Устройство для определения сорбционного набухания сорбентов

 

Использование: определение сорбционного набухания природных углей. Сущность изобретения: устройство включает герметичную ампулу и патрубок для впуска газа, регистратор набухания, выполненный в виде источников монохроматического света, фотодиодов и зеркальных уголковых отражателей, установленных на образце угля, две пары волоконных оптических каналов, два защитных кожуха. При этом каждый защитный кожух выполнен в виде двух полых трубок, соединенных между собой и размещенных внутри герметичной камеры с возможностью продольного перемещения вдоль нее, а каждая пара волоконных оптических каналов размещена внутри полых трубок защитного кожуха. Ось симметрии защитного кожуха совпадает с осью симметрии уголкового отражателя. 1 ил.

Изобретение относится к горному делу и, в частности, к определению сорбционного набухания природных углей.

Известный измеритель сорбционного набухания, выбранный в качестве аналога, содержит индикатор часового типа, имеющий механический контакт с исследуемым образцом угля (Эттингер И.Л. физическая химия газоносного угольного пласта. -М: Наука, 1981, с. 74-75).

Недостатком этого устройства является то, что из-за наличия механического контакта с исследуемым образцом угля, он обладает значительной инерциальностью, снижающей точность замера сорбционного набухания.

Известный измеритель сорбционного набухания, выбранный в качестве прототипа, содержит герметичную камеру и патрубок для впуска газа, регистратор сорбционного набухания, выполненный в виде источника монохроматического света, фотодиодов и плоских зеркальных отражателей, установленных на образце сорбента и стальном тарированном образце (Галманов А.А. Разработка методики определения безопасного давления газа в призабойной зоне угольного пласта с учетом набухания угля. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. -М., 1983, с.35-38).

Недостатком этого устройства является то, что в момент впуска газа в герметичную камеру турбулентные неоднородности, изменяющие коэффициент преломления среды в камере, искажают ход лучей света, что в свою очередь при наличии плоских зеркальных отражателей приводит к нерегулярному отражению лучей света и в результате снижает точность замера сорбционного набухания. Кроме того, наличие плоских отражателей приводит к взаимодействию прямой и отраженной световых волн, распространяющихся в одной плоскости, что изменяет как амплитуду, так и фазу отраженной световой волны и в результате искажает показания устройства, т.е. уменьшает его точность.

Цель изобретения - повышение точности измерения сорбционного набухания за счет уменьшения влияния турбулентных неоднородностей в момент впуска газа в герметичную камеру и устранение взаимодействия прямого и отраженного световых лучей.

Указанная цель достигается тем, что устройство снабжают двумя парами волоконных оптических каналов и двумя защитными кожухами, а зеркальные отражатели, установленные на образце сорбента, выполняют в виде уголковых отражателей, причем каждый защитный кожух выполняют в виде полых трубок, соединенных по образующей цилиндрической поверхности трубок между собой и размещенных внутри герметичной камеры с возможностью продольного перемещения вдоль герметичной камеры, при этом каждая пара волоконных оптических каналов размещается внутри полых трубок защитного кожуха для передачи по одному из пары волоконных оптических каналов светового луча от монохроматического источника и приема по другому отраженного светового луча от углового отражателя, при этом выходные сечения волоконных оптических каналов расположены в торцевом сечении защитного кожуха, а расстояние от центра уголкового отражателя до торцевого сечения защитного кожуха составляет не менее (d₀+2b+0,06L), где d₀-диаметр волоконного оптического канала, b - толщина стенок защитного кожуха, L - размер образца сорбента в направлении распространения световых лучей монохроматического источника, причем ось симметрии защитного кожуха совпадает с осью симметрии уголкового отражателя.

Отличительный признак, касающийся снабжения устройства двумя парами волоконных оптических каналов, устраняет взаимодействие прямого и отраженного световых лучей, т. е. устраняет искажения амплитуды и фазы отраженной световой волны, что повышает точность замеров сорбционного набухания. То же касается и выполнения зеркальных отражателей в виде уголковых отражателей.

Отличительные признаки, касающиеся снабжения устройства защитными кожухами и размещения в них волоконных оптических каналов, во-первых, не позволяют гибким волоконным оптическим каналам отклоняться в сторону в момент впуска в герметичную камеру газа высокого давления, а во-вторых, способствует существенному уменьшению влияния турбулентных неоднородностей в тот же самый момент, что повышает точность замера сорбционного набухания.

Признак, касающийся расстояния от центра уголкового отражателя до торцового сечения защитного кожуха, позволяет до минимума сократить зону влияния турбулентных неоднородностей в момент впуска газа. В то время как в прототипе эта зона охватывала весь объем герметичной камеры, то в предлагаемом устройстве она ограничена лишь объемом, образованным гранями уголкового отражателя (угол между гранями составляет 90^o) и торцевым сечением защитного кожуха. Величина расстояния определяется из расчета, что если торцевое сечение касается граней уголкового отражателя, от высота образованного треугольника будет (d₀+2b). Однако, т.к. образец набухает при сорбции, а величина набухания не превышает максимум 6% от длины образца, то торцевое сечение защитного кожуха должно быть поднято от граней отражателя на высоту 0,06 L. Таким образом, получаем, что величина расстояния должна быть не менее (d₀+2b+0,06L). Возможность продольного перемещения полых трубок защитного кожуха, их соединение, а также расположение волоконных оптических каналов в торцевом сечении защитного кожуха позволяет регулировать в сторону уменьшения зону влияния турбулентных неоднородностей, что повышает точность определения сорбционного набухания. Этому же способствует и признак, касающийся совпадения осей симметрии защитного кожуха и уголкового отражателя. Продольное перемещение полых трубок с волоконными каналами в защитном кожухе может осуществляться или вручную, или с помощью специального приспособления.

Таким образом, все отличительные признаки предлагаемого устройства влияют на достижение цели изобретения.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 показан продольный разрез устройства для определения сорбционного набухания сорбентов.

Устройство для определения сорбционного набухания сорбентов содержит герметичную камеру 1, патрубок 2 для впуска метана или другого сорбирующегося газа, зеркальный уголковый отражатель 3, волоконные оптические каналы 4, размещенные в защитном кожухе 5, выполненном в виде полых трубок 6. Внутри герметичной камеры 1 размещается образец сорбента 7 и стальной тарированный образец 8. Свет монохроматического источника (не показан) поступает по одному из пары волоконных оптических каналов, а по другому отраженный свет направляется к фотодиодам специального измерительного блока (не показаны).

Устройство работает следующим образом.

Свет от монохроматического источника по одному из пары волоконных оптических каналов 4 направляется на зеркальный уголковый отражатель 3, закрепленный на образце сорбента 7, а отраженный луч поступает по другому волоконному оптическому каналу 4 к фотодиодам, которые являются элементами специального измерительного блока. При сорбции метана образцом угля (сорбентом) наблюдается увеличение его размеров (сорбционное набухание). Изменение размера образца, установленного вдоль оси распространения световых лучей, приводит к изменению оптического хода луча света, которое фиксируется специальным измерительным блоком. Показания измерительного блока тарируются с использованием стального образца 8, и по ним судят о значении сорбционного набухания. Для уменьшении влияния турбулентных неоднородностей в момент впуска газа в герметичную камеру 1 торцевое сечение защитного кожуха 5 благодаря возможности продольного перемещения вдоль герметичной камеры 1 подводится к образцу на расстояние от центра уголкового отражателя не менее (d₀+2b+0,06L).

Пример.

В герметичную камеру помещался образец угля в форме параллелепипеда с размерами (30х20х20 мм), имеющий выход летучих веществ V^г=18,3%.

Первоначально в течение 3 ч, проводилось освобождение угля от воздуха и других посторонних газов с помощью вакуумного насоса. Затем в герметичную камеру впускался метан при давлении 2,0 МПа, причем торцевое сечение защитного кожуха размещалось на расстоянии от центра уголкового отражателя, равном 3,8 мм (d₀=1 мм, 2b = 1 мм, 0,6 · L = 0,06 · 30 = 1,8 мм). Благодаря такому расположению торцевого сечения в момент впуска газа был получен устойчивый сигнал на фотодиодах и значение сорбционного набухания, причем точность замера величины сорбционного набухания повысилась на Δ = 16%.

Использование устройства для определения сорбционного набухания сорбентов обеспечивает по сравнению с существующими более высокую точность измерений, т. к. в устройстве уменьшено влияние турбулентных неоднородностей в момент впуска газа в герметичную камеру и устранено взаимодействие прямого и отраженного световых лучей.

Формула изобретения

Устройство для определения сорбционного набухания сорбентов, включающее герметичную камеру и патрубки для впуска газа, регистратор набухания, выполненный в виде источников монохроматического света, фотодиодов и зеркальных отражателей, установленных на образце сорбента и стальном тарированном образце, отличающееся тем, что устройство снабжено двумя парами волоконных оптических каналов и двумя защитными кожухами, а зеркальные отражатели выполнены в виде уголковых отражателей, причем каждый защитный кожух выполнен в виде двух полых трубок, соединенных по образующей цилиндрической поверхности трубок между собой и размещенных внутри герметичной камеры с возможностью продольного перемещения вдоль нее, при этом каждая пара волоконных оптических каналов размещены внутри полых трубок защитного кожуха для передачи по одному из пары волоконных оптических каналов светового луча от монохроматического источника и приема по другому отраженного светового луча от уголкового отражателя, при этом выходные сечения волоконных оптических каналов расположены в торцевом сечении защитного кожуха, а расстояние от центра уголкового отражателя до торцевого сечения защитного кожуха составляет не менее (d_о + 2b + 0,06L), где d_о - диаметр волоконного оптического канала, b - толщина стенок защитного кожуха, L - размер образца сорбента в направлении распространения световых лучей монохроматического источника, причем ось симметрии защитного кожуха совпадают с осью симметрии уголкового отражателя.

РИСУНКИ

Рисунок 1