Устройство для измерения концентрации метана в шахтах Советский патент 1983 года по МПК E21F17/18 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ МЕТАНА В ШАХТАХ

1

HsodpeTeHHe относится к средствам контроля содержания метана в атмосфере угольных шахт, и может быть использовано также в коммунальном хозяйстве, в нефтехимической и газовой промышленности и в других областях народного хозяйства, где неос ходимо контролировать содержание метана.

Известно устройство для измерения концентрации метана в шахтах включающее лазер, измерительную камеру и детектор. Исследуемый воздух закачивается в измерительную камеру насосом через противопыльный фильтр. Концентрация метана измеряется по ослаблению лазерного излучения, пропускаемого через камеру 1.

Известно также устройство для измерения концентрации метана в атмосфере, включающее лазер, зеркальный прерыватель, отражатель и детектор. С помощью зеркального прерывателя создаются два луча - рабочий и контрольный, которые попадают на детектор, проходя предвари тельно разные расстояния. Величина ослабления рабочего сигнала зависит от концентрации метана на пути распространения луча. Контрольный луч необходим для учета флуктуации параметров излучения лазера 2.

Первое устройство не позволяет измерять концентрацию метана с достаточной

5 точностью из-за флуктуации параметров излучения лазера. Недостатками второго устройства являются конструктивная сложность оптической системы и незащищенность оптических путей от пыли, что вносит до,Q полнительную ощибку в результаты измерения. Кроме того, вредное влияние флуктуации параметров излучения лазера полностью не устраняется из-за того, что контрольный луч также проходит через поглощающую среду. В описанных устройствах

15 не содержится сведений о диапазонах измеряемых концентраций метана, а чувствительность измерения приведена только в описании 1 и составляет .

Наиболее близко к изобретению уст20 ройство для измерения концентрации метана в щахтах, включающее лазер с двумя зеркалами на торцах его корпуса, два детектора, блок сравнения контрольного и рабочего сигналов и индикатор. В состав

этого устройства входят также отражатель в виде призмы, система селективных зеркал, вторые два детектора, две линзы, причем использован комбинированный лазер на две волны излучения 3.

Устройство работает следующим образом Лазерный луч разделяется на рабочий и контрольный. Рабочий луч пропускается через атмосферу горной выработки, направляется на отражатель в виде призмы и после отражения через первую систему зеркал на первые два детектора. Второй луч через вторую систему зеркал направляется на вторые два детектора. Сигналы от всех детекторов подаются на блок сравнения контрольного и рабочего сигналов. Влияние пыли устраняется использованием лазера, излучающего одновременно на двух длинах волн А, 3,39 мкм и А2 0,63 мкм.

Устройство имеет следующие недостатки. Применяется сложная оптическая система из больщого количества элементов, в частности она включает полупрозрачное зеркало для разделения лазерного луча на рабочий и контрольный, отражатель в виде призмы, четыре трудноизготовляемых селективных зеркала для выделения различных частот лазерного излучения и дополнительные детекторы для каждой из частот. Сложная оптическая система окончательно не устраняет влияния флуктуации параметров излучения лазера из-за того, что контрольный луч также проходит через поглощающую среду..Использование излучения на двух длинах волн не устраняет в полной мере вредного влияния пыли, так как излучение с различными длинами волн рассеиваются по разному в зависимости от длины волны и от размеров, состава и концентрации частиц пыли. При одновременной генерации излучения На двух длинах волн существенно усложняется настройка лазера на требуемые уровни мощности.

Цель изобретения - повыщение точности измерений концентрации метана за счет компенсации влияния флуктуации параметров излучения лазера и более полного исключения влияния пыли.

Указанная цель достигается тем, что устройство для измерения концентрации метана в шахтах, включающее лазер с двумя зеркалами на торцах его корпуса, два детектора, блок сравнения контрольного и рабочего сигналов и индикатор, снабжено прямоугольной измерительной камерой, причем ее первый торец, оптически соединен с первым зеркалом лазера, а второй - с первым детектором, со вторым зеркалом лазера оптически соединен второй детектор, стенки измерительной камеры выполнены из газопроницаемого пылезадерживающего материала, а оба зеркала лазера выполнены из полупрозрачного материала.

На чертеже показана блок-схема устройства.

На схеме изображены лазер 1 с двумя зеркалами 2 и 3 на торцах его корпуса 4, зеркало 2 оптически соединено с первым торцом 5 прямоугольной измерительной камеры 6 с газопроницаемыми пылезадерживающими стенками 7, второй торец 8 этой камеры оптически соединен с первым детектором 9, второе зеркало 3 оптически соединено с вторым детектором 10. Детекторы 9 и 10 подключены к блоку сравнения 11

0 контрольного и рабочего сигналов, с выходом которого соединен индикатор 12.

Устройство работает следующим образом Потоки рудничного воздуха, существующие в щахтной атмосфере, обеспечивают постоянное поступление в измерительную

камеру 6 обеспыленного рудничного воздуха через газопроницаемые пылезадерживающие стенки 7 (в случае отсутствия потоков воздуха можно применять для создания принудительного потока вентилятор). Поры в

материале стенок измерительной камеры имеют средний диаметр такой, что они не препятствуют свободному проникновению в камеру молекул газа, при этом полностью задерживаются частицы пыли. Лазер 1 излучает на длине волны .Л. 3,39 мкм, соот5 ветствующей центру линии поглощения молекулы метана. Излучение лазера 1 через первое зеркало 2 проходит измерительную камеру 6, где ослабляется за счет поглощения метана и затем регистрируется первым

д детектором 9. Второй детектор 10 регистрирует излучение лазера, вышедщее через второе зеркало 3. Интенсивность излучения, поступающего на детектор 9, зависит от параметров излучения лазера г от концентрации метана, а интенсивность излучения, по5 ступающего на детектор 10 зависит только от параметров излучения лазера. Затем рабочий сигнал от детектора 9 и контрольный от детектора 10 подаются на блок сравнения 11. Величина сигнала, получаемого на выходе блока сравнения 11, зависит только

от концентрации метана в измерительной камере 6 и не зависит от флуктуации параметров излучения лазера. С блока сравнения 11 сигнал поступает на индикатор 12, проградуированный в единицах концентрации.

5 Герметичный корпус защищает пространство между зеркалами лазера от попадания туда молекул метана. В противном случае происходило бы сильное ослабление мощности излучения лазера.

Устройство легко реализуется на серийно

0 выпускаемых элементах: источник излучения - типовой лазер в герметичном корпусе, излучающий на длине волны А 3,39 мкм. В качестве детектора можно использовать фотосопротивление. Для обработки сигналов приемлем любой блок

сравнения.

Достоинством изобретения является повыщение точности измерения концентрации метана за счет, во-первых, более полной

компенсации флуктуации параметров излу чения ла ера без усложнения при этом оптическ.й схемы устройства, поскольку оптический путь контрольного луча минимален и совсем не проходит в поглощающей среде, во-вторых, за счет полного устранения ошибок в измерении, вносимых частицами пыли, благодаря наличию измерительной камеры с газопроницаемыми пылезадерживающими стенками. При этом изобретение позволяет использовать несложный блок сравнения только двух сигналов, по сравнению с блоком сравнения четырех сигналов прототипа. Кроме того, мощность излучения лазера не уменьшается при его работе в метансодержащей среде.

Повышение точности измерения концентрации метана является актуальной задачей в угольной промышленности. Решение этой задачи необходимо для обеспечения непрерывного и точного контроля метана в атмосфере угольных шахт. Такой контроль позволяет Надежно фиксировать возникновение предельно допустимых концентраций метана, гарантируя тем самым своевременное срабатывание систем газовой зашиты, исключение случаев преждевременной остановки работ и соблюдения, в конечном итоге, требований техники безопасности в угольных шахтах.

Формула изобретения Устройство для измерения концентрации метана в шахтах, включаюш,ее лазер с двумя зеркалами на торцах его корпуса, два детектора, блок сравнения контрольного и

рабочего сигналов и индикатор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений за счет компенсации влияния флуктуации параметров излучения лазера и более полного исключения влияния пыли, оно снабжено прямоугольной измерительной камерой, причем ее первый торец оптически соединен с первым зеркалом лазера, а второй - с первым .детектором, со вторьш зеркалом лазера оптически соединен второй детектор, стенки измерительной камеры выполнены из газопроницаемого пылезадерживаюшего материала, а оба зеркала лазера выполнены из полупрозрачного материала.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

кл. G 01 N 21/46, опублик. 1979 (прототип).

/ff