[發明專利]一種煤礦瓦斯濃度的光學測量方法

無效

• 申請號: 201110253382.5
• 申請日: 2011-08-31
• 公開（公告）號: CN102305775A
• 公開（公告）日: 2012-01-04
• 發明（設計）人: 郭長立
• 申請（專利權）人: 西安科技大學
• 主分類號: G01N21/45
• 分類號: G01N21/45
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 羅笛

技術領域

本發明屬于煤礦井下瓦斯濃度檢測設備技術領域，涉及一種煤礦瓦斯濃度的光學測量方法。

背景技術

瓦斯是煤礦井下有害氣體的總稱，其主要成分是甲烷，瓦斯濃度的測量實質是測量混合氣體中的甲烷濃度。在煤礦瓦斯濃度的測量技術方面，目前已有催化燃燒法、紅外吸收法、光纖法和光干涉法等多種測量方法。催化燃燒法具有靈敏度高、信號輸出較易處理的優點，但測量范圍小、使用壽命短，易受到高濃度瓦斯影響中毒，從而靈敏度降低，產生零點漂移。紅外吸收法具有選擇性好、響應速度快且穩定性好、不會受到有害氣體影響中毒老化的優點，但其測量裝置體積較大，設備復雜且價格較高，其結構、光學系統和電路系統結構不適合在煤礦井下惡劣條件下工作。光纖法基于光纖氣體傳感技術，可適應惡劣環境下的在線、連續監測，但其測量方法依賴于光譜分析技術、微弱信號檢測技術、光源技術以及光纖技術的發展，系統結構較為復雜，系統的穩定性有待進一步提高。

現有的光干涉法瓦斯濃度測量儀器基于邁克爾遜光干涉原理制成，根據空氣和瓦斯的折射率不同，光通過同樣長度的空氣和瓦斯對應的光程不相等，產生光程差，引起干涉條紋移動，通過測量干涉條紋的移動量來測量瓦斯濃度，具有測量精度高、測量范圍大、使用方便等優點，但對光學元件的相對安裝位置要求較高，在煤礦井下工作條件下，顛簸和碰撞將影響儀器的正常使用，影響測量的準確性，儀器適應性差。

發明內容

本發明的目的是提供一種煤礦瓦斯濃度的光學測量方法，解決了現有煤礦井下瓦斯濃度光干涉測量儀器易受顛簸和碰撞影響，計量精度低的問題。

本發明所采用的技術方案是，一種煤礦瓦斯濃度的光學測量方法，該方法依賴一套裝置，該裝置的結構是，包括氣體室，氣體室的下端通過螺紋套裝在安裝座上，安裝座內腔底面上設有一圓形凹槽，氣體室的上端通過螺紋套裝有外保護體，外保護體的上端安裝有上保護蓋，上保護蓋沿軸心開有圓口，沿圓口的軸心上方設置有與水平面呈45度夾角的反射鏡，反射鏡的下表面鍍有半透膜B，反射鏡的上方設置有讀數顯微鏡，反射鏡的水平入射方向設置有氦氖激光源；氣體室的上端口粘接有光學平面玻璃，光學平面玻璃上表面鍍有半透膜A；氣體室的下端口粘接有牛頓環鏡片，牛頓環鏡片的上表面為凸面且鍍有全反膜，牛頓環鏡片的下表面為平面；

本發明的煤礦瓦斯濃度的光學測量方法，利用上述裝置，按照以下步驟實施：

步驟1、打開密封塞A和密封塞B，使煤礦井下的待測氣體進入氣體室；

步驟2、等待3-10分鐘時間，使待測氣體均勻充滿氣體室；

步驟3、利用氦氖激光源發出激光，入射激光經反射鏡反射后垂直入射到光學平面玻璃上表面鍍的半透膜A上，一部分光被反射，一部分光透過光學平面玻璃向下入射到牛頓環鏡片的全反膜上并被全反射，經光學平面玻璃上表面鍍的半透膜A反射的光和牛頓環鏡片的全反膜反射的光是相干光，以上兩束反射光產生牛頓環干涉圖樣，通過讀數顯微鏡測量干涉條紋的暗環級數k，同時測量第k級暗環對應的直徑D_k，采用多次測量的方法，k值取k+1，k+2，k+3，k+4，k+5，k+6，…多個暗環，并測出對應暗環的直徑值；

采用逐差法處理數據，m為一恒定整數，需同時再測出k+m+1，k+m+2，k+m+3，k+m+4，k+m+5，k+m+6，…多個暗環的直徑值；

將以上測得的數據通過公式計算，其中D_k+m是第k+m級暗環對應的直徑，R為牛頓環鏡片的曲率半徑，是已知常數，即得待測氣體中甲烷濃度x，也即瓦斯氣體的濃度x。

本發明的煤礦瓦斯濃度的光學測量方法，其特征還在于：

所述的圓口與圓形凹槽的直徑一致，且讀數顯微鏡、圓口光學平面玻璃、氣體室、牛頓環鏡片與圓形凹槽均同軸設置。

所述的氣體室的圓壁開有換氣孔A和換氣孔B，在換氣孔A和換氣孔B上通過過盈配合分別安裝有密封塞A和密封塞B。

本發明提出了一種基于牛頓環等厚干涉原理的光學測量方法，可用于煤礦瓦斯濃度的測量，相對于煤礦現有的基于邁克爾遜干涉原理的瓦斯濃度測量儀器，所使用的測量儀器結構更為簡單，所需光學元件更少，更適合煤礦井下的惡劣工作條件且使用方便。

附圖說明

圖1是本發明方法所依賴的測量裝置的結構示意圖；

圖2是本發明方法所依賴的測量裝置的氣體室部位外形示意圖；

圖3是本發明方法的光干涉原理圖；

圖4是利用本發明方法在顯微鏡下看到的干涉圖樣示意圖。