Изучение конструкции и принципа действия приборов

Практическая работа №1
Тема: Изучение конструкции и принципа действия приборов измерения
СН 4 и СО 2 шахтными интерферометрами.
Цель:
1. Изучить конструкцию шахтных интерферометров.
2. Изучить принцип действия шахтных интерферометров.
3. Изучить способы измерения СН 4 и СО 2 с помощью шахтных
интерферометров.
Оборудование: 1. Шахтные интерферометры ШИ-3, ШИ-10, ШИ-11.
2. Методразработка.
ХОД РАБОТЫ
1. Изучить конструкцию шахтных интерферометров ШИ-3, ШИ-10,
ШИ-11.
2. Изучить способы измерения СН 4 и СО 2 .
3. Изучить технические характеристики шахтных интерферометров.
4. Начертить оптическую схему шахтных интерферометров.
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
1.
2.
3.
4.
5.
Тема.
Цель.
Основные элементы конструкции шахтных интерферометров.
Чертеж оптической схемы шахтных интерферометров.
Вывод.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.
2.
3.
4.
С каких частей состоит конструкция шахтных интерферометров?
Как работает оптическая схема шахтных интерферометров?
В чем разница между измерениями СН 4 и СО 2 ?
Как подготовить шахтный интерферометр к работе?
Пояснительная записка
Шахтные интерферометры типа ШИ предназначены для раздельного
определения содержания газов (метана, углекислого газа, кислорода)
непосредственно в горных выработках шахт.
Принцип действия шахтных интерферометров основан на изменении
смещения интерференционной картины, происходящего вследствие
изменения состава исследуемой пробы рудничного воздуха, находящейся на
пути одного из двух интерферирующих лучей
Смещение интерференционной картины
относительно
ее
нулевого
положения
пропорционально разнести между показателями
преломления света исследуемой газовой смеси и
атмосферного воздуха, которое в свою очередь
пропорционально
процентному
содержанию
определяемого компонента в этой смеси.
Оптические
схемы,
используемые
в
интерферометрах, предусматривают две кюветы
(одна с анализируемой газовой смесью, другая с
эталонной),
через
которые
пропускают
когерентные лучи. При изменении оптической
плотности анализируемой смеси изменяется
показатель преломления, а следовательно, и
интерференционная картина.
Рис.1 Типовая оптическая схема шахтного
переносного интерферометра
На рис. 1 представлена типовая оптическая схема шахтного
переносного интерферометра. Анализируемая газовая смесь закачивается в
рабочую кювету газовоздушной камеры, а в сообщающихся между собой
полостях 2 ТА 3 сравнительной кюветы постоянно находится чистый воздух.
Газовоздушная камера с обеих сторон закрыта плоскопараллельными
стеклами, обеспечивающими свободное прохождение световых лучей через
сравнительные и рабочую полости. Источником света служит лампочка 4,
установленная перед конденсаторной линзой 5. Проходя через линзу, свет
пучком параллельных лучей попадает на плоскопараллельную стеклянную
пластинку б, нижняя поверхность которой зеркальна. В точке А
параллельный пучок делится на две равные части, одна из которых
отражается от верхней поверхности пластинки 6, проходит через
полость 2 сравнительной кюветы и, отражаясь в точках G и М призмы 7,
попадает в полость 3 той же сравнительной кюветы. Пройдя полость 3, пучок
возвращается на пластинку 6, где он преломляется в точках F, Е, D, затем
поступает на призму 8 и, преломившись в точке N, поступает на объектив 9 и
далее в окуляр 10. Другая часть световых лучей, преломляясь в точке А,
проходит через пластинку 6, отражается в точке В зеркальной поверхности и.
преломляясь в точке С, попадает в рабочую кювету /. Затем отражается в
точках К и L призмы 7 и, снова проходя через кювету /. отражается в точке D
пластинки 6. Складываясь с первым из разделенных пучков, также попадает
в точку N призмы 8 и далее в объектив 9 и окуляр 10. Так как при движении
пучков создается разность хода лучей, при сложении их на поверхности
пластинки б в фокальной плоскости окуляра наблюдается система
интерференционных полос. Изменение состава. а следовательно, и
показателя преломления газовой смеси в анализируемой пробе вызывает
дополнительное изменение разности хода световых лучей н смещение
интерференционной картины относительно установленной в интерферометре
неподвижной шкалы с делениями, отградуированной в процентах
концентрации контролируемого газа.
Интерференционная картина имеет одну белую ахроматическую
полос;. ограниченную двумя черными полосами с симметрично
окрашенными краями. Нулевое положение картины фиксируется
совмещением левой черной полосы с нулевой отметкой измерительной
шкалы, что осуществляется с помощью маховичка, обеспечивающего
поворот призмы 8 на необходимый угол. Перед фиксированием нулевого
положения рабочая кювета газовоздушной камеры заполняется чистым
воздухом.
На шахтах Украины широко используются интерферометры различных
типов: ШИ-3, ШИ-5, ИГА (ШИ-6), ШИ-7, ШИ-8, ШИ-10, ШИ-11, ШИ-12. Их
технические характеристики приведены в табл. 1 .
Шахтные интерферометры ШИ-3, ШИ-5, ШИ-6, ШИ-8, ШИ-10, ШИ11 применяют для определения содержания метана и углекислого газа в
горных выработках: они несколько отличаются друг от друга газовыми
схемами. Отличительной особенностью шахтного интерферометра ШИ-5
является также отсутствие в нем электрической части. Световой поток,
необходимый для создания интерференционной картины, направляется от
головного аккумуляторного светильника через специальное окно в
корпусе прибора.
Отличительная особенность прибора ИГА (ШИ-б) — возможность
определять, кроме метана и углекислого газа, также кислород
непосредственно в шахте. Наличие в приборе дополнительной подвижной
газовоздушной камеры позволяет увеличить чувствительность прибора в
момент измерения кислорода, а верньерное устройство дает более точный
отсчет содержания определяемых газов.
В шахтном интерферометре ШИ-8, по сравнению с ШИ-3, за счет бкратного прохождения интерферирующих лучей по газовоздушным средам
увеличена оптическая длина хода лучей при меньших размерах
газовоздушной камеры Масса его такая же, как и интерферометра ШИ-17.
0.9 кг
Таблица 1 – Технические характеристики интерферометров
Параметр
Предел
измерения
объемной доли. %:
метана
углекислого газа
кислорода
Основная абсолютная
погрешность, %
Габариты, мм
Масса прибора, кг
без футляра
с футляром и принадлежностями
ШИ-3
ШИ-5
ИГА
(ШИ-6)
ШИ-7
0÷6
0÷6
—
0÷6
0÷6
---
0÷6
0÷6
20
0 ÷ 100
0 ÷ 100
---
± 0.3
115x55
x238
1,47
± 0.3
115x55
x200
1,3
± 0.3
135x82
x320
2,2
± 2.5
105х45
х 165
0,9
1.7
1,5
2,4
0,9
РИ
РИ
ШИ-11
ШИ-12
Исполнение прибора
РИ
Параметр
Предел
измерения
объемной доли. %:
метана '
углекислого газа
кислорода
Основная абсолютная
погрешность, %
Габариты, мм
ШИ-8
ШИ-10
0÷6
0÷6
—
0 ÷6
0÷6
—
0÷6
0÷6
—
0÷100
0÷100
—
± 0.2
115x55
x238
± 0.2
115x55
x200
± 0.2
135x82
x320
±4
105х45
х 165
0,9
__
1.35
1,6
1,45
1,7
РИ
РО; И
РО; И
Масса прибора, кг:
без футляра
с футляром и принадлежностями
Исполнение прибора
РИ
1,4
1,6
РО; И
Шахтный интерферометр ШИ-10 так же, так и ШИ-11 имеет более
высокую точность определений и может использоваться вентиляционным
надзором шахт и работниками добычных участков. В отличи от остальных в
приборе ШИ-11 автоматически обеспечивается установка газовоздушной
камеры в положение «Измерение». Это исключает измерение содержания
газов при нахождении газовоздушной камеры в положении «Контроль», что
повышает надежность и достоверность результатов измерений. Для
измерения содержания газов в труднодоступных местах горных выработок (у
кровли, в щелях и др.) в комплект прибора ШИ-11 входит специальный
пробозаборннк. который представляет собой телескопическое устройство,
состоящее из полых конической формы элементов. Внутри элементов
проходит резиновая трубка. В собранном виде пробозаборник помещается в
чехол, который крепится к поясному ремню рабочего.
Шахтные интерферометры ШИ-7 и ШИ-12 используют для
определения высоких содержаний метана или углекислого газа и рудничном
воздухе действующих проветриваемых горных выработок при ведении
горных и горноспасательных работ, а также в трубопроводах шахтных
дегазационных систем. Интерферометр ШИ-7 отличается укорененными
размерами газовоздушной камеры и наличием дополнительных зеркал, с
помощью которых обеспечивается более рациональное прохождение
световых пучков, В конструкции прибора ШИ-12 имеемся устройство
переключения из режима измерения в режим контроля. При переключении
этого устройства в положение «Контроль» можно проверить положение
«Нуля» интерферометра. и произвести его подстройку без продувки чистым
воздухом. В комплект прибора входит специальное пробозаборное
устройство, предназначенное для отбора проб в труднодоступных местах
горных выработок.
Шахтные интерферометры дают правильные показания при изменении
температуры окружающей среды oт 5 до 35ْ С и атмосферного давления от
98.6 до 106.6 кПа с учетом приведения к нормальным условиям. Приборы
ШИ-10 и ШИ-11 надежно работают при температуре окружающей среды
от —10 до +40ْ С.
При подготовке интерферометра к работе газовая и воздушная линии
его заполняются чистым атмосферным воздухом и выставляются в исходное
пулевое положение. Пройдя горные выработки. атмосферный воздух изменит
свой состав из-за появления в нем метана и углекислого газа. При
определении содержания метана рудничный воздух прокачивается в прибор
через поглотительный патрон, заполненный ХПИ (химический поглотитель
известковый), в котором поглощается СО. Содержание углекислого газа в
газовой смеси, содержащей углекислый газ и метан, определяется по
разности значений содержания суммы метана и углекислого газа и
содержания метана.
Перед определением содержания газа периодически производятся
проверка и в случае необходимости, корректировка нулевого положения
интерференционной картины прибора непосредственно в горных выработках
шахты. При определении содержания углекислого газа метан необходимо
измерять на одинаковой высоте от почвы выработки. Показатели
преломления метана и углекислого газа отличаются друг от друга
незначительно, поэтому при определении углекислого газа пользуются
шкалой метана с учетом поправочного множителя. равного 0.95.
Для поглощения углекислого газа и паров воды, а также для удаления
пыли из засасываемого в прибор рудничного воздуха каждый интерферометр
снабжен поглотительным патроном. В качестве поглотителя' СО2
применяются зерна известкового химического поглотителя
(ХПИ),
изготовленного из гидрата оксида кальция (96%) и едкого натра (4%). Для
поглощения влаги применяется кислый (стекловидный) силикагель
гранулированный КСК. В зависимости от типа прибора без перезарядки
поглотительного патрона можно произвести 400—600 определений
содержания метана при постоянном содержании углекислого газа в
исследуемой пробе воздуха до 2%. После этого содержимое поглотительного
патрона необходимо регенерировать (восстанавливать) в определенных
условиях.
Каждый интерферометр, находящийся в обращении, должен не реже 1
раза в неделю проверяться на точность в шахтной ремонтной мастерской и не
реже 1 раза в год в специальной ремонтной мастерской.