CN102305775B - 一种煤矿瓦斯浓度的光学测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿瓦斯浓度的光学测量方法，该方法依赖一套光学测量装置，并按照以下步骤实施：使待测气体均匀充满气体室；利用氦氖激光源发出激光，经光学平面玻璃上表面镀的半透膜A反射的光和牛顿环镜片的全反膜反射的光是相干光，以上两束反射光产生牛顿环干涉图样，通过读数显微镜测量干涉条纹的暗环级数k，同时测量第k级暗环对应的直径D_k，采用多次测量的方法，多个暗环，并测出对应暗环的直径值；采用逐差法处理数据，需同时再测出多个暗环的直径值；将以上测得的数据通过公式

计算，即得待测气体中甲烷浓度x。本发明方法基于牛顿环等厚干涉原理，方法简单，更适合煤矿井下的恶劣工作条件。

Description

一种煤矿瓦斯浓度的光学测量方法

技术领域

本发明属于煤矿井下瓦斯浓度检测设备技术领域，涉及一种煤矿瓦斯浓度的光学测量方法。

背景技术

瓦斯是煤矿井下有害气体的总称，其主要成分是甲烷，瓦斯浓度的测量实质是测量混合气体中的甲烷浓度。在煤矿瓦斯浓度的测量技术方面，目前已有催化燃烧法、红外吸收法、光纤法和光干涉法等多种测量方法。催化燃烧法具有灵敏度高、信号输出较易处理的优点，但测量范围小、使用寿命短，易受到高浓度瓦斯影响中毒，从而灵敏度降低，产生零点漂移。红外吸收法具有选择性好、响应速度快且稳定性好、不会受到有害气体影响中毒老化的优点，但其测量装置体积较大，设备复杂且价格较高，其结构、光学系统和电路系统结构不适合在煤矿井下恶劣条件下工作。光纤法基于光纤气体传感技术，可适应恶劣环境下的在线、连续监测，但其测量方法依赖于光谱分析技术、微弱信号检测技术、光源技术以及光纤技术的发展，系统结构较为复杂，系统的稳定性有待进一步提高。

现有的光干涉法瓦斯浓度测量仪器基于迈克尔逊光干涉原理制成，根据空气和瓦斯的折射率不同，光通过同样长度的空气和瓦斯对应的光程不相等，产生光程差，引起干涉条纹移动，通过测量干涉条纹的移动量来测量瓦斯浓度，具有测量精度高、测量范围大、使用方便等优点，但对光学元件的相对安装位置要求较高，在煤矿井下工作条件下，颠簸和碰撞将影响仪器的正常使用，影响测量的准确性，仪器适应性差。

发明内容

本发明的目的是提供一种煤矿瓦斯浓度的光学测量方法，解决了现有煤矿井下瓦斯浓度光干涉测量仪器易受颠簸和碰撞影响，计量精度低的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种煤矿瓦斯浓度的光学测量方法，该方法依赖一套装置，该装置的结构是，包括气体室，气体室的下端通过螺纹套装在安装座上，安装座内腔底面上设有一圆形凹槽，气体室的上端通过螺纹套装有外保护体，外保护体的上端安装有上保护盖，上保护盖沿轴心开有圆口，沿圆口的轴心上方设置有与水平面呈45度夹角的反射镜，反射镜的下表面镀有半透膜B，反射镜的上方设置有读数显微镜，反射镜的水平入射方向设置有氦氖激光源；气体室的上端口粘接有光学平面玻璃，光学平面玻璃上表面镀有半透膜A；气体室的下端口粘接有牛顿环镜片，牛顿环镜片的上表面为凸面且镀有全反膜，牛顿环镜片的下表面为平面；

本发明的煤矿瓦斯浓度的光学测量方法，利用上述装置，按照以下步骤实施：

步骤1、打开密封塞A和密封塞B，使煤矿井下的待测气体进入气体室；

步骤2、等待3-10分钟时间，使待测气体均匀充满气体室；

步骤3、利用氦氖激光源发出激光，入射激光经反射镜反射后垂直入射到光学平面玻璃上表面镀的半透膜A上，一部分光被反射，一部分光透过光学平面玻璃向下入射到牛顿环镜片的全反膜上并被全反射，经光学平面玻璃上表面镀的半透膜A反射的光和牛顿环镜片的全反膜反射的光是相干光，以上两束反射光产生牛顿环干涉图样，通过读数显微镜测量干涉条纹的暗环级数k，同时测量第k级暗环对应的直径D_k，采用多次测量的方法，k值取k+1，k+2，k+3，k+4，k+5，k+6，…多个暗环，并测出对应暗环的直径值；

采用逐差法处理数据，m为一恒定整数，需同时再测出k+m+1，k+m+2，k+m+3，k+m+4，k+m+5，k+m+6，…多个暗环的直径值；

将以上测得的数据通过公式

计算，其中D_k+m是第k+m级暗环对应的直径，R为牛顿环镜片的曲率半径，是已知常数，即得待测气体中甲烷浓度x，也即瓦斯气体的浓度x。

本发明的煤矿瓦斯浓度的光学测量方法，其特征还在于：

所述的圆口与圆形凹槽的直径一致，且读数显微镜、圆口光学平面玻璃、气体室、牛顿环镜片与圆形凹槽均同轴设置。

所述的气体室的圆壁开有换气孔A和换气孔B，在换气孔A和换气孔B上通过过盈配合分别安装有密封塞A和密封塞B。

本发明提出了一种基于牛顿环等厚干涉原理的光学测量方法，可用于煤矿瓦斯浓度的测量，相对于煤矿现有的基于迈克尔逊干涉原理的瓦斯浓度测量仪器，所使用的测量仪器结构更为简单，所需光学元件更少，更适合煤矿井下的恶劣工作条件且使用方便。

附图说明

图1是本发明方法所依赖的测量装置的结构示意图；

图2是本发明方法所依赖的测量装置的气体室部位外形示意图；

图3是本发明方法的光干涉原理图；

图4是利用本发明方法在显微镜下看到的干涉图样示意图。

图中，1.氦氖激光源，2.上保护盖，3.圆口，4.外保护体，5.换气孔A，6.密封塞A，7.牛顿环镜片，8.安装座，9.圆形凹槽，10.气体室，11.气体室外螺纹A，12.安装座内螺纹，13.全反膜，14.换气孔B，15.密封塞B，16.气体室外螺纹B，17.外保护体内螺纹A，18.外保护体内螺纹B，19.上保护盖外螺纹，20.光学平面玻璃，21.半透膜A，22.反射镜，23.半透膜B，24.读数显微镜。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1，本发明方法所依赖的测量装置的结构是，包括气体室10，气体室10的下端通过螺纹套装在安装座8上，安装座8内腔底面上设有一圆形凹槽9，气体室10的上端通过螺纹套装有外保护体4，外保护体4的上端安装有上保护盖2，上保护盖2沿轴心开有圆口3，沿圆口3的轴心上方设置有与水平面呈45度夹角的反射镜22，反射镜22的下表面镀有半透膜B23，反射镜22的上方设置有读数显微镜24，反射镜22的水平入射方向设置有氦氖激光源1；气体室10的上端口粘接有光学平面玻璃20，光学平面玻璃20上表面镀有半透膜A21；气体室10的下端口粘接有牛顿环镜片7，牛顿环镜片7的上表面为凸面且镀有全反膜13，牛顿环镜片7的下表面为平面；气体室10的圆壁开有换气孔A5和换气孔B14，在换气孔A5和换气孔B14上通过过盈配合分别安装有密封塞A6和密封塞B15；

圆口3与圆形凹槽9的直径一致，且读数显微镜24、圆口3、光学平面玻璃20、气体室10、牛顿环镜片7与圆形凹槽9均同轴设置。

气体室10下端通过气体室外螺纹A11与安装座8的安装座内螺纹12套接，气体室10上端通过气体室外螺纹B16与外保护体4的外保护体内螺纹A17套接，上保护盖2通过上保护盖外螺纹19与外保护体4的外保护体内螺纹B18套接。

本发明的煤矿瓦斯浓度的光学测量方法，利用上述装置，按照以下步骤实施：

步骤1、打开密封塞A6和密封塞B15，使煤矿井下的待测气体进入气体室10；

步骤2、等待3-10分钟时间，使待测气体均匀充满气体室10；

步骤3、利用氦氖激光源1发出激光，入射激光经反射镜22反射后垂直入射到光学平面玻璃20上表面镀的半透膜A21上，一部分光被反射，一部分光透过光学平面玻璃20向下入射到牛顿环镜片7的全反膜13上并被全反射，经光学平面玻璃20上表面镀的半透膜A21反射的光和牛顿环镜片7的全反膜13反射的光是相干光，以上两束反射光产生牛顿环干涉图样，通过读数显微镜24测量干涉条纹的暗环级数k，同时测量第k级暗环对应的直径D_k，采用多次测量的方法，k值取k+1，k+2，k+3，k+4，k+5，k+6，…多个暗环，并测出对应暗环的直径值；

同时采用逐差法处理数据，m为一恒定整数，需同时再测出k+m+1，k+m+2，k+m+3，k+m+4，k+m+5，k+m+6，…多个暗环的直径值；

将以上测得的数据通过公式

计算，其中D_k+m是第k+m级暗环对应的直径，R为牛顿环镜片的曲率半径，是已知常数，即得待测气体中甲烷浓度x，也即瓦斯气体的浓度x。

如图3、图4所示，本发明方法的物理学计算原理是，设经反射镜22反射后入射到光学平面玻璃20上表面半透膜21的入射光线是A，被半透膜21反射的光线是B，被半透膜21透射的光线是C，光线C入射到牛顿环镜片7的上表面被全反膜13全反射，反射光线是D，反射光线是B和D是相干光，反射光线B和D产生如图4所示的牛顿环干涉图样。设牛顿环镜片7的上切面到光学平面玻璃20上表面半透膜21的厚度为L，牛顿环镜片7的下表面到光学平面玻璃20上表面半透膜21的厚度为H，第k级暗环半径为r_k，第k级暗环直径为D_k，第k级暗环对应的瓦斯气体厚度为h，瓦斯气体厚度为h处所对应的牛顿环镜片7上的点到牛顿环镜片7的球冠顶点的距离是e，O是牛顿环镜片7对应的球心，R是牛顿环镜片7的曲率半径，R是已知常数，R的取值为1米以上的量级，m是一恒定整数，第k+m级暗环半径为r_k+m，第k+m级暗环直径为D_k+m，瓦斯混合气体对波长λ＝632.8nm的氦氖激光的折射率为n。

由图3可知：e＝h-L    (1)

对第k级暗环，由光学干涉原理可知：

$2\mathrm{nh}=(k+\frac{1}{2})\mathrm{\λ}---\left(2\right)$

$R^2=r_k^2+{(R-e)}^2---\left(3\right)$

$r_k^2=2\mathrm{Re}-e^2---\left(4\right)$

忽略高阶小量e²，则 $r_k^2=2\mathrm{Re}=\frac{R(k+\frac{1}{2})\mathrm{\λ}}{n}-2\mathrm{RL}---\left(5\right)$

第k级暗环半径： $r_k^2=\frac{R(k+\frac{1}{2})\mathrm{\λ}}{n}-2\mathrm{RL}---\left(6\right)$

第k+m级暗环半径： $r_{k+m}^2=\frac{R(k+m+\frac{1}{2})\mathrm{\λ}}{n}-2\mathrm{RL}---\left(7\right)$

将式(6)、(7)相减得： $r_{k+m}^2-r_k^2=\frac{\mathrm{Rm\λ}}{n}---\left(8\right)$

将式(8)变为暗环直径差，可得瓦斯混合气体的折射率n：

$n=\frac{4\mathrm{Rm\λ}}{D_{k+m}^2-D_k^2},---\left(9\right)$

设瓦斯气体浓度为x，浓度与瓦斯混合气体折射率的关系如下：

n＝1.000411x+1.000272(1-x)(10)

n＝1.000272+0.000139x(11)

由公式(11)可得：

$x=\frac{n-1.000272}{0.000139},---\left(12\right)$

由公式(9)和(12)可得瓦斯气体的浓度：

$x=\frac{\frac{4\mathrm{Rm\λ}}{D_{k+m}^2-D_k^2}-1.000272}{0.000139}.---\left(13\right)$

Claims (2)

1.一种煤矿瓦斯浓度的光学测量方法，其特征在于，该方法依赖一套装置，该装置的结构是，包括气体室（10），气体室（10）的下端通过螺纹套装在安装座（8）上，安装座（8）内腔底面上设有一圆形凹槽（9），气体室（10）的上端通过螺纹套装有外保护体（4），外保护体（4）的上端安装有上保护盖（2），上保护盖（2）沿轴心开有圆口（3），沿圆口（3）的轴心上方设置有与水平面呈45度夹角的反射镜（22），反射镜（22）的下表面镀有半透膜B（23），反射镜（22）的上方设置有读数显微镜（24），反射镜（22）的水平入射方向设置有氦氖激光源（1）；气体室（10）的上端口粘接有光学平面玻璃（20），光学平面玻璃（20）上表面镀有半透膜A（21）；气体室（10）的下端口粘接有牛顿环镜片（7），牛顿环镜片（7）的上表面为凸面且镀有全反膜（13），牛顿环镜片（7）的下表面为平面；

所述的气体室（10）的圆壁开有换气孔A（5）和换气孔B（14），在换气孔A（5）和换气孔B（14）上通过过盈配合分别安装有密封塞A（6）和密封塞B（15）；

所述的煤矿瓦斯浓度的光学测量方法，利用上述装置，按照以下步骤实施：

步骤1、打开密封塞A（6）和密封塞B（15），使煤矿井下的待测气体进入气体室（10）；

步骤2、等待3-10分钟时间，使待测气体均匀充满气体室（10）；

步骤3、利用氦氖激光源（1）发出激光，入射激光经反射镜（22）反射后垂直入射到光学平面玻璃（20）上表面镀的半透膜A（21）上，一部分光被反射，一部分光透过光学平面玻璃（20）向下入射到牛顿环镜片（7）的全反膜（13）上并被全反射，经光学平面玻璃（20）上表面镀的半透膜A（21）反射的光和牛顿环镜片（7）的全反膜（13）反射的光是相干光，以上两束反射光产生牛顿环干涉图样，通过读数显微镜（24）测量干涉条纹的暗环级数k，同时测量第k级暗环对应的直径D_k，采用多次测量的方法，k值取k+1,k+2,k+3,k+4,k+5,k+6,…多个暗环，并测出对应暗环的直径值；

采用逐差法处理数据，m为一恒定整数，需同时再测出k+m+1,k+m+2,k+m+3,k+m+4,k+m+5，k+m+6,…多个暗环的直径值；

将以上测得的数据通过公式

计算，其中D_k+m是第k+m级暗环对应的直径，R为牛顿环镜片的曲率半径，是已知常数，即得待测气体中甲烷浓度x，也即瓦斯气体的浓度x。

2.根据权利要求1所述的煤矿瓦斯浓度的光学测量方法，其特征在于：所述的圆口（3）与圆形凹槽（9）的直径一致，且读数显微镜（24）、圆口（3）、光学平面玻璃（20）、气体室（10）、牛顿环镜片（7）与圆形凹槽（9）均同轴设置。

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