Opublikowano: 25.IV.1972 65331 KI. 421,4/13 MKP GOln 21/34 CZyiELNlA Wspóltwórcy wynalazku: Jan Koszelski, Jerzy Kelner Wlasciciel patentu: Glówny Instytut Górnictwa, Katowice (Polska) Sposób pomiaru zawartosci dwutlenku wegla lub innych wieloatomowych gazów w powietrzu kopalnianym i w róznych gazach oraz czujnik do stosowania tego sposobu i 2 Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru za¬ wartosci dwutlenku wegla lub innych wieloatomo¬ wych gazów w powietrzu kopalnianym i w róznych gazach oraz czujnik do stosowania tego sposobu.Wynalazek ma zastosowanie glównie w kopal¬ niach dla wykrywania i okreslania w nich procen¬ towej zawartosci dwutlenku wegla w powietrzu.Znane sa aparaty do laboratoryjnej analizy ga¬ zów wieloatomowych pracujace na zasadzie absorp¬ cji charakterystycznego pasma promieni podczer¬ wonych, które dzialaja nastepujaco. Promiennik wysyla promienie podczerwone, które przenikaja przez badany gaz i dostaja sie do komory pomia¬ rowej. Zawarty w komorze wzorcowy gaz absor¬ buje charakterystyczne pasmo promieni podczer¬ wonych, a efekt cieplny absorpcji jest wykorzy¬ stywany do pomiaru procentowego stezenia anali¬ zowanego gazu.Znany sposób analizy gazów za pomoca absorpcji promieni podczerwonych polega na umieszczeniu w komorze pomiarowej membranowego kondensa¬ tora i obrotowej tarczy z otworami. Tarcze obraca silnik elektryczny, a jej otwory okresowo przepu¬ szczaja promienie podczerwone, które równiez cy¬ klicznie sa absorbowane w komorze pomiarowej przez wzorcowy gaz. Efekt cieplny absorpcji po¬ woduje wzrost temperatury i z kolei wzrost obje¬ tosci gazu zawartego w komorze pomiarowej, w na¬ stepstwie czego zmniejsza sie odleglosc - miedzy 30 okladkami kondensatora i zwieksza jego pojemnosc elektryczna, co jest miara stezenia analizowanego gazu.Inny znany sposób analizy gazów za pomoca absorpcji promieni podczerwonych polega na umie¬ szczeniu w komorze pomiarowej bardzo cienkich platynowych drutów oporowych i poczernieniu we¬ wnetrznych scian komory. Wzrost temperatury wzorcowego gazu zawartego w komorze zmienia jednoczesnie opór elektryczny platynowych drutów podlaczonych do mostka Wheatstone'a, wywolujac w zaleznosci od stezenia analizowanego gazu odpo¬ wiedni sygnal elektryczny przekazywany po wzmoc¬ nieniu na miernik. Promiennik wysyla promienie podczerwone, które biegna w przyblizeniu równo¬ legle do komory pomiarowej.Wymienione sposoby wraz z urzadzeniami maja szereg wad. Na przyklad zastosowany kondensator wykonany jest z bardzo cienkich i napietych folii, które latwo ulegaja uszkodzeniom. Wykonanie sa¬ mego kondensatora jest bardzo trudne. Ponadto urzadzenie z kondensatorem wymaga elektrycznego silnika do napedu tarczy obrotowej, co komplikuje jeszcze bardziej jego konstrukcje przy zastosowa¬ niu do pracy w warunkach kopalnianych. Czulosc pomiaru przyrzadu wynosi 0,1% objetosci dwutlen¬ ku wegla. Objetosc komory pomiarowej wynosi okolo 30 cm3.W sposobie w którym stosowane sa cienkie pla¬ tynowe druty oporowe, wymagany jest duzy prze- 653313 65331 4 krój poprzeczny komory pomiarowej do rozpiecia odpowiedniej dlugosci tych drutów, co zwieksza po¬ wierzchnie napromieniowywana i moc promienni¬ ków. Zawieszenie bardzo cienkich drutów wrazli¬ wych na wstrzasy i zerwanie jest trudne w wyko¬ naniu. Ponadto druty zawiesza sie tylko w pierw¬ szych warstwach absorbujacych promienie podczer¬ wone, co jest powodem, ze tylko czesc energii cha¬ rakterystycznego pasma jest wykorzystywana.W zwiazku z tym potrzebna jest duza moc pro¬ miennika, która z kolei utrudnia zastosowanie urza¬ dzenia do pracy w kopalniach gazowych ze wzgle¬ du na mozliwosc spowodowania wybuchu..Celem wynalazku jest opracowanie sposobu po¬ miaru dwutlenku wegla lub innych wieloatomo- wych gazów w powietrzu, który z jednej strony bylby prosty w wykonaniu, zapewnial ciagle jego dzialanie i bylby ekonomiczny pod wzgledem zuzy¬ cia energii, a z drugiej strony móglby byc zastoso¬ wany w kopalniach zapewniajac bezpieczenstwo pracy i wczesne wykrywanie zagrozen pozarowych przez ciagle podawanie wyników pomiaru do dy¬ spozytorni.Cel ten osiagnieto dzieki zastosowaniu sposobu wedlug wynalazku. Sposób polega na tym, ze pro¬ mienie podczerwone przepuszcza sie przez badany gaz wiazkami o róznych kierunkach i nastepnie poddaje sie je skupieniu w komorze pomiarowej oraz jednorazowemu lub wielokrotnemu odbiciu od scianek tej komory tak, aby w malej przestrzeni pomiarowej komory uzyskac prawie calkowity efekt cieplny absorpcji. Efekt cieplny absorpcji w komo¬ rze pomiarowej jest przeksztalcony na sygnal elek¬ tryczny za pomoca termistora i przesylany przewo- dowo do ukladu pomiarowego.Sppsób wedlug wynalazku jest zrealizowany za pomoca czujnika, który sklada sie z dwóch komór, pomiarowej i porównawczej a w *ich ogniskach umieszczone sa pozlacane dwa termistory, pomiaro¬ wy i porównawczy. Powierzchnie wewnetrzne ko¬ mór sa zwierciadlami o ksztalcie zblizonym do kuli.Komora pomiarowa wypelniona jest dwutlenkiem wegla lub innym wieloatomowym gazem. Zamknie¬ cia komór stanowia cienkie plytki przepuszczajace promienie podczerwone.Komory polaczone sa ze zbiornikami, przeplywo¬ wym i stalym, a powierzchnie wewnetrzne zbiorni¬ ków sa zwierciadlami elipsoidalnymi. Przez zbior¬ nik przeplywowy przeplywa badany gaz, natomiast w zbiorniku stalym znajduje sie gaz obojetny.Zbiorniki lacza sie z promiennikami, przy czym plytki przepuszczajace promienie, podczerwone sa jednoczesnie zamknieciami zbiorników i promienni¬ ków. Powierzchnie promienników sa zwierciadlami elipsoidalnymi i stanowia przedluzenie krzywizny zbiorników. We wnetrzu promienników w ogniskach elipsoid umieszczone sa elektryczne grzejniki.Czujnik jest prosty w konstrukcji, a jego termi- stor bedacy elementem pelniacym funkcje prze¬ ksztalcania efektu cieplnego na sygnal elektryczny jest latwo wymienny i posiada dodatkowa zalete latwego wzmacniania sygnalu do poziomu umozli¬ wiajacego przekazywanie wyników na odleglosc.Objetosc komory pomiarowej jest stosunkowo bar¬ dzo mala i wynosi okolo 1 cm3. Ekonomiczne wy¬ korzystanie mocy grzejników pozwala przy zmniej¬ szeniu ich mocy zwiekszyc efekt pomiarowy i w nastepstwie zmniejszyc ilosc stopni wzmacniacza, przez co mniejsza jest ilosc pracujacych elementów 5 i wieksza niezawodnosc pracy urzadzenia, co jest duza zaleta czujników pracujacych w kopalniach.Ponadto zmniejszenie mocy grzejników umozliwia zastosowanie czujnika w kopalniach i zmniejsza prawdopodobienstwo spowodowania wybuchu w ko¬ palniach gazowych. Czulosc pomiaru jest bardzo wysoka i wynosi 0,03—0,05% objetosci dwutlenku wegla, co pozwala na wczesniejsze wykrywanie za¬ grozen pozarowych w kopalniach.Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przy^- kladzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy analizatora z czujni¬ kiem, wspólpracujacego ze znanymi podzespolami, a fig. 2 — przekrój podluzny czujnika.Analizator, którego uklad przedstawia fig. 1, skla¬ da sie z czujnika 1, polaczonego od strony wlotu powietrza z filtrem 2, a od strony wylotu powietrza poprzez fótametr 3 z pompa 4 oraz z mostkiem Wheatstone'a 5 i zasilaczem 6. Na fig. 2 uwidocz¬ niono przekrój podluzny czujnika 1, który sklada sie z dwóch komór, pomiarowej 7 i porównawczej 8. Powierzchnie wewnetrzne komór 7 i 8 sa kuli¬ stymi zwierciadlami 9 i sa zamkniete plytkami 10 przepuszczajacymi promienie podczerwone. Pomia¬ rowa komora 7 wypelniona jest dwutlenkiem wegla lub innym wieloatomowym gazem, natomiast po¬ równawcza komora 8 wypelniona jest azotem.Wewnatrz komór 7 i 8 sa umieszczone pozlacane termistory, pomiarowy 11 i kompensacyjny 12, pod¬ laczone do mostka Wheatstone'a 5. Komory 7 i 8 polaczone sa ze zbiornikami, przeplywowym 13 i stalym 14. Do komory przeplywowego zbiornika 13 wchodzi badany gaz wlotowym króccem 15 i wy¬ chodzi króccem wylotowym 16. Staly zbiornik 14 jest wypelniony azotem. Powierzchnie wewnetrzne zbiorników 13 i 14 sa elipsoidalnymi zwierciadla¬ mi 17. Przeplywowe komory zbiorników 13 i 14 sa zamkniete plytkami 18, przepuszczajacymi promie¬ nie podczerwone, przy czym plytki 18 zamykaja promienniki 19. Powierzchnie wewnetrzne promien¬ ników 19 sa elipsoidalnymi zwierciadlami 20 i sta¬ nowia przedluzenie krzywizn zwierciadel 17 zbior¬ ników 13 i 14. W ogniskach elipsoid wewnatrz pro¬ mienników 19 umieszczone sa elektryczne grzej¬ niki 21.Opisany analizator dziala w sposób nastepujacy.Po uruchomieniu pompy 4 zasysany gaz przeplywa przez filtr 2 i wplywa do komory przeplywowej zbiornika 13 czujnika 1. Po wyjsciu króccem 16 faz nastepnie wyplywa do rotametru 3, skad za pomo¬ ca pompki 4 jest wydalany na zewnatrz analiza¬ tora. Równoczesnie grzejniki 21 emituja promienie podczerwone poprzez plytke 18 do komory zbior¬ nika 13 przez który ciagle przeplywa badany gaz.Promienie te w postaci wiazek 22 i 23 przenikaja róznymi kierunkami przez przeplywajacy badany gaz do pomiarowej komory 7 tak, ze ulegaja w tej komorze skupieniu w czesci srodkowej w postaci ogniska, a nastepnie wielokrotnemu odbiciu o jej wewnetrzne scianki majace postac kulistego zwier¬ ciadla. W ten sposób w pomiarowej komorze 7 na- 15 20 25 30 35 40 45 50 55 605 65331 6 stepuje absorpcja charakterystycznego pasma tych promieni dla danego gazu, przy czym dzieki takie¬ mu przebiegowi promieni zwieksza sie ich droga w pomiarowej komorze, pozwalajaca na uzyskanie prawie calkowitej absorpcji, co jest istotna cecha i zarazem zaleta wynalazku. Efekt cieplny absorp¬ cji podwyzsza temperature dwutlenku wegla lub innego wieloatomowego gazu, zawartego w pomia¬ rowej komorze 7, jak równiez termistora 11 umie¬ szczonego wewnatrz komory 7. Termistory, pomia¬ rowy 11 i kompensacyjny 12 sa wlaczone w przy¬ legle ramiona mostka Wheatstone'a 5, którego rów¬ nowage ustala sie przy przeplywie gazu pozbawio¬ nego dwutlenku wegla przez przeplywowy zbior¬ nik 13.W przypadku obecnosci dwutlenku wegla w ba¬ danym gazie nastepuje absorpcja promieni pod¬ czerwonych w przeplywowym zbiorniku 13, co ob¬ niza temperature w pomiarowej komorze 7 i po¬ woduje równoczesnie zmiane opornosci pomiarowe¬ go termistora 11 oraz zachwianie równowagi mo¬ stka Wheatstone'a 5. Powstaje wtedy sygnal elek¬ tryczny w przekatnej mostka Wheatstone'a 5, funkcjonalny do stezenia dwutlenku wegla w ga¬ zie. Sygnal ten przy pomocy znanych metod prze¬ twarzany jest na informacje o procentowej zawar¬ tosci dwutlenku wegla w badanym gazie. PL