[发明专利]一种煤矿瓦斯浓度的光学测量方法

说明书

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。