專利名稱：一種煤礦瓦斯?jié)舛鹊墓鈱W測量方法
技術領域：
本發(fā)明屬于煤礦井下瓦斯?jié)舛葯z測設備技術領域，涉及一種煤礦瓦斯?jié)舛鹊墓鈱W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?jié)舛鹊臏y量實質是測量混合氣體中的甲烷濃度。在煤礦瓦斯?jié)舛鹊臏y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(yōu)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(wěn)定性好、不會受到有害氣體影響中毒老化的優(yōu)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(tǒng)和電路系統(tǒng)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(huán)境下的在線、連續(xù)監(jiān)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(fā)展，系統(tǒng)結構較為復雜，系統(tǒng)的穩(wěn)定性有待進一步提高。現有的光干涉法瓦斯?jié)舛葴y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?jié)舛龋哂袦y量精度高、測量范圍大、使用方便等優(yōu)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(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種煤礦瓦斯?jié)舛鹊墓鈱W測量方法，解決了現有煤礦井下瓦斯?jié)舛裙飧缮鏈y量儀器易受顛簸和碰撞影響，計量精度低的問題。本發(fā)明所采用的技術方案是，一種煤礦瓦斯?jié)舛鹊墓鈱W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(huán)鏡片，牛頓環(huán)鏡片的上表面為凸面且鍍有全反膜，牛頓環(huán)鏡片的下表面為平面；本發(fā)明的煤礦瓦斯?jié)舛鹊墓鈱W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(fā)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(huán)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(huán)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(huán)干涉圖樣，通過讀數顯微鏡測量干涉條紋的暗環(huán)級數k，同時測量第k級暗環(huán)對應的直徑Dk，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(huán)，并測出對應暗環(huán)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(huán)的直徑值；
4RmA -1.000272將以上測得的數據通過公式χ = D2k+m -D2k_計算，其中Dk+m是第k+m級暗
X~ 0.000139
環(huán)對應的直徑，R為牛頓環(huán)鏡片的曲率半徑，是已知常數，即得待測氣體中甲烷濃度χ，也即瓦斯氣體的濃度X。本發(fā)明的煤礦瓦斯?jié)舛鹊墓鈱W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(huán)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(fā)明提出了一種基于牛頓環(huán)等厚干涉原理的光學測量方法，可用于煤礦瓦斯?jié)舛鹊臏y量，相對于煤礦現有的基于邁克爾遜干涉原理的瓦斯?jié)舛葴y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。


圖1是本發(fā)明方法所依賴的測量裝置的結構示意圖；圖2是本發(fā)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(fā)明方法的光干涉原理圖；圖4是利用本發(fā)明方法在顯微鏡下看到的干涉圖樣示意圖。圖中，1.氦氖激光源，2.上保護蓋，3.圓口，4.外保護體，5.換氣孔A，6.密封塞 A，7.牛頓環(huán)鏡片，8.安裝座，9.圓形凹槽，10.氣體室，11.氣體室外螺紋A，12.安裝座內螺紋，13.全反膜，14.換氣孔B，15.密封塞B，16.氣體室外螺紋B，17.外保護體內螺紋A， 18.外保護體內螺紋B，19.上保護蓋外螺紋，20.光學平面玻璃，21.半透膜A，22.反射鏡， 23.半透膜B，24.讀數顯微鏡。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進行詳細說明。如圖1，本發(fā)明方法所依賴的測量裝置的結構是，包括氣體室10，氣體室10的下端通過螺紋套裝在安裝座8上，安裝座8內腔底面上設有一圓形凹槽9，氣體室10的上端通過螺紋套裝有外保護體4，外保護體4的上端安裝有上保護蓋2，上保護蓋2沿軸心開有圓口 3，沿圓口 3的軸心上方設置有與水平面呈45度夾角的反射鏡22，反射鏡22的下表面鍍有半透膜B23，反射鏡22的上方設置有讀數顯微鏡24，反射鏡22的水平入射方向設置有氦氖激光源1 ；氣體室10的上端口粘接有光學平面玻璃20，光學平面玻璃20上表面鍍有半透膜A21 ；氣體室10的下端口粘接有牛頓環(huán)鏡片7，牛頓環(huán)鏡片7的上表面為凸面且鍍有全反膜 13，牛頓環(huán)鏡片7的下表面為平面；氣體室10的圓壁開有換氣孔A5和換氣孔B14，在換氣孔A5和換氣孔B14上通過過盈配合分別安裝有密封塞A6和密封塞B15 ；圓口 3與圓形凹槽9的直徑一致，且讀數顯微鏡24、圓口 3、光學平面玻璃20、氣體室10、牛頓環(huán)鏡片7與圓形凹槽9均同軸設置。氣體室10下端通過氣體室外螺紋All與安裝座8的安裝座內螺紋12套接，氣體室10上端通過氣體室外螺紋B16與外保護體4的外保護體內螺紋A17套接，上保護蓋2通過上保護蓋外螺紋19與外保護體4的外保護體內螺紋B18套接。本發(fā)明的煤礦瓦斯?jié)舛鹊墓鈱W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A6和密封塞B15，使煤礦井下的待測氣體進入氣體室10 ；步驟2、等待3-10分鐘時間，使待測氣體均勻充滿氣體室10 ；步驟3、利用氦氖激光源1發(fā)出激光，入射激光經反射鏡22反射后垂直入射到光學平面玻璃20上表面鍍的半透膜A21上，一部分光被反射，一部分光透過光學平面玻璃20向下入射到牛頓環(huán)鏡片7的全反膜13上并被全反射，經光學平面玻璃20上表面鍍的半透膜 A21反射的光和牛頓環(huán)鏡片7的全反膜13反射的光是相干光，以上兩束反射光產生牛頓環(huán)干涉圖樣，通過讀數顯微鏡M測量干涉條紋的暗環(huán)級數k，同時測量第k級暗環(huán)對應的直徑 Dk，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(huán)，并測出對應暗環(huán)的直徑值；同時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(huán)的直徑值；
4RmA -1.000272將以上測得的數據通過公式χ = D2k+m -D2k_計算，其中Dk+m是第k+m級暗
X~ 0.000139
環(huán)對應的直徑，R為牛頓環(huán)鏡片的曲率半徑，是已知常數，即得待測氣體中甲烷濃度χ，也即瓦斯氣體的濃度X。如圖3、圖4所示，本發(fā)明方法的物理學計算原理是，設經反射鏡22反射后入射到光學平面玻璃20上表面半透膜21的入射光線是A，被半透膜21反射的光線是B，被半透膜 21透射的光線是C，光線C入射到牛頓環(huán)鏡片7的上表面被全反膜13全反射，反射光線是 D，反射光線是B和D是相干光，反射光線B和D產生如圖4所示的牛頓環(huán)干涉圖樣。設牛頓環(huán)鏡片7的上切面到光學平面玻璃20上表面半透膜21的厚度為L，牛頓環(huán)鏡片7的下表面到光學平面玻璃20上表面半透膜21的厚度為H，第k級暗環(huán)半徑為IV第k級暗環(huán)直徑為Dk，第k級暗環(huán)對應的瓦斯氣體厚度為h，瓦斯氣體厚度為h處所對應的牛頓環(huán)鏡片7上的點到牛頓環(huán)鏡片7的球冠頂點的距離是e，0是牛頓環(huán)鏡片7對應的球心，R是牛頓環(huán)鏡片7的曲率半徑，R是已知常數，R的取值為1米以上的量級，m是一恒定整數，第k+m級暗環(huán)半徑為rk+m，第k+m級暗環(huán)直徑為Dk+m，瓦斯混合氣體對波長λ = 632. 8nm的氦氖激光的折射率為η。由圖3 可知e = h_L (1)對第k級暗環(huán)，由光學干涉原理可知
權利要求
1.一種煤礦瓦斯?jié)舛鹊墓鈱W測量方法，其特征在于，該方法依賴一套裝置，該裝置的結構是，包括氣體室(10)，氣體室(10)的下端通過螺紋套裝在安裝座(8)上，安裝座(8)內腔底面上設有一圓形凹槽(9)，氣體室(10)的上端通過螺紋套裝有外保護體G)，外保護體 (4)的上端安裝有上保護蓋O)，上保護蓋(2)沿軸心開有圓口(3)，沿圓口(3)的軸心上方設置有與水平面呈45度夾角的反射鏡(22)，反射鏡0 的下表面鍍有半透膜B (23)，反射鏡0 的上方設置有讀數顯微鏡(M)，反射鏡0 的水平入射方向設置有氦氖激光源 (1)；氣體室(10)的上端口粘接有光學平面玻璃(20)，光學平面玻璃OO)上表面鍍有半透膜AQl)；氣體室(10)的下端口粘接有牛頓環(huán)鏡片(7)，牛頓環(huán)鏡片(7)的上表面為凸面且鍍有全反膜(13)，牛頓環(huán)鏡片(7)的下表面為平面；本發(fā)明的煤礦瓦斯?jié)舛鹊墓鈱W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(6)和密封塞B (15)，使煤礦井下的待測氣體進入氣體室(10)； 步驟2、等待3-10分鐘時間，使待測氣體均勻充滿氣體室(10)； 步驟3、利用氦氖激光源(1)發(fā)出激光，入射激光經反射鏡0 反射后垂直入射到光學平面玻璃OO)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 (20)向下入射到牛頓環(huán)鏡片(7)的全反膜(13)上并被全反射，經光學平面玻璃OO)上表面鍍的半透膜AQl)反射的光和牛頓環(huán)鏡片(7)的全反膜(13)反射的光是相干光，以上兩束反射光產生牛頓環(huán)干涉圖樣，通過讀數顯微鏡04)測量干涉條紋的暗環(huán)級數k，同時測量第k級暗環(huán)對應的直徑Dk，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(huán)，并測出對應暗環(huán)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(huán)的直徑值； 將以上測得的數據通過公式
2.根據權利要求1所述的煤礦瓦斯?jié)舛鹊墓鈱W測量方法，其特征在于所述的圓口 (3)與圓形凹槽(9)的直徑一致，且讀數顯微鏡(M)、圓口(3)、光學平面玻璃(20)、氣體室 (10)、牛頓環(huán)鏡片(7)與圓形凹槽(9)均同軸設置。
3.根據權利要求1所述的煤礦瓦斯?jié)舛鹊墓鈱W測量方法，其特征在于所述的氣體室 (10)的圓壁開有換氣孔A(5)和換氣孔B(14)，在換氣孔A(5)和換氣孔B(14)上通過過盈配合分別安裝有密封塞A (6)和密封塞B (15)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種煤礦瓦斯?jié)舛鹊墓鈱W測量方法，該方法依賴一套光學測量裝置，并按照以下步驟實施使待測氣體均勻充滿氣體室；利用氦氖激光源發(fā)出激光，經光學平面玻璃上表面鍍的半透膜A反射的光和牛頓環(huán)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(huán)干涉圖樣，通過讀數顯微鏡測量干涉條紋的暗環(huán)級數k，同時測量第k級暗環(huán)對應的直徑Dk，采用多次測量的方法，多個暗環(huán)，并測出對應暗環(huán)的直徑值；采用逐差法處理數據，需同時再測出多個暗環(huán)的直徑值；將以上測得的數據通過公式計算，即得待測氣體中甲烷濃度x。本發(fā)明方法基于牛頓環(huán)等厚干涉原理，方法簡單，更適合煤礦井下的惡劣工作條件。
文檔編號G01N21/45GK102305775SQ20111025338
公開日2012年1月4日 申請日期2011年8月31日 優(yōu)先權日2011年8月31日
發(fā)明者郭長立 申請人:西安科技大學