения массы фильтра, мы получили:


Sfilter = 2 *ST = 8,2 мкг . . (5)


Коэффициент 2 получился потому, что для определения увеличения массы требовалось взвешивать фильтры 4 раза – 2 раза пробоотборный фильтр, и 2 раза незапылённый контрольный фильтр. Аналогично, при определении результатов измерений импактора, и с учётом наличия в нём 9 ступеней для улавливания пыли разного размера, получим (36 взвешиваний):


Simpactor = 6 * SΤ = 24,6 мкг . . (6)

Фиг. 5. Испытания работоспособности пылемера при разрядке аккумулятора (до полной остановки), индикатор нормальной работы - правильный расход воздуха.

Влияние разрядки аккумулятора[править]

При преднамеренном использовании прибора так, чтобы произошла сильная разрядка аккумулятора, никаких видимых признаков отказов у новых пылемеров не обнаружилось. На измерение частоты колебания чувствительного элемента TE небольшие изменения напряжения питания никакого влияния не оказали. Сравнение скорости увеличения массы у конкретного пылемера PDM с соответствующим значением у TEOM 1400а не выявило отличий в наклоне графика при разрядке аккумулятора. В наибольшей степени разрядка аккумулятора повлияла на снижение точности при работе насоса, прокачивавшего воздух. На Фиг. 5 показано, что расход воздуха снизился с номинального значения 2,2 л/мин ±5% до 0 л/мин менее чем за 2 минуты. Соответствующее изменение точности сепарации крупной пыли циклоном, вызванное изменением расхода воздуха (при ожидаемой разрядке аккумулятора за 8-часовую смену) составит 0,3%. Испытания также показали, что один из пылемеров смог проработать всего лишь 518 минут (до разрядки аккумулятора). Оказалось, что у него повреждён шнур питания зарядного устройства, и его потом заменили (перед проведением следующего испытания).

Подробные испытания нового пылемера в шахтах[править]

Работоспособность (новых пылемеров) во время всего исследования[править]

Испытания нового пылемера в шахтах проводились с ноября 2004 по август 2015г. В таблице 6 показаны результаты: общее число замеров, сделанное новыми пылемерами PDM в каждом их округов MSHA (с точки зрения добычи минеральных полезных ископаемых, территория США разделена на округа, которые не совпадают с административно-территориальным делением страны – прим.), число успешно выполненных замеров, их доля в общем числе замеров, и то, присутствовали ли представители Института. В приложении А приводятся сведения о результатах достоверных измерений концентрации пыли с указанием специальности шахтёра и шахты, где он работал. Эти измерения проводились во время выполнения типичной подземной работы, и проведение измерений не оказывало никакого негативного воздействия на выполнение работы. Представленные данные показывают результат общей оценки работоспособности программного обеспечения, электрической, механической, и физической систем нового пылемера PDM. На первой шахте, значительная ошибка программного обеспечения привела к последующим ошибкам, и в результате прибор мог обеспечить правильное измерение концентрации пыли лишь в 51% (случаев). (После этого) все приборы вернули на предприятие-изготовитель для устранения ошибки в программном обеспечении. Проведение испытаний в дальнейшем показало, что прибор выполняет корректное измерение запылённости с вероятностью от 86 до 97%, в среднем 93%.

Таблица 6. Общее число замеров, выполненных во время подробного исследования в шахтах, и число успешных (достоверных) замеров (с учётом присутствия или отсутствия представителей Института)
Округ MSHA В присутствии сотрудников Института В отсутствие сотрудников Института Всего
Число замеров Число успешных замеров Доля успешных замеров, % Число замеров Число успешных замеров Доля успешных замеров, % Число замеров Число успешных замеров Доля успешных замеров, %
Подробные испытания в шахтах
9 31 17 55 64 31 48 95 48 51
3 30 29 97 37 33 89 67 62 92
4 27 22 81 45 40 89 72 62 86
11 40 39 98 64 59 92 104 98 94
2 36 34 94 60 53 88 96 87 91
10 35 35 100 68 63 93 103 96 93
6 30 28 93 30 28 93
5 33 32 97 33 32 97
8 38 37 97 38 37 97
7 23 22 96 23 22 96
Расширенные испытания в шахтах
2(1) 9 4 44 9 4 44
9(1) 22 20 91 22 20 91
2(2) 26 23 88 26 23 88
9(2)а 7 7 100 7 7 100
9(2)b 9 3 33 9 3 33

- в расширенных испытаниях участвовали шахтёры из шахт в округах MSHA 2 и 9 (по 2 шахты в каждом округе); а в округе 9 компания (2) испытала новые пылемеры в двух своих шахтах (9(2)а и 9(2)b)

После испытаний на шестой по счёту шахте оказалось, что доля результатов достоверных измерений немного отличается в случаях, когда замеры проводятся с участием специалистов Института, и когда проводятся без их участия. Институт, проконсультировавшись с (PDM Partnership), сделал вывод, что дальнейшие подробные испытания приборов в шахтах не требуют присутствия его представителей там в течение второй недели испытаний, и после этого представители Института присутствовали при испытаниях только первую неделю. Эти (подробные) испытания проводились в мае 2005г, после проводившихся ранее масштабных испытаний приборов в шахтах.


Расширенные испытания в шахтах[править]

Расширенные испытания в шахтах проводились с июня по август 2005г. Результаты этих испытаний (число и доля достоверных замеров) приводятся в таблице 6. Эти результаты схожи с результатами подробных испытаний в шахтах – но более нестабильны. Это объясняется, главным образом, тем что при использовании одного пылемера PDM в шахте 2(1) и другого в шахте 9(2) произошли отказы, а сотрудники шахт не были обучены так, что не смогли распознать отказы. Из-за этого шахтёры продолжали использовать приборы, применение которых в нормальных условиях было бы прекращено. Наличие отказа у обоих пылемеров стало очевидно при просмотре файлов с результатами этих замеров.

Хотя не из всех шахт прислали отзывы шахтёров о новом пылемере (во время расширенных испытаний), но полученные отзывы в целом соответствуют тем отзывам, которые получили во время проведения подробных испытаний. Эти отзывы приводятся в разделе Обсуждение настоящего отчёта. Проведение этих испытаний показало, что ввод шнура электропитания в лампу на каске сбоку – не совместим с (защёлкой-креплением - flip clip), который используется в фильтрующих респираторах с принудительной подачей воздуха (которые применялись на одной из шахт). Когда у этих респираторов поднимали лицевой щиток, то (работа) зтой защёлки-крепления (flip clip) зависел от натяжения шнура электропитания лампы на каске (чтобы обеспечить правильное направление луча света). Боковой ввод шнура электропитания у нового пылемера приводил к нарушению равновесия.

Надёжность работы новых пылемеров[править]

25 новых пылемеров использовались, в общей сложности, в течение 10 926 часов, и из них 8 023 часов они работали под землёй. В среднем, каждый из приборов проработал по 437 часов (минимум - 246, максимум – 644 часа). Длительность использования конкретного изделия зависела от того, какие замеры с его помощью проводились. Первые сообщения о проведения ремонта, которые были до проведения доработки заводского программного обеспечения, не учитывали при подведении итогов о работоспособности приборов, так как эти сообщения относились к корректировке выпущенной продукции предприятием-изготовителем.

Итоговая информация об использовании пылемеров и их ремонте приводится в таблице 7. Для каждого из устройств приводится информация о длительности применения, и о виде ремонта. В таблице приводятся показатели ожидаемой частоты отказов, и ожидаемой критической частоты отказов (critical repair rates) на 1000 часов работы. Результаты приводятся в последовательности, соответствующей изменению частоты ремонтов приборов, от наиболее надёжных (вверху) к наименее надёжным (внизу). При этом в первую очередь учитывали серьёзные отказы (ремонты), а во вторую очередь – по общую частоту отказов (ремонтов). Все 25 пылемеров разделили на группы по 5 штук, в зависимости от частоты ремонтных работ. Самые исправные попали в верхнюю часть таблицы. Показаны средние суммарные показатели для групп, и для всех 25 приборов.

Частота отказов у новых пылемеров не была одинакова. Приборы, относящиеся к двум группам в верхней части таблицы, не требовали частого ремонта; а относящиеся к двум группам в нижней части таблицы, требовали более частого ремонта предприятием-изготовителем. Отказы приборов из нижней части таблицы можно отнести как к серьёзным, так и к небольшим, а у приборов из верхней части таблицы серьёзных отказов не было. У пылемеров из верхней группы средняя продолжительность работы до первого отказа составляла 506 часов. Определить надёжность этих приборов точно не удалось, так как за всё время проведения испытаний у них не было ни одного случая серьёзной неисправности.

В таблице 8 приводится суммарная информация о результатах успешного измерения запылённости для всех замеров, выполненных с помощью PDM. Для каждого прибора приводится общее число замеров, и число успешно выполненных замеров. Неудача при проведении измерений могла быть вызвана и отказом оборудования / повреждением, и ошибкой людей (неправильная установка фильтра). Информация упорядочена так, что вверху таблицы приводятся результаты для наиболее успешно выполнявшихся доли измерений. И в этой таблице информация сгруппирована так, что результаты относятся к группам пылемеров по 5 штук, и приводятся средние значения для этих групп, и для всех пылемеров вместе. Для всех 25 приборов, и всех 1202 замеров, доля успешных замеров – 90,18%. В верхней группе из 5 наиболее хорошо работавших приборов, доля успешных замеров была от 100 до 92,42%. Результаты, представленные в таблицах 7 и 8, являются независимыми оценками надёжности новых пылемеров. Частота ремонтов приборов не вполне согласуется с долей успешно выполненных замеров, поскольку специалисты Института вмешивались в проведение испытаний – чтобы предотвратить повторение некорректных измерений тогда, когда обнаруживались сбои. Кроме того, часть отказов была незначительна и легко устранима (без привлечения изготовителя).

Таблица 7. Итоговая информация о применении новых пылемеров и их ремонте (техобслуживании)
Номер пылемера Общее число ремонтов Небольшой отказ Серьёзный отказ Общая продолжительность работы, часов Суммарное число ремонтов на 1000 часов работы Суммарное число серьёзных отказов на 1000 часов работы
111 1 1 0 612,25 1,63 0,00
114 1 1 0 512,00 1,95 0,00
135 1 1 0 505,00 1,98 0,00
126 1 1 0 482,25 2,07 0,00
130 1 1 0 418,50 2,39 0,00
Среднее 1,00 1,00 0,00 506,00 2,01 0,00
125 1 1 0 392,50 2,55 0,00
124 1 1 0 390,75 2,56 0,00
115 1 1 0 315,25 3,17 0,00
116 2 2 0 581,25 2,44 0,00
127 1 1 0 246,00 4,07 0,00
Среднее 1,00 1,00 0,00 385,15 3,16 0,00
112 2 2 0 445,75 4,49 0,00
120 2 2 0 416,25 4,80 0,00
131 2 2 0 384,50 5,20 0,00
128 3 3 0 328,25 9,14 0,00
133 2 1 1 643,75 3,11 1,55
Среднее 2,20 2,00 0,20 443,70 5,35 0,31
102 2 1 1 581,00 3,44 1,72
122 3 2 1 515,25 5,82 1,94
123 2 1 1 408,25 4,90 2,45
105 2 1 1 406,00 4,93 2,46
113 3 2 1 399,25 7,51 2,50
Среднее 2,40 1,40 1,00 461,95 5,32 2,22
119 2 1 1 383,50 5,22 2,61
132 3 2 1 373,00 8,04 2,68
110 4 3 1 361,00 11,08 2,77
109 3 1 2 503,50 5,96 3,97
108 3 1 2 321,25 9,34 6,23
Среднее 3,00 1,60 1,40 388,45 7,93 3,65
Общее среднее 1,96 1,44 0,52 437,05 4,75 1,24
Таблица 8. Количество и доля успешно выполненных замеров
Номер нового пылемера Общее число замеров Число успешных замеров Доля успешных замеров, %
131 42 42 100,00
135 56 55 98,21
108 36 35 97,22
127 33 32 96,97
105 43 41 95,35
Среднее 97,55
126 49 46 93,88
116 61 57 93,44
125 45 42 93,33
114 55 51 92,73
111 66 61 92,42
Среднее 93,16
132 39 36 92,31
102 64 59 92,19
112 51 47 92,16
128 33 30 90,91
119 39 35 89,74
Среднее 91,46
123 47 42 89,36
122 56 50 89,29
115 42 37 88,10
133 70 61 87,14
109 54 47 87,04
Среднее 88,18
130 46 40 86,96
110 37 31 83,78
120 46 38 82,61
124 45 36 80,00
113 47 33 70,21
Среднее 80,71
Всего замеров 1202 1084
Средняя доля успешных замеров 90,18

Точность измерений в подземных условиях[править]

В таблице 9 приводятся результаты статистического анализа изменчивости ANOVA. Показаны относительные стандартные отклонения RSD в Lippmann chamber, который использовали при отборе проб во время проведении подробного исследования новых пылемеров в шахтах. При проведении этого анализа использовали результаты, которые (полностью) приводятся в приложении B. Относительные стандартные отклонения RSD у нового пылемера PDM: 0,078 (95% доверительные пределы 0,066 и 0,095). В[2] заявили, что для результатов (измерений), которые соответствуют нормальному распределению, погрешность измерений 35% (и ниже) обеспечивается при значении относительного стандартного отклонения RSD от 0,125 и менее. У пылемера CMDPSU при расходе воздуха 2 л/мин значение относительного стандартного отклонения RSD было 0,052, что схоже со значением, полученным ранее в работе[16] (там оно было 0,046 при запылённости более 0,5 мг/м3). Наибольшее значение RSD у пылемера CMDPSU (0,082) было при расходе воздуха 1,7 л/мин из-за нескольких результатов, которые внесли значительное искажение, и выглядели аномальными – но никаких причин для их исключения из обрабатываемых замеров не было.

Таблица 9. Результаты измерений в производственных условиях – точность.
Пылемер Число замеров RSD 95% доверительные пределы
Новый пылемер PDM 88 0,078 0,066–0,095
CMDPSU: при расходе воздуха 2 л/мин 89 0,052 0,044–0,063
CMDPSU: при расходе воздуха 1,7 л/мин 90 0,083 0,070–0,101

Обсуждение[править]

Погрешность измерений прибора[править]

Измерение массы пыли в новом пылемере основывалось на использовании первого закона физики (уравнение 1). Поэтому, теоретически, можно было бы ожидать, что погрешность измерений будет отсутствовать. Но у многих электронных приборов наблюдается систематическое расхождение между средним результатом многократных измерений, и истинным значением измеряемой массы. Эту погрешность определили и для нового пылемера PDM, и сделали коррекцию результатов измерении в соответствии с рекомендациями[22]; и предел «расширенных» значений неопределённости и чувствительности (accuracy) могут быть равны оригинальным значениям (expanded uncertainty and accuracy limit can be equivalent to the original determinations). Выполнение коррекции систематичной погрешности результатов измерений нового пылемера дополнительно повысило точность (измерений) новых пылемеров.

В начале этой работы (мы) допустили некоторые технические «компромиссы» для того, чтобы проводить точные и «чувствительные» замеры концентрации пыли в шахтах. Один из таких компромиссов – осаждение респирабельной пыли в воздуховоде, соединяющем воздухозаборник на лампе на каске с циклоном (сепаратором крупной не-респирабельной пыли). Для уменьшения такого осаждения можно использовать воздуховод из электропроводного материала, что уменьшит электростатическое осаждение, и изменить конструкцию воздуховода так, чтобы воздух двигался со скоростью, уменьшающей осаждение пыли. В работе[23] это осаждение было вычислено и измерено, и оно составило около 2% от респирабельной пыли. Другой причиной осаждения частиц мог стать воздухоподогреватель, находящийся между циклоном и фильтром микровесов пылемера. Эту причину не изучали отдельно (количественно) – она входила в общее суммарное значение погрешности. Результат измерений нового пылемера имел отрицательную погрешность, и это согласуется с физическим осаждением небольшой доли частиц на участке движения от циклона к фильтру микровесов. Такое осаждение зависит от того, каково распределение частиц пыли по размерам. Результаты, полученные и при проведении исследований в лаборатории, и при подробном исследовании в шахтах показали, что осаждение частиц пыли в новом пылемере незначительно. Поэтому технические компромиссы оказали минимальное влияние на точность измерений нового пылемера (по сравнению с другими методами измерений).

Причины увеличения погрешности измерений после того, как приборы использовались в шахтах, могут быть различны: Во-первых, это отличия калибровки значения K0. Это объясняет большую погрешность у части – но не у всех – новых пылемеров. Во-вторых, изготовитель обнаружил, что уплотнительная прокладка между циклоном и пылемером может расширяться (выступая в полсть воздуховода), что может влиять на характер движения воздуха, и может стимулировать осаждение частиц пыли. Наконец, у одного из пылемеров, который не соответствовал требованиям к 95% верхнему доверительному пределу, коническое выходное отверстие в циклоне было загрязнено герметиком, что создавало завихрения, и могло влиять на улавливание пыли. Вне зависимости от (возможных) причин, рекомендуется проводить периодическую калибровку, регулярные проверки и очистку пылемера.


Точность[править]

Было высказано предложение, откорректировать значения точности нового пылемера, полученные во время его применения в шахтах, чтобы учесть то, что (часть) пылемеров могла поступить от изготовителя (в таком состоянии), что они не соответствовали исходным требованиям Института к точности измерений. Обосновывалось это предложение тем, что большинство пользователей не в состоянии обнаружить этот недостаток, и в результате это может повлиять на точность измерений. Новое значение относительного стандартного отклонения RSDnew вычислили по формуле:

RSDnew = { RSDfield + [nfail / (100*ntotal)]*(RSDfield / RSDlab) } . . (7)


Лишь у одного из новых пылемеров погрешность измерений не соответствовала начальному 95% критерию (точности измерений – верхнему 95% доверительному пределу). Большая точность измерений в лабораторных условиях привела к небольшому изменению точности измерений в производственных условиях - от 0,0780 до 0,0786. Кроме того, (мы использовали) «предпродажную версию» пылемера, и можно ожидать, что при увеличении объёма выпуска приборов система контроля качества на заводе-изготовителе улучшится, что уменьшит погрешность измерений в производственных условиях. Поэтому такое предложение (о корректировке точности измерений в шахтах) не имеет большого значения.

Обучение и отзывы[править]

Обучение тому, как использовать новый пылемер PDM, занимало на шахтах от 30 до 45 минут. Это обучение было важным не только для того, чтобы гарантировать, что шахтёры знают, как использовать пылемер, но и потому, что оно позволяло представителям Института узнать, какие опасения вызывает новый прибор у шахтёров, и какие (по их мнению) у него есть недостатки. Шахтёров просили сообщить их мнение и то, как они оценивают применение пылемера, представителям Института.

Одним из самых главных вопросов было то, насколько новый пылемер будет удобен для шахтёров, смогут ли они его использовать. Кроме того, впервые шахтёры получили возможность получать своевременную и точную информацию о запылённости вдыхаемого воздуха. Во время проведения этого исследования представители Института имели возможность общаться с шахтёрами в неофициальной обстановке, и узнать – что они думают о приборе при его использовании. В результате общения исследователи, работавшие в шахтах, делали короткие записи с отзывами о новом приборе. Первой реакцией на новое устройство (при первоначальном обучении его использованию) были сомнения и недоверие к тому, что прибор имеет (небольшие вес и размеры), и что он вмонтирован в лампу на каске, и что он будет полезен. К концу подробного исследования пылемера в шахтах, большинство шахтёров считали, что им лучше работать с новым пылемером PDM (в основном потому, то в отличие от применявшихся ранее пылемеров он нисколько не мешал им работать).

Реакция шахтёров на новый пылемер была разной – от полного безразличия (они относились к прибору как к лампе на каске) до активного вовлечения в испытания (они старались вносить изменения в выполнение работы в зависимости от результатов измерений пылемера). Один из шахтёров (оператор комбайна) сказал, что он смотрит на показания пылемера после каждого цикла работы транспортной машины, перевозящей уголь. Некоторые из шахтёров, которые обслуживали буровые станки (для крепления кровли) были удивлены – в ряде случаев они работали в запылённой обстановке, но сами это не замечали. Один из рабочих (rock duster) был удивлён тому, что запылённость (в зоне дыхания) низкая – хотя ему казалось, что он работает в очень пыльных условиях. Большинство шахтёров, смотревших на показания пылемера, считали что это полезный прибор. Один из бригадиров использовал результат измерений для того, чтобы оптимизировать движение по грунтовым дорогам чтобы снизить воздействие пыли.

В нескольких случаях шахтёры сказали, что искривлённый корпус пылемера компенсирует его несколько больший вес по сравнению с весом стандартного свинцового аккумулятора шахтёрской лампы. Один из слесарей пожаловался на то, что новый пылемер более громоздкий, чем аккумулятор лампы, и (из-за) этого на поясе остаётся меньше места для инструмента. Шахтёры говорили, что качество и яркость лампы на каске хорошие, но многим не нравилось то, что нельзя фокусировать свет (особенно тогда, когда имевшаяся фокусировка была неправильной). Обычно шахтёрам нравились лампы старого типа – большие, с резервной лампой – а не белые светодиодные лампы нового пылемера. Один из шахтёров предложил сделать светодиодную лампу зелёной, чтобы лучше видеть в условиях загрязнённой атмосферы. В отличие от результатов испытаний прототипа пылемера, во время этих испытаний было несколько жалоб на шум, создаваемый насосом. Причём эти жалобы чаще исходили не от тех, кто работает в забое, а тех, а тех, кто работает в удалённых от забоя местах. На шум чаще реагировали во время обеденного перерыва, но он не вызывал сильного раздражения. Выхлопное отверстие насоса (основной источник шума) – остронаправленное, и на него легко установит глушитель так, что это не повлияет на расход воздуха. Часто жаловались на то, что шнур лампы на каске слишком длинный. Этот длинный шнур выбрали специально потому, что хотели, чтобы пылемер мог использоваться шахтёрами большого роста. При установке более короткого шнура(во время расширенных испытаний в шахтах) – стали жаловаться, что он слишком короткий. Нужно сделать так, чтобы в поступающих в продажу пылемерах шнур можно было легко заменить. Были жалобы на то, что шнур очень жёсткий, и раздражает шею шахтёра, когда воздух в шахте влажный.

Фиг. 6. Отображение результатов измерений и вычислений на дисплее нового пылемера PDM. Слева - в графической форме, справа - в цифровой.

Представление информации на экране[править]

На Фиг. 6 показан экран дисплея. На нём отображаются результаты измерений в разном формате. Шахтёры по-разному реагировали на представление результатов измерений в разном виде. Одним больше нравилось графическое представление результатов; другим – цифровое. Обозначения, использовавшиеся для описания результатов измерений (в цифровом формате) сбивали (шахтёров) с толку. На основе проведённых измерений (мы можем) сказать, что средняя за замер концентрация пыли в конкретный момент времени (то есть – отношение массы пыли к объёму прокачанного воздуха, за период от начала смены до текущего момента, CUM0), достаточно хорошо предсказывает среднесменную концентрацию EOS (за всю смену) – начиная с середины смены, при стабильных условиях работы. С другой стороны, среднесменная концентрация (projected concentration PROJ), которая математически равна отношению массы пыли к объёму воздуха, прокачанного за всю смену, не может считаться прямой оценкой среднесменной концентрации. Возможно, эту величину правильнее назвать «предельной концентрацией» (limit concentration). Вне зависимости от того, как называть этот параметр, его величина не (сильно) изменяется при изменении концентрации, а постепенно приближается к истинному значению среднесменной концентрации EOS. Если значение CUM0 превышает значение ПДК (PEL), требуется принять меры для снижения воздействия пыли так, чтобы оно не превысило ПДК до конца смены. Но сразу после превышения граничного значения (PROJ) - обеспечить снижение воздействия пыли до ПДК становится уже невозможно. Несмотря на сбивающие с толку обозначения, шахтёры быстро разобрались, как показания прибора (в разных форматах) связаны с их деятельностью.


Проблемы при использовании нового пылемера[править]

При испытании в шахтах (мы) столкнулись с некоторыми техническими и организационными проблемами, которые могут повлиять на применение нового пылемера, и на то, будут ли сообщать, что он мешает/раздражает шахтёров. В таблице 10 приводятся эти проблемы, и те действия, которые были предприняты для их решения. При использовании любого нового оборудования (особенно в таких сложных условиях, как шахты), подобные проблемы могут быть выявлены только при практическом применении прибора. Переход на применение нового пылемера CMDPSU в горной промышленности займёт несколько лет, в течение которых проблемы будут выявляться и устраняться, а новая технология доводиться до совершенства. (Проведённая нами) проверка прототипа и «предпродажной» версии прибора в условиях шахт, вероятно, выявила не все потенциальные проблемы. Но мы надеемся, что проведённые испытания ускорят процесс освоения этой новой технологии.

Таблица 10. Проблемы при использовании нового пылемера, и комментарии
Проблемы Комментарии
Регулирование температуры (воздуха) в датчике микровесов Перепаяли соединение датчика температуры, нагреватель исправен
Неисправность дисплея Плохой контроль качества у поставщика, стали брать их у другого поставщика; заменили все кнопки и предохранители
Неисправность кнопок Заменили часть дисплея
Новый пылемер не смог установить связь с компьютером После первого испытания в шахтах изготовитель заменил программное обеспечение
Неисправность аккумулятора Заменили аккумулятор
Преждевременный отказ лампы на каске Изменили толщину нити накаливания; отправили в MSHA для сертификации
Отсутствие измерений в файле с результатами работы Эта неисправность не повторялась, возможная причина – фильтр некорректно установили на микровесы
Плохо заряжен аккумулятор Проблема или с аккумулятором, или с зарядным устройством
Проблемы при зарядке, неправильная индикация степени зарядки из-за плохого контакта в разъёме Почистили контакты, спроектировали самоочищающиеся контакты. Улучшили программное обеспечение, управляющее зарядкой аккумулятора
Сильное запыление фильтра в начале испытаний Некорректная установка фильтра
Разбилось входное отверстие на циклоне Add better strain relief at inlet
Соскочила трубка с входного отверстия циклона Add better strain relief at inlet
Плохая фокусировка лампы на каске (Устранили проблему - Reshim bulb); проинструктировали слесаря – как проводить фокусировку.
Не обнаружили чувствительный элемент микровесов Спроектировали более плотное соединение чувствительного элемента TE
Проверка герметичности (воздуховода) показала наличие неплотности Обнаружилась утечка (воздуха) в месте соединения циклона и пылемера, загерметизировали место утечки герметиком – нужно изменит конструкцию этого места.
Несовместимость (нового пылемера) с новыми системами дистанционного управления (горными машинами) Изготовитель переделал кабель питания пылемера так, чтобы дистанционное управление было совместимо с пылемером
Кабель питания лампы на каске очень длинный, или очень короткий Изготовитель предложил кабели разной длины, или кабели, которые можно регулировать в производственных условиях.
Фиг. 7. Пример распечатки результатов измерений.

Файлы с результатами измерений[править]

Скачивание файлов[править]

При использовании программного обеспечения WinPDM для скачивания результатов измерений с пылемера в компьютер, пользователю предоставляется возможность выбора. Он может распечатать «карту измерения запылённости» (Фиг. 7). Она выглядит как используемая сейчас карта измерения запылённости, но в ней дополнительно приводятся все сообщения о возможных ошибках, и сведения о воздействии пыли на момент окончания смены (EOS). В рассмотренном случае, воздействие (респирабельной) пыли составило 0,73 мг/м3. Прибор показывает, как был завершён каждый из замеров (по индикации кода ошибки – если она была - в соответствующем поле для таких сообщений. В рассмотренном примере, в этом поле появилось сообщение «Program end of sample». Так как нормальное завершение замера не является ошибкой, то (появление) такого сообщения в таком поле – неправильно. При желании, пользователь может визуально проверить графики разных параметров, таких как концентрация, масса, расход воздуха, давление, наклон – как они изменялись с течением времени. Эту возможность использовали нечасто (при проведении данного исследования), но она полезна для быстрой проверки того, что произошло за смену. Наконец, результаты могут быть сохранены в виде текстового файла в формате с запятой-разделителем (comma-separated version .CSV). Такие файлы можно заархивировать, или изучить (используя стандартные программы типа Excal).

Фиг. 8. Подробная запись изменения концентрации пыли с течением времени (для замера, к которому относится Фиг. 7).
Интерпретация[править]

Можно построить графики изменения параметров, используя информацию из текстовых файлов. На Фиг. 8 показаны такие графики, полученные с помощью данных из файла, соответствующих измерениям, показанным на Фиг. 7. Эти графики показывают, как повлиял на результат измерений резкий рост запылённости в 9:00. Эти сведения показывают, как резкое кратковременное увеличение запылённости в 9:00 повлияло на значения накопительной и текущей концентрации пыли. Значения накопленной концентрации после уменьшения запылённости также снизились, а значения текущей – продолжали расти. В конце смены обе концентрации стали равны друг другу.

Показано влияние кратковременного увеличения концентрации пыли в 9 часов. После уменьшения запылённости, средняя концентрация (от начала смены до текущего момента) уменьшилась, а «ожидаемая среднесменная концентрация» не снизилась, а продолжала возрастать.

Самодиагностика нового пылемера[править]

Сведения о параметрах работы и их интерпретация[править]

Новый пылемер автоматически определяет и может сообщить о многих полезных параметрах как самого прибора, так и окружающей среды. Эти параметры могут быть выбраны или изготовителем, или уполномоченным пользователем, и они могут записываться в память с требуемой периодичностью. Компания-изготовитель TEC обеспечивает «базовый шаблон», или файл, содержащий данные о работе и настройках прибора, который дополняет «диагностический шаблон», используемый для поиска и устранения неполадок устройства. Эти шаблоны можно регулировать так, чтобы они обеспечивали индикацию о разных видах неполадок (для различной степени нарушения нормальной работы, и для разных интервалов проверки работоспособности).

Различение достоверных результатов измерений от недостоверных[править]

Важным вопросом является то, как использовать информацию о работе прибора для определения того, достоверен ли результат конкретного замера, или нет. В конечном итоге, выбор таких критериев осуществляет пользователь прибора. Те пылемеры, которые были прототипами, и те, которые были (испытаны) до поступления в продажу, по-разному определяли наличие ошибок. Сначала думали, что для обеспечения контроля за достоверностью измерений можно поставить датчик, который бы определял – переворачивался ли пылемер, или нет. При переворачивании уловленные циклоном крупные частицы могут вывалится из ёмкости для пыли, и попасть на чувствительный элемент (как показали данные, приводимые в приложении С, это изредка происходит). Но использование прототипа показало, что этот метод не подходит, так как он даёт частые ложные сообщения о наличии ошибок. Попадание крупных частиц на фильтр не только искажает результат измерений (нужно измерять концентрацию мелкой респирабельной пыли, а они крупные и не-респирабельные), но также приводит к чрезмерному и мгновенному увеличению массы пыли на фильтре. Для новых вариантов пылемера, изготовленных до начала коммерческой продажи, был предложен альтернативный способ устранения ошибок – вместо определения наклона прибора. Программное обеспечение стало анализировать скорость изменения массы пыли на фильтре, и сообщать о резком возрастании. Таким образом, новый алгоритм контролирует не возможность появления ошибки измерения (переворачивание прибора, которое может вызвать загрязнение фильтра крупными частицами), а саму ошибку (попадание крупных частиц на фильтр). При проверке сначала запрограммировали сигнализацию об ошибке при возрастании массы респирабельной пыли на более чем 5 мкг за интервал 2 минуты. Получилось, что сигналы об ошибках поступали часто – и даже тогда, когда результат измерений был совершенно правильный (например, когда шахтёр заходил в область удаления сильно запылённого воздуха из забоя). Поэтому программу изменили – сигнал об ошибке стал выдаваться при увеличении массы на 100 мкг за 1 минуту. Это привело к тому, что во второй период проверки в шахтах, был лишь один случай срабатывания этой сигнализации. Внесённое изменение значительно снизило частоту сообщений о неполадках – но и при таком изменении полученные вполне достоверные результаты могли попасть в разряд недостоверных. Поэтому, вероятно, следует ещё больше увеличить значение изменения массы, рассматриваемое как ошибка при измерениях.

Фиг. 9. Ошибка при измерении массы уловленной пыли из-за перекрывания прохода воздуха по воздуховоду, и последующего восстановления движения воздуха.

Также оказалось, что когда отверстие для всасывания воздуха в пробоотборной трубке закрывали, то возникавшее быстрое увеличение разрежения в измерительной части прибора приводило к ошибочному «увеличению» массы пыли на фильтре, и приводило к появлению сообщения об ошибке. Это показано на Фиг. 9, где приводится изменение давления и массы. Заметим, что после того, как входное отверстие открывалось, результат измерения воздействии за смену – не зависел от того, было (временное) перекрытие прохода воздуха. Также отметим, что при таком перекрывании может произойти уменьшение расхода воздуха, прокачиваемого насосом прибора. Используя эту информацию, изготовитель должен улучшить алгоритм определения ошибок измерения массы пыли так, чтобы он игнорировал случаи кратковременного появления разрежения. Если длительность перекрытия прохода воздуха превысит 2 минуты, возникнет ошибка измерения расхода воздуха, и сделанный замер может попасть в категорию некорректных. Аналогично, алгоритм должен выявлять сочетание сообщений о переворачивании прибора и о резком возрастании массы пыли на фильтре – так, чтобы это сочетание приводило к появлению сообщения о недостоверности результатов измерений.


Сейчас MSHA использует базу данных по замерам запылённости, в которой некорректные и корректные замеры можно отличить по их кодировке. Анализ данных из этой базы (см. приложение С) по замерам, сделанным в период с 1994 до 2004г, показал, что доля корректных замеров, сделанных инспекторами и работодателем, составляет 92,3% и 83,1% (для общего числа замеров 381 335 и 487 713) соответственно. Учитывая причины некорректности сделанных замеров, и повышенную точность и надёжность прибора PDM, мы считаем, что использование нового пылемера позволило бы снизить частоту некорректных замеров примерно в два раза.

Техническое обслуживание[править]

Из-за того, что в изделие постоянно вносились измерения для улучшения его свойств, информация о периодичности техобслуживания приборов во время проведения этого исследования не подойдёт для оценки периодичности таких работ при эксплуатации новых версий прибора в будущем. Можно ожидать, что улучшение конструкции и исполнения таких пылемеров приведёт к устранению выявленных недостатков, и тогда все приборы станут соответствовать показателям, полученным сейчас для наибольших квантилей (то есть – данным о наибольшей периодичности проверенных сейчас приборов – прим.).

Калибровка[править]

Расход воздуха[править]

Пробоотборный насос нового пылемера не требует проведения частой калибровки. Первоначальная калибровка каждого из приборов была сделана в конце осени 2004г, а затем все приборы вернули изготовителю для обновления их программного обеспечения. При анализе полученных результатов мы не использовали информацию, полученную до этой калибровки. Сведения о повторных калибровках, и о длительности применения приборов, отсчитываются от момента времени, когда обновлялось программное обеспечение. При оценке погрешностей расхода воздуха при стандартном расходе 2,2 л/мин, мы использовали два критерия. Первый – погрешность расхода ±1% - использовалась для лабораторной проверки и проверки точности измерений; второй – погрешность ±5% - для случаев применения прибора в шахтах, так как этот критерий используют для применяемых там сейчас персональных пробоотборных насосов CMDPSU. В таблице 11 показаны сведения о калибровках, погрешность измерения расхода воздуха, и длительности применения 10 пылемеров. Все приборы были изначально откалиброваны на предприятии-изготовителе. Кроме того, несколько приборов были позднее откалиброваны исследователями. Лишь один из пылемеров потребовал калибровки из-за того, что погрешность расхода воздуха превысила 5%. Три прибора откалибровали для того, чтобы они обеспечили погрешность не выше 1%. Общая продолжительность работы всех 10 пылемеров, показанных в таблице 11, составила 3 354 часов.

Таблица 11. Информация о калибровках по расходу воздуха
Номер прибора PDM Повторная калибровка расхода воздуха при погрешности 1%–5% Повторная калибровка расхода воздуха при погрешности >5% Суммарная продолжительность работы (часы)
111 0 0 459,25
114 0 0 455,50
135 0 0 392,25
126 0 0 321,75
130 0 0 299,75
125 0 0 339,25
124 0 1 264,50
115 1 0 204,25
116 0 0 419,75
127 2 0 197,75
Всего 3 1 3354,00

Периодичность калибровки, обеспечивающая погрешность измерения расхода воздуха ±1% 239,57 Периодичность калибровки, обеспечивающая погрешность измерения расхода воздуха ±5% 838,50

Сейчас инспектора MSHA и администрация угольных шахт проверяют расходы воздуха у используемых ими персональных пробоотборных насосов через каждые 200 часов их работы. Хотя информации в таблице 11 недостаточно для того, чтобы точно определить периодичность проведения калибровки нового пылемера в отношении расхода воздуха, она позволяет оценить значения такой периодичности. Для 10 испытанных приборов, проведение периодической калибровки каждые 240 часов работы позволит обеспечить соответствие критерию ±1%, а при калибровке каждые 840 часов - ±5%. На основе этой информации можно сказать, что калибровка расхода воздуха должна проводиться с периодичностью 240-840 часов работы. Стабильность расхода воздуха у насосов, используемых в новом пылемере, ничуть не ниже стабильности расхода воздуха у насосов персональных пробоотборников, используемых сейчас, и их не придётся проверять чаще, чем насосы персональных пробоотборников.

Масса пыли на фильтре[править]

Для получения достоверных результатов при использовании нового пылемера требуется проводить периодическую калибровку весов в лабораторных условиях. Также потребуется периодически проводить углубленное обследование прибора для того, чтобы обеспечить соответствие его показаний предъявляемым требованиям. Результаты проведённых измерений показали, что калибровка должна будет проводиться периодически, но имеющейся информации недостаточно для того, чтобы определить интервал между калибровками. Если будет проводиться простая проверка прибора, то имеет смысл проводить её одновременно с проверкой расхода воздуха. По мере накопления опыта использования нового пылемера на рабочих местах, можно будет пересмотреть значение периодичности проверки (калибровки) измерения массы уловленной пыли.

Выводы[править]

Испытания в лабораторных условиях и на рабочих местах под землёй показали, что разработан новый прибор, позволяющий получать точный результат в реальном масштабе времени. В сотрудничестве с профсоюзными организациями, государственными учреждениями и промышленностью, была разработана программа испытаний, которая показала, что в лабораторных условиях погрешность измерений пылемера PDM составляет ±25% с доверительной вероятностью 95%. Также испытания показали, что после длительного применения под землёй точность измерений в лабораторных условиях не отличалась от первоначальной. Но оказалось, что у некоторых изделий погрешность измерений вышла за пределы 95% доверительной вероятности, и предположительно, это произошло из-за изменения погрешности измерений. Поэтому рекомендуется проводить периодическую калибровку прибора.

Проведение испытаний под землёй, когда пылемер использовался шахтёрами во время обычного выполнения работы, показали что прибор надёжно работает в течение длительных интервалов времени, и доля успешно выполненных достоверных замеров составляет около 90%. Это схоже с аналогичным показателем для уже применяющихся пылемеров. Многие из шахтёров заявили, что они предпочли бы использовать новый пылемер вместо уже применяемых, поскольку он встроен в лампу на каске, которую они обычно используют. Шахтёры высоко оценили возможность немедленно получать информацию о запылённости, обеспечиваемую новым прибором; а некоторые шахтёры научились использовать эту информацию так, чтобы свести к минимуму воздействие пыли.

Результаты испытаний в угольных шахтах показали, что точность измерений нового пылемера (относительное стандартное отклонение RSD) составляет 0,078. В следующей публикации будет показано, что результаты измерений нового прибора соответствуют критериям стандарта MRE.

В дальнейшем (необходимо) изучить то, как шахтёры могут использовать результаты измерений нового прибора для уменьшения воздействия пыли. Будет проведено исследование для определения и регистрации того, как шахтёры используют информацию о воздействии пыли, получаемую от нового пылемера. Будут проведены опросы каждого их представителей ~50 профессий, соответствующих основным наиболее распространённым специальностям подземных рабочих. Лучшие методы использования показаний нового пылемера будут зафиксированы, опубликованы и разосланы (по предприятиям) угольной промышленности. Хотя собрана информация, показывающая, что результаты измерений нового прибора соответствуют требованиям стандарта MRE (как это требует законодательство США), но анализ этих измерений оказался более сложным, чем это ожидалось сначала. Это связано с тем, что при увеличении концентрации обнаружилась изменчивость, и потребовалось использовать более сложную статистическую (математическую) модель, по сравнению с той, которую планировали использовать сначала. Готовится новый отчёт, в котором будет сделано сравнение показаний нового пылемера со стандартами MRE и ISO.


Благодарности[править]

Авторы благодарны за советы и поддержку, которые они получили от: joint Health and Safety Committee of the Bituminous Coal Operators’ Association, руководитель Джо Ламоника (Joe Lamonica) и от профсоюза United Mine Workers of America, руководитель Деннис О’Дел (Dennis O’Dell). Также авторы благодарны MSHA за активную поддержку и участие в совместных исследованиях (закупка измерительных приборов для испытаний и для замеров запылённости на 180 рабочих местах в разных шахтах страны. Мы благодарны администрации шахт за проявленное терпение, и особенно признательны тем шахтёрам, которые выполняли тяжёлую работу для того, чтобы мы получили достоверную информацию (о работоспособности приборов). Мы благодарны Эриху Рупрехту (Erich Rupprecht), Business Development Manager и Дэну Данхаму (Dan Dunham), PDM Project Manager (компания Thermo Electron Corp.) за их плодотворную помощь. Наконец, мы благодарны сотрудникам Питтсбургской лаборатории Института Эрике Холл, Кэлвину Гарбовски, Шону Вэндерслис и Жанне Зиммер (Erica E. Hall, Calvin D. Garbowsky, Shawn E. Vanderslice и Jeanne A. Zimmer) за их добросовестную помощь в области управления оборудованием как во время лабораторных измерений, так и во время замеров в шахтах.

Приложение A.[править]

Подробная информация об измерениях концентрации пыли в шахтах с помощью нового пылемера PDM

округ MSHA № 9
Дата Специальность и код специальности MSHA
Оператор очистного комбайна 64 Слесарь 4 Оператор очистного комбайна 64 Shift foreman 49 Faceman 41 Faceman 41 Faceman 41 Faceman 41 Слесарь 4 Headgate 40 Dust sampler 414 Fixed return 61 Fixed return 61
2 ноября 2,51 1,87 1,37 0,73 0,62 1,72 1,68
3 ноября 2,03 1,81 2,17 0,61 2,24 2,8 2,73 1,62
4 ноября 0,87 1,75 0,47 0,57 1,32 1,24 0,976 1,74 1,48
5 ноября 0,44 0,28 0,59 0,37 0,57 0,32 0,23 0,23 0,64
6 ноября 0,25 0,12 0,17 0,15 0,17
7 ноября 0,82 0,99 0,66 0,86
8 ноября 0,92 0,48 0,8 0,91 1,35 0,77
9 ноября 1,6 2,35 3,35 3,41 3,19 3,13
10 ноября 2,42 2,68
11 ноября 0,91 1,52 1,37 1,47

- не работали.


округ MSHA № 3
Дата Специальность и код специальности MSHA
Miner operator 36 Tube side bolter 48 Intake side bolter 19 Loader operator 43 Standard shuttle car 50 Off-standard shuttle car 73 Слесарь 4 Бригадир 430 Center bolter 46 Center bolter helper 47
14 декабря 0,38 0,69 0,31 1,09 0,26 0,37 0,35 0,5 0,35 0,33
15 декабря 0,55 0,49 0,54 0,41 0,28 0,33 0,32 0,93 0,6 0,46
16 декабря 0,48 0,72 0,45 0,37 0,26 0,31 0,4 0,45 0,54
17 декабря 0,37 0,31 0,35 0,35 0,33 0,36 0,4 0,92
20 декабря 0,69 0,57 0,44 0,33 0,36 0,4 0,48 0,07
21 декабря 0,32 0,39 0,27 0,24 0,3 0,19 0,72 0,87
22 декабря 0,31 0,41 0,4 0,24 0,24 0,19 0,23 0,66

- циклон был разбит (Cyclone broken, but ran in office)

округ MSHA № 4
Дата Специальность и код специальности MSHA
Оператор очистного комбайна (head operator) 064 Оператор очистного комбайна (tail operator) 040 Слесарь 1 004 Слесарь 2 004 Jack setter 1 041 Jack setter 2 041 Подсобный рабочий 053 Бригадир 049
4 января 0,84 0,66 0,66 0,55 0,97 0,72 0,7 0,79
5 января 1,41 1,07 0,69 1,4 1,29 1,3
6 января 1,52 1,53 0,57 0,8 1,58 1,69 1,07 1,2
7 января 1,4 0,64 0,56 0,66 1,43 1,33 1,13 1,71
10 января 1,47 1,53 1,36 0,85 1,54 1,51 1,27 1,63
11 января 1,86 1,84 0,25 1,02 2,07 1,56 1,42 1,88
12 января 0,85 0,75 0,59 0,13 1,01 0,97 0,96 0,77
13 января 1,45 1,44 1,05 0,85 1,21 1,24 1,07 1,56


округ MSHA № 11
Дата Специальность и код специальности MSHA
Miner operator 36 Miner helper 35 Intake side bolter 12 Return side bolter 14 Ram car 2 50 Ram car 3 50 Ram car 4 50 Бригадир 49 Scoop 54 Curtain 8 Bratticeman 32 Intake bolter (не в забое) 12 Return bolter (не в забое) 14 Guest Beltman Подсобный рабочий Motorman
25 января 0,73 0,85 0,9 1,26 0,57 0,46 0,58 0,86 0,92 1,09 1,3 0,88 0,84
26 января 1,23 0,65 0,9 1,17 0,98 1,16 1,23 0,67 0,58 0,66 0,54 0,52
27 января 0,61 0,67 1,5 1,31 0,64 0,67 0,61 1,01 0,88 1,67 0,6 0,64 1,43 0,48
28 января 0,58 0,95 0,51 0,43 0,7 0,6 0,58 0,39 0,7 0,41 0,64 0,22 0,21 0,46
31 января 0,53 0,64 0,78 0,79 0,89 0,92 0,96 0,59 0,65 1,01 0,68 0,52 0,33
1 февраля 0,5 0,78 1,06 1,05 0,32 0,27 0,36 0,66 0,45 0,36 0,56 0,69
2 февраля 0,63 1,16 1,22 1,4 1,13 1,01 0,96 1,53 0,49 0,57
3 февраля 0,77 1,35 2,63 1,65 1,05 0,69 0,86 0,51 1 1,28
округ MSHA № 2
Дата Специальность и код специальности MSHA
Standard shuttle car 50 Center bolter 46 Left return side bolter 14 Off-standard shuttle car 73 Utility man (не в забое) 53 Center bolter helper 47 Слесарь 4 Miner operator 36 Бригадир 49 Оператор машины-погрузчика 43 Right intake side bolter 12 Tubeman brattice 32
8 февраля 0,23 0,21 0,67 0,38 0,42 0,19 0,50 0,25 0,27 0,65
9 февраля 0,14 0,19 0,55 0,21 0,19 0,17 0,19 0,41 0,31 0,18 1,74 0,86
10 февраля 0,42 0,4 0,78 0,25 0,48 0,24 0,31 0,42 0,31 0,89 0,73
11 февраля 0,18 0,25 0,23 0,29 0,41 0,30 0,40 0,45 0,27 0,51 0,64
14 февраля 0,22 0,20 0,79 0,16 0,24 0,21 0,43 0,29 0,22 0,66 0,55
15 февраля 0,15 0,24 1,63 0,29 0,21 0,19 0,38 0,52 0,87 0,58
16 февраля 0,24 0,26 0,82 0,42 0,04 0,26 0,34 0,39 0,42 0,63 0,93 0,96
17 февраля 0,17 0,18 1,06 0,28 0,32 0,54 0,51 0,41 0,79 1,17
округ MSHA № 10
Дата Специальность и код специальности MSHA
Right miner operator 36 Left miner operator 36 Right bolter opposite operator 12 Right bolter operator 14 Left bolter opposite operator 12 Left bolter operator 14 Shuttle car 1 50 Shuttle car 2 50 Shuttle car 3 50 Shuttle car 4 50 Бригадир 49 Слесарь 4
1 марта 0,86 1,63 0,76 0,55 1,33 1,76 0,82 0,74 0,66 0,63 0,6 0,59
2 марта 1,12 1,23 1,1 0,98 1,34 0,99 0,75 0,75 0,72 0,67 0,69 0,57
3 марта 1,07 1,73 1,71 0,6 2,48 2,46 0,77 0,83 0,7 0,78 0,56
4 марта 0,68 1,58 0,62 0,6 1,57 32,45 0,85 0,97 0,79 0,86 0,52 1,35
5 марта 0,31 1,62 0,59 1,29 1,5 1,32 0,68 0,8 0,76 1,04
7 марта 1,31 0,32 1,08 2,09 0,77 0,78 0,77 0,66 0,62 0,88
8 марта 1,64 0,73 0,92 1,32 0,74 0,89 0,8 0,78 0,89
9 марта 1,96 1,96 0,84 1 1,55 1,03 1,08 0,95 0,87 0,7 1,08
10 марта 0,67 1,64 0,7 12,12 6,32 0,75 0,76 0,53 1,11

- Data valid, voided for cause.


округ MSHA № 6
Дата Специальность и код специальности MSHA
Roof bolter operator 12 Left miner operator 36 Shuttle car 50 Электрик 2 Left bolter operator 14 Right miner operator 36 Shuttle car 50 Бригадир 49 Left bolter 12 Shuttle car 50 Right miner operator 36
15 марта 1,57 1,53 0,66 0,29 1,9 1,08 0,26 0,82 2 0,23
16 марта 1,22 1,7 0,9 1,47 1,65 0,56 1,75 1,7 0,52 0,98
17 марта 1,14 1,6 0,52 1,68 0,34 0,71 0,33 1,16
округ MSHA № 5
Дата Специальность
#1 Bridge Left bolter/right side Слесарь #2 Bridge Right bolter/left side MSHA Scoop Right bolter/right side #3 Bridge Бригадир Left bolter/left side Miner operator
29 марта 1,42 1,25 0,63 0,58 1,19 1,31 NS 1,02 1,38 0,85 1,04 5,84
30 марта 0,34 1,62 1,48 0,87 3,43 NS 3,52 3,01 1,61 2,18 1,26 1,63
31 марта 0,32 0,72 0,5 1,17 NS 1,34 0,98 0,7 1,01 0,54 0,84

NS – отбор проб не проводился; - коды специальностей MSHA отсутствуют.


округ MSHA № 8
Дата Специальность и код специальности MSHA
Right miner operator 36 Left miner operator 36 Right intake side bolter 12 Right return side bolter 14 Left intake side bolter 12 Left return side bolter 14 Coal hauler 67 50 Coal hauler 69 50 Бригадир 49 Utility 53 Mechanic 4 Mechanic 4 Safety Coal hauler 67 50
19 апреля NS 1,61 0,95 2,92 1,64 1,6 1 1,19 1,37 1,05 0,72 1,6
20 апреля NS 1,46 1,75 2,72 1,58 2,52 1,08 1,09 1,68 0,96 0,5 0,54 0,69 1,27
21 апреля 0,42 4,24 2,19 3,34 1,15 2,84 1,74 1,74 1,46 1,08 0,74 0,83 NS NS

NS – отбор проб не проводился.

округ MSHA № 7
Дата Специальность и код специальности MSHA
Miner operator 36 Pinner operator 12 Standard shuttle car 50 Off-standard shuttle car 73 Электрик 2 Scoop 54 Бригадир 49 NIOSH 1 NIOSH 2 MSHA
17 мая 0,35 0,24 0,29 0,24 0,34 0,23 0,17 0,47
18 мая 1,27 0,32 0,3 0,58 0,25 0,29 0,963 0,7
19 мая 1,01 0,6 0,26 0,28 2,67 0,27

Приложение B.[править]

Подробная информация об отборе проб воздуха в шахтах с помощью стационарного пробоотборника Lippmann sampler

Дата Новый пылемер PDM Циклон Dorr-Oliver, расход 2 л/мин Эквивалентная среднесменная концентрация MRE, мг/м3 Циклон Dorr-Oliver, расход 1,7 л/мин Распределение частиц по размерам
№ пылемера Концентрация, мг/м3 Средняя конц мг/м3 Стандартное отклонение, мг/м3 RSD Масса, мг Время, мин Концентрация, мг/м3 Средняя концентрация, мг/м3 Стандартное отклонение, мг/м3 RSD Масса, мг Концентрация, мг/м3 Средняя конц мг/м3 Стандартное отклонение, мг/м3 RSD № измерителя Средний массовый аэродинамический диаметр MMAD, (мкм) GSD
Шахта Twentymile mine, округ MSHA № 9
2 ноября 102

122

108

1,367

1,475

1,349

1,397 0,068 0,049 0,731

0,750

0,746

355 1,030

1,056

1,051

1,046 0,014 0,013 1,443 0,753

0,711

0,760

1,248

1,178

1,259

1,228 0,044 0,036 1

2

3

9,38

9,35

8,85

2,65

2,51

3,00

3 ноября 102

122

108

1,630

1,771

1,586

1,662 0,097 0,058 0,787

0,788

0,730

319 1,204

1,235

1,144

1,204 0,052 0,043 1,662 0,788

0,777

0,765

1,453

1,433

1,411

1,432 0,021 0,015 4

5

6

10,00

7,13

8,27

2,99

2,58

2,59

4 ноября 102

122

108

1,239

1,307

1,099

1,215 0,106 0,087 0,645

0,664

0,610

380 0,849

0,874

0,803

0,842 0,036 0,043 1,161 0,658

0,667

0,633

1,019

1,033

0,980

1,010 0,027 0,027 7

8

9

8,67

7,48

7,43

2,84

2,57

2,74

Шахта Blacksville mine, округ MSHA № 3
14 декабря 115

130

135

0,365

0,363

0,344

0,358 0,012 0,033 0,059

0,053

0,048

109 0,271

0,243

0,220

0,245 0,025 0,103 0,338 0,062

0,058

0,052

0,335

0,313

0,281

0,309 0,027 0,088 7

8

9

8,68

8,17

8,19

2,34

2,89

3,06

15 декабря 115

130

135

1,506

1,602

1,331

1,479 0,137 0,093 0,614

PF

0,640

300 1,023

1,067

1,045 0,031 0,029 1,442 0,679

0,636

0,601

1,331

1,247

1,178

1,252 0,077 0,061 10

11

14

6,56

7,32

7,26

2,59

2,90

2,39

16 декабря 115

130

135

0,755

0,826

0,711

0,764 0,058 0,076 0,331

0,342

0,306

317 0,522

0,539

0,483

0,515 0,029 0,057 0,710 0,319

0,314

0,372

0,592

0,583

0,690

0,622 0,060 0,096 16

17

19

7,08

7,53

7,54

2,58

2,57

2,44

Шахта Harris mine, округ MSHA № 4
4 января 115

120

135

2,655

2,472

2,519

2,549 0,095 0,037 0,954

0,906

0,946

224 2,129

2,022

2,111

2,087 0,057 0,028 2,880 0,866

0,851

0,914

2,273

2,234

2,399

2,302 0,086 0,038 1

2

3

5,49

6,11

5,34

2,83

3,13

3,12

5 января 115

120

135

1,988

2,151

2,013

2,051 0,088 0,043 0,447

0,444

0,416

147 1,519

1,509

1,414

1,481 0,058 0,039 2,043 0,413

0,413

0,440

1,651

1,651

1,759

1,687 0,062 0,037 4

5

6

6,06

6,13

5,92

2,92

2,87

2,90

6 января 115

120

135

1,812

1,887

1,905

1,868 0,049 0,026 0,517

0,498

0,472

170 1,520

1,464

1,387

1,457 0,066 0,046 2,010 0,451

0,481

0,481

1,559

1,663

1,663

1,629 0,060 0,037 7

8

25

5,96

7,17

6,24

2,90

2,66

3,27

Шахта Pittsburg & Midway mine, округ MSHA № 11
25 января 115

120

127

2,129

2,147

2,407

2,228 0,156 0,070 0,745

0,735

0,703

205 1,816

1,792

1,714

1,774 0,054 0,030 2,448 0,699

0,692

0,725

2,005

1,985

2,079

2,023 0,050 0,025 1

2

3

7,10

6,93

6,03

3,21

3,23

3,18

26 января 115

120

127

0,609

0,599

0,670

0,626 0,038 0,061 0,267

0,264

0,247

281 0,474

0,469

0,439

0,461 0,019 0,042 0,636 0,256

0,262

0,266

0,535

0,548

0,556

0,546 0,011 0,019 4

5

6

10,09

9,21

9,15

3,87

3,23

3,47

27 января 115

120

127

1,732

1,794

1,754

1,760 0,031 0,018 0,761

0,771

0,724

265 1,435

1,454

1,365

1,418 0,047 0,033 1,957 0,700

0,700

0,707

1,553

1,553

1,569

1,558 0,009 0,006 7

8

25

6,67

6,21

6,08

3,29

3,48

3,32

Шахта Emerald mine, округ MSHA № 2
8 февраля 115

120

127

0,750

FL

0,904

0,827 0,109 0,132 0,156

0,142

0,143

124 0,630

0,574

0,578

0,594 0,031 0,053 0,820 0,138

0,141

0,153

0,656

0,670

0,727

0,685 0,038 0,055 16

17

18

8,19

10,89

10,68

2,61

2,82

2,44

9 февраля 115

120

127

2,310

2,300

2,510

2,373 0,118 0,050 0,735

0,749

0,692

204 1,802

1,837

1,697

1,779 0,073 0,041 2,454 0,681

0,708

0,708

1,965

2,042

2,042

2,017 0,045 0,022 19

20

21

7,23

7,25

6,91

2,68

2,89

2,78

10 февраля 115

120

127

0,660

NF

0,760

0,710 0,071 0,100 0,213

0,217

0,197

198 0,539

0,549

0,498

0,529 0,027 0,051 0,729 0,204

0,213

0,219

0,607

0,634

0,652

0,631 0,022 0,036 22

23

24

11,44

13,15

11,60

3,20

3,16

3,34

Шахта Freedom mine, округ MSHA № 10
1 марта 115

124

127

1,839

1,879

1,865

1,861 0,020 0,011 0,518

0,486

0,489

150 1,727

1,620

1,630

1,659 0,059 0,036 2,289 0,461

0,476

0,471

1,808

1,867

1,847

1,841 0,030 0,016 7

8

9

7,33

9,02

6,82

3,08

3,62

3,08

2 марта 115

124

127

1,255

1,322

1,347

1,308 0,048 0,036 0,554

0,559

0,548

265 1,045

1,055

1,034

1,045 0,010 0,010 1,442 0,269

0,545

0,531

0,597

1,210

1,179

0,995 0,345 0,347 10

11

12

5,44

5,75

5,40

2,84

2,87

2,97

3 марта 115

124

127

1,749

1,770

1,882

1,800 0,072 0,040 0,768

0,768

0,741

249 1,542

1,542

1,488

1,524 0,031 0,021 2,103 0,708

0,735

0,707

1,673

1,736

1,670

1,693 0,038 0,022 13

14

15

5,56

6,02

5,35

3,29

3,26

3,20

Шахта John's Creek mine, округ MSHA № 6
15 марта 115

124

127

2,550

2,704

2,796

2,683 0,124 0,046 1,094

1,040

1,058

246 2,223

2,113

2,150

2,162 0,056 0,026 2,983 1,037

0,988

1,043

2,479

2,362

2,493

2,445 0,072 0,030 1

2

3

6,52

6,27

6,93

2,90

3,01

2,95

16 марта 115

124

127

3,955

4,181

2,347

3,494 1,000 0,296 0,847

0,812

0,859

121 3,610

3,354

3,548

3,054 0,134 0,038 4,836 0,815

0,784

0,782

3,960

3,810

3,800

3,857 0,090 0,023 4

5

6

5,14

5,94

6,37

3,74

3,56

3,46

17 марта 115

124

127

4,400

4,534

4,960

4,631 0,292 0,063 1,072

0,982

1,002

127 4,219

3,865

3,944

4,009 0,186 0,046 5,533 0,953

0,967

0,980

4,413

4,477

4,538

4,476 0,063 0,014 7

8

9

7,44

9,85

8,86

3,02

3,46

3,17

Шахта Fork Ridge mine, округ MSHA № 5
29 марта 124

127

130

12,149

13,241

11,719

12,370 0,785 0,063 1,128

1,141

1,179

60 9,400

9,508

9,825

9,578 0,221 0,023 13,217 1,171

1,125

1,150

11,480

11,029

11,275

11,261 0,226 0,020 1

18

19

5,80

5,66

5,89

2,86

2,67

2,97

30 марта 124

127

130

3,633

3,741

3,629

3,668 0,064 0,017 0,810

0,595

0,809

133 3,045

2,237

3,041

2,774 0,466 0,168 3,829 0,759

0,761

0,753

3,357

3,366

3,330

3,351 0,018 0,005 20

21

22

4,12

4,24

4,19

2,66

2,80

2,95

31 марта 124

127

130

2,165

2,287

2,101

2,184 0,094 0,043 0,753

0,804

0,799

228 1,651

1,763

1,752

1,722 0,062 0,036 2,377 0,703

0,632

0,742

1,814

1,631

1,914

1,786 0,144 0,081 23

24

25

4,03

4,40

3,97

3,03

3,15

2,68

Шахта Air Quality mine, округ MSHA № 8
19 апреля 111

114

126

3,332

3,188

3,203

3,241 0,079 0,024 1,312

1,246

1,309

214 3,066

2,912

3,059

3,012 0,087 0,029 4,157 1,164

1,149

1,156

3,200

3,159

3,178

3,179 0,021 0,006 1

2

3

4,04

3,71

3,52

4,86

4,63

4,75

20 апреля 111

114

126

4,549

4,492

4,443

4,495 0,053 0,012 1,114

1,100

1,094

131 4,253

4,200

4,177

4,210 0,039 0,009 5,810 0,949

0,991

0,916

4,263

4,451

4,115

4,276 0,169 0,039 4

5

6

3,89

4,14

3,56

3,90

3,70

3,49

21 апреля 111

114

126

6,881

6,779

6,584

6,748 0,151 0,022 1,274

1,218

1,164

100 6,372

6,092

5,822

6,095 0,275 0,045 8,411 1,075

1,124

1,128

6,325

6,614

6,637

6,525 0,174 0,027 7

8

9

4,55

3,95

3,90

3,52

3,46

3,63

Шахта Panther mine, округ MSHA № 7
17 мая 111

114

126

4,269

4,218

4,334

4,274 0,058 0,014 1,122

1,151

1,184

169 3,320

3,405

3,503

3,409 0,092 0,027 4,705 1,138

1,129

1,102

3,961

3,930

3,836

3,909 0,065 0,017 7

8

9

4,32

4,36

.

2,47

2,86

.

18 мая 111

114

126

6,529

6,342

6,405

6,425 0,095 0,015 1,399

1,437

1,500

139 5,032

5,169

5,396

5,199 0,184 0,035 7,175 1,437

1,344

1,375

6,081

5,688

5,819

5,863 0,200 0,034 10

11

12

4,35

4,27

4,52

2,89

2,91

2,29

19 мая 111

114

126

2,594

2,566

2,536

2,565 0,029 0,011 0,741

0,719

0,760

181 2,047

1,986

2,099

2,044 0,057 0,028 2,821 0,709

0,699

0,694

2,304

2,272

2,255

2,277 0,025 0,011 13

14

15

5,91

.

6,25

3,02

.

2,38

PF – отказ насоса; FL – файл результатов измерений, созданный PDM, содержит постоянные значения; NF – фильтр не был установлен.

Приложение C.[править]

Анализ причин негативных результатов измерения концентрации респирабельной пыли в угольных шахтах в период 1995-2004г

В таблице ниже приводится информация о причинах, по которым не удалось сделать достоверные замеры концентрации респирабельной пыли в угольных шахтах. В числе таких причин указаны и те, которые не имеют отношения к механическим неисправностям пробоотборного оборудования. Приводится информация и о тех замерах, которые делали инспектора, и о тех, которые делали работодатели. Использование нового пылемера PDM могло бы заметно уменьшить число случаев, в которых не удалось сделать замеры. Причины неудачных замеров, которые могли бы быть выполнены с помощью нового пылемера успешнее, связаны с: документированием результатов измерений, учётом времени измерений, и в некоторых случаях – с взвешиванием отобранных проб пыли. Новый пылемер выполняет измерение, и для результатов измерений создаёт файл с уникальной информацией о дате, времени (замера), и различными параметрами проведения измерений, что исключает многие из выполняемых сейчас действий, относящихся к регистрации результатов. Кроме того, новый пылемер запрограммирован на включение и выключение в определённые моменты времени, что предотвращает выполнение слишком длительных замеров. Устройство определяет значения всей массы пыли, уловленной к концу смены (EOS), и соответствующую среднесменную концентрацию пыли. Это делает ненужным перевозку фильтров с уловленной пылью в лабораторию для взвешивания и анализа; хранение этих фильтров, и отчасти устраняет необходимость их лабораторного анализа. Причины неудачного проведения измерений, которые могли бы быть устранены при использовании нового пылемера, отмечены в примечании к таблице внизу. Отметим, что некоторые из причин относятся лишь к замерам, выполненным инспекторами, или к замерам, выполненным работодателем.

(Источник информации[24]) Замеры выполнены
инспекторами работодателями
Общее число замеров 381 335 487 713
Получены достоверные результаты 357 936 (93,9%) 430 710 (88,3%)
Не удалось получить достоверные результаты 23 399 (6,1%) 57 003 (11,7%)
Причины неудач при проведении измерений
Фальсифицированные замеры (Abnormal tamper-resistant) не применимо 14
На фильтра с уловленной пылью обнаружено белое пятно в центре, потенциально фальсифицированный результат измерений (Abnormal white center) не применимо 6
Разбилась (кассета с фильтром или насос) (Broken) 204 1452
Кассета не соответствует сопроводительной информации на карточке (Cassette did not match card) 63 897
Кассета с фильтром не получена лабораторией (Cassette not received) 2 45
Фильтр с уловленной пылью загрязнён (Contaminated) 1 166 3 023
Указана дата отправки кассеты – раньше чем выполнен замер (Dated before notice) не применимо 1 459
Указано место замера, где работа не проводится (Designated area not in producing status) 3 2 123
Указано место работы, где работа не проводится (Designated work position not in producing status) 2 919
Фильтр был выброшен как слишком старый (Discarded sample - too old) не применимо 2 487
Кассета с фильтром не имела сопроводительной информации (Dust data card not received) 3 5
Слишком длительный замер (Excess sample) 1 17 431
Inspector void; rain 264 не применимо
Недостаточное количество пыли на пробоотборном фильтре (Insufficient dust observed) 189 867
Недостаточное увеличение массы пробоотборного фильтра в течение замера (Insufficient weight gain) 27 3 966
Указан неправильный сертификационный номер (Invalid certification number) 76 610
Неправильно указан начальный вес фильтра (Invalid initial weight) 108 320
Неправильно указан код специальности шахтёра (Invalid occupation code) 4 не применимо
Неправильно указана или не указана дата замера (Invalid or missing date) 2 2
Указано некорректное время замера, или не указано вообще (Invalid or missing time) 5 407 4 477
Invalid Part 90 miner ident не применимо 1
Invalid production 11 359 9 923
Неправильно указан тип замера (Invalid sample type) 547 1 410
Неправильно указано место работы Invalid work position 21 1
Invalid work shift 2 473 20
Неисправность пробоотборного насоса (Malfunctioning pump) 1 115 15
Указана шахта, которая не работает (Mine not in producing status) 2 не применимо
Указаны использовавшиеся горные машины, которые не работали (Mining machine unit not in producing status) не применимо 1 101
Использовалось не сертифицированное измерительное оборудование (Nonapproved equipment) не применимо 5
Указанная специальность шахтёра не соответствует данным с шахты (Occupation code–meth mining mismatch) 4 не применимо
Operator void; equipment 10 2 083
Operator void; location 2 492
Operator void; miscellaneous 36 116
Operator void; production 30 470
Operator void; rain 6 15
Operator void; time 13 385
На фильтре имелись крупные частицы не-респирабельного размера (Oversize particles) 263 390
Part 90 miner not available не применимо 8
Некорректно указана дата замера (Predated) 4 88
Quartz laboratory void 7 46
Sample not voided 357 963 430 710
Sample received while in hold не применимо 191
Некорректный интервал времени (проведения измерений) (Unacceptable timeframe) не применимо 4
Работа проводилась в неположенном месте (Unauthorized work position) 6 137
Всего 381 355 487 713
Число неудачных замеров, которые могли бы быть успешно выполнены при использовании нового пылемера 8 338 32 286
Доля неудачных замеров, которые могли бы быть успешно выполнены при использовании нового пылемера 35,6% 56,6%

- использование нового пылемера PDM позволило бы успешно сделать эти замеры.

Литература[править]

  1. Williams KL, Timko RJ Performance evaluation of a real-time aerosol monitor. — U.S. Department of the Interior, Bureau of Mines. — Pittsburgh, PA, 1984. — 20 p. — (Information circular 8968).
  2. 2,0 2,1 Fred N. Kissell, Sacks HK [2002]. Inaccuracy of area sampling for measuring the dust exposure of mining machine operators in coal mines. Min Eng 54(2):33–39.
  3. U.S. Department of Labor, Mine Safety and Health Administration Report of the Secretary of Labor’s advisory committee on the elimination of pneumoconiosis among coal mine workers. Recommendation Nos. 8 and 17. — Arlington, VA: U.S. Department of Labor, 1996. PDF
  4. 4,0 4,1 4,2 Volkwein JC, Vinson RP, McWilliams LJ, Tuchman DP, Mischler SE Performance of a New Personal Respirable Dust Monitor for Mine Use. — U.S. Department of Health and Human Services, Public Health Service, Centers for Disease Control and Prevention, National Institute for Occupational Safety and Health. — Pittsburgh, PA, 2004. — (DHHS (NIOSH) Publication No. 2004–151, RI 9663).
  5. David D. Lauriski Statement of David D. Lauriski, assistant Secretary of Labor for mine safety and health, before the subcommittee on labor, health and human services, and education, committee on appropriations, United States Senate, July 31, 2003. — MSHA, 2003. — P. 3.
  6. ISO 7708:1995. Air quality: particle size fraction definitions for health-related sampling. — International Organization for Standardization. — Geneva, Switzerland, 1995.
  7. Sidney C. Soderholm Proposed international conventions for particle size-selective sampling  (англ.) // The British Occupational Hygiene Society The Annals of Occupational Hygiene. — Oxford, UK: Oxford University Press, 1989. — Т. 33. — № 3. — С. 301–320. — ISSN 0003-4878. — DOI:10.1093/annhyg/33.3.301
  8. David L. Bartley, Chih-Chieh Chen, Ruiguang Song & Thomas J. Fischbach Respirable aerosol sampler performance testing  (англ.) // AIHA & ACGIH American Industrial Hygiene Association Journal. — Akron, Ohio: Taylor & Francis, 1994. — Т. 55. — № 11. — С. 1036–1046. — ISSN 1542-8117. — DOI:10.1080/15428119491018303
  9. A.D. Maynard, L.C. Kenny Performance assessment of three personal cyclone models, using an Aerodynamic Particle Sizer (em) // Journal of Aerosol Science. — Elsevier B.V., 1995. — Vol. 26. — P. 671-684. — ISSN 0021-8502. — DOI:10.1016/0021-8502(94)00131-H
  10. Harvey Patashnick & Erich G. Rupprecht Continuous PM–10 measurements using the tapered-element oscillating microbalance  (англ.) // AIHA & ACGIH Journal of the Air & Waste Management Association. — Taylor & Francis, 1991. — Т. 41. — № 8. — С. 1079–1083. — ISSN 1047-3289. — DOI:10.1080/10473289.1991.10466903
  11. CFR. Code of federal regulations. Washington, DC: U.S. Government Printing Office, Office of the Federal Register.
  12. Rupprecht and Patashnick Co. Operating manual, TEOM series 3700/3700 personal dust monitor, revision A. — Albany, NY: Rupprecht and Patashnick Co., Inc., 2004.
  13. K.L. Williams and R.P. Vinson Evaluation of TEOM dust monitor. — U.S. Dept. of the Interior, Bureau of Mines. — Avondale, Md., 1986. — 16 p. — (Information circular 9119).
  14. 14,0 14,1 14,2 14,3 Eugene R. Kennedy, Fischbach J. Thomas, Song Ruiguang, Eller M. Peter, Shulman A. Shulman Guidelines for air sampling and analytical method development and evaluation. — U.S. Department of Health and Human Services, Public Health Service, Centers for Disease Control and Prevention, National Institute for Occupational Safety and Health. — Cincinnati, OH, 1995. — (DHHS (NIOSH) Publication No. 95–117).
  15. 15,0 15,1 Virgil A. Marple & Kenneth L. Rubow An aerosol chamber for instrument evaluation and calibration  (англ.) // AIHA & ACGIH American Industrial Hygiene Association Journal. — Akron, Ohio: Taylor & Francis, 1974. — Т. 44. — № 5. — С. 361–367. — ISSN 1542-8117. — DOI:10.1080/15298668391404978
  16. 16,0 16,1 Jon Kogut, Thomas F. Tomb, Paul S. Parobeck, Andrew J. Gero & Karen L. Suppers Measurement precision with the coal mine dust personal sampler  (англ.) // Applied Occupational and Environmental Hygiene. — Taylor & Francis, 1997. — Т. 12. — № 12. — С. 999–1006. — ISSN 1047-322X. — DOI:10.1080/1047322X.1997.10390640
  17. Kenneth L. Rubow, Virgil A. Marple, John Olin & Michael A. McCawley A personal cascade impactor: design, evaluation and calibration  (англ.) // AIHA & ACGIH American Industrial Hygiene Association Journal. — Akron, Ohio: Taylor & Francis, 1987. — Т. 48. — № 6. — С. 532–538. — ISSN 1542-8117. — DOI:10.1080/15298668791385174
  18. William C. Hinds Aerosol technology: properties, behavior, and measurement of airborne particles. — New York: John Wiley & Sons, Inc, 1982. — 424 p. — ISBN 0471087262.
  19. David L. Bartley Definition and assessment of sampling and analytical accuracy  (англ.) // The British Occupational Hygiene Society The Annals of Occupational Hygiene. — Oxford, UK: Oxford University Press, 2001. — Т. 45. — № 5. — С. 357-364. — ISSN 0003-4878. — DOI:10.1093/annhyg/45.5.357
  20. Marvin W. Blachman & Morton Lippmann Performance characteristics of the multicyclone aerosol sampler  (англ.) // AIHA & ACGIH American Industrial Hygiene Association Journal. — Akron, Ohio: Taylor & Francis, 1974. — Т. 35. — № 6. — С. 311-326. — ISSN 1542-8117. — DOI:10.1080/0002889748507040
  21. 21,0 21,1 J.C. Volkwein, E.D. Thimons Proceedings of the Seventh International Mine Ventilation Congress (June 17–21). — Krakow, Poland, 2001. — P. 143–150. — ISBN 83-913109-1-4.
  22. David L. Bartley, Shulman SA, Schlecht PC NIOSH manual of analytical methods (NMAM).. — 4th ed.. — Cincinnati, OH: U.S. Department of Health and Human Services, Public Health Service, Centers for Disease Control and Prevention, National Institute for Occupational Safety and Health, 2003. — P. 208–228. — (DHHS (NIOSH) Publication No. 2003–154).
  23. Thomas M. Peters & Jon C. Volkwein Analysis of sampling line bias on respirable mass measurement  (англ.) // Applied Occupational and Environmental Hygiene. — Taylor & Francis, 2003. — Т. 18. — № 6. — С. 458–465. — ISSN 1047-322X. — DOI:10.1080/10473220301418
  24. U.S. Department of Labor, Mine Safety and Health Administration MSHA standardized information system (Teradata), coal dust data.. — Arlington, VA: MSHA, 2005.


Delivering on the Nation’s Promise:

Safety and health at work for all people through research and prevention

For information about occupational safety and health topics contact NIOSH at:

1–800–35–NIOSH (1–800–356–4674)

Fax: 513–533–8573

E-mail: pubstaft@cdc.gov

www.cdc.gov/niosh

SAFER • HEALTHIER • PEOPLETM

DHHS (NIOSH) Publication No. 2006–14

.