干涉式瓦斯測定器研究

摘要：瓦斯檢測在煤礦安全生產(chǎn)中的重要作用是顯而易見的。干涉式瓦斯測定器是廣泛使用的瓦斯檢測裝置。作為一種光學儀器，在其具備測量精度高等特性的同時亦存在許多問題，容易受到外力、溫度等外界因素的影響，使用范圍受限以及操作繁瑣。本文針對上述使用過程中出現(xiàn)的問題，從儀器的結(jié)構(gòu)、原理等核心方面介紹了相應(yīng)的改進方法，以期為日后的研發(fā)提供借鑒。最后，對目前常用的四種瓦斯檢測方法——熱催化法、熱導法、光干涉法、光譜吸收法做了比較總結(jié)，為儀器的選用提供參考。

關(guān)鍵詞：瓦斯 甲烷 干涉 檢測

中圖分類號： TD77 文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2015）01（c）0000-00

The development of the interferometric means for gas measurement

REN Xiaofeng

（Patent Examination Cooperation Jiangsu Center of the Patent Office， Suzhou 215163，China）

Abstract： It is obvious that the detection of the gas plays a very important role in safely production in coal mine. Presently， interferometric means for gas measurement are widely used. It has high precision as an optical instrument， but also many problems have been encountered in practical application. For example， it is easy affected by complicated condition，force，temperatrue， and so on.The range of use is limited and operation is inconvenient. As to provide solution and reference for research and development some improvement are introduced respectively in the aspects of principle and structure. Finally， four kinds of gas measurement method are summarized and compared to provide reference for selection of gas mesure instrument.

Key words： gas， methane， interference， detection

0引言

長期以來，煤炭作為主要能源，在我國工業(yè)生產(chǎn)和生活中起著舉足輕重的作用。由于開采技術(shù)落后、企業(yè)追逐短期利益、安全意識薄弱、安全措施不到位等原因，煤炭行業(yè)在我國成為一個傳統(tǒng)高危行業(yè)，安全生產(chǎn)一直是一個制約煤炭行業(yè)發(fā)展的熱點問題和難點問題。瓦斯監(jiān)測在煤礦安全生產(chǎn)中的重要作用是顯而易見的。目前，從原理上劃分，瓦斯檢測儀器主要有：熱催化法、熱導法、光干涉法、光譜吸收法等。熱催化法只能用于低濃度范圍（0～5%）的檢測，而且壽命短、易中毒、穩(wěn)定性差。熱導法通常用于較高濃度范圍（5%～10%），容易受其他氣體干擾，靈敏性較差。光譜吸收法是近幾年發(fā)展起來的瓦斯測量技術(shù)，其基于朗伯比爾定律，利用甲烷在紅外波長（1.66μm或1.33μm）下不同濃度對光的吸收程度的不同，事先制作對照表，實際測量后通過查表得知甲烷濃度。該方法受限于對照表，在復雜環(huán)境下測量存在偏差，靈敏度有限，設(shè)計復雜，所采用的紅外紅外光源和探測器價格昂貴，其性能容易受到溫度的影響。

比較而言，干涉式瓦斯測定器發(fā)展歷史悠久，測量精度高，性能穩(wěn)定，安全性高，體積小、重量輕，便于攜帶，維護簡單，而且還可以檢測多種氣體的濃度，是一種成熟可靠的瓦斯檢測裝置，在我國煤礦中廣泛應(yīng)用。

干涉式瓦斯測定器作為一種光學儀器，在實際使用中也會面臨許多問題，例如容易受到氣壓、溫度、外力等外界環(huán)境的影響，使用場合單一以及讀數(shù)不便、操作繁瑣等。針對上述問題，本文介紹了相應(yīng)的改進方法，以期為日后的研發(fā)和使用提供借鑒。最后，對各種瓦斯測量方法的優(yōu)缺點做了比較總結(jié)。

1.工作原理

干涉式瓦斯測定器利用光在瓦斯與空氣中傳播的光程差來測定瓦斯的濃度。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]，主要包括玻璃板a、上下空氣室d、c、中間瓦斯氣室e以及棱鏡b，入射光分別經(jīng)玻璃板a的上下表面反射后，通過瓦斯氣室e和下空氣室c，經(jīng)棱鏡b兩次反射，再次通過瓦斯氣室e和上空氣室d，最后在玻璃板a匯聚，發(fā)生干涉。當瓦斯?jié)舛劝l(fā)生變化時，通過測量干涉條紋的位移量可得到瓦斯?jié)舛取２捎美忡R折疊光路大大縮小了儀器的體積，提高了測量精度。

圖1

2.提高穩(wěn)定性和測量精度

氣體的有效折射率與氣壓和溫度等有關(guān)，當外界環(huán)境變化時，會對干涉式瓦斯測定器的測量結(jié)果產(chǎn)生影響。為了克服外界氣壓變化對測量精度的影響，采用細芯薄管連接測量氣室和標準空氣室，使兩個氣室的氣壓始終相等[2]。對于溫度的變化造成的干涉條紋的偏移，可在測量光路中增加可傾斜的相位補償板，通過調(diào)節(jié)傾斜度調(diào)節(jié)光程，可使零級條紋歸零，保證儀器的正常使用[3]。為了克服外力及熱膨脹等對光路的影響，可采用吸收熱膨脹的粘接劑將光學元件粘在基板之上進行固定[4]，或采用橡膠包裹儀器外殼[5]，或采用框架固定光學元件[6]以減小測量誤差。在待測氣體入口增加過濾氣室，其內(nèi)盛放干燥劑或氣體吸附劑，可消除水汽或干擾氣體的影響[7][8]。為防止氣體的泄漏對測量產(chǎn)生影響，可采用氣壓探測器和電磁閥進行監(jiān)控 [9]。

3.擴大使用范圍

實際的瓦斯測量環(huán)境較為復雜，不僅存在瓦斯等易燃氣體，同時煙塵也是一個很大的不安全因素，時刻威脅著井下人員的人身健康。為了同時實現(xiàn)煙塵和瓦斯?jié)舛鹊臏y量[10]，可在干涉型瓦斯測定器的光路中布置半透半反鏡，采用不同的探測器分別接收反射光和透射光。煙塵濃度的變化會引起反射光強度的改變，據(jù)此可獲得其濃度。

如何擴大儀器的量程，是技術(shù)人員關(guān)注的問題。可在測量光路和標準光路中放置平行平板，采用該延長光程的方法實現(xiàn)[11]。光程的調(diào)節(jié)可通過調(diào)整平行平板的傾斜度實現(xiàn)。還可通過重新設(shè)計氣室，同時實現(xiàn)高濃度和低濃度氣體的探測[12]。如圖3a所示，氣室為梯形結(jié)構(gòu)，分上部待測氣室15b和下部標準氣室15a兩部分，入射光a經(jīng)平板13上下表面的多次反射，產(chǎn)生三束光a1，a2，a3，經(jīng)過待測氣室15b 的光束a1，a2由棱鏡反射通過標準氣室后在平板13上發(fā)生干涉，干涉光束h1用于探測高濃度范圍的氣體。a3兩次經(jīng)過標準氣室后與a2生成干涉光束h2，用于探測低濃度范圍的氣體。由此可知，該裝置利用光程差大小的不同實現(xiàn)不同濃度的測量，光程差大的干涉光束用于探測高濃度氣體，光程差小的干涉光束用于探測低濃度氣體。圖3b給出另一種結(jié)構(gòu)的氣室，由一個長氣室252和一個短氣室251組成，251a、252a為標準氣室，251b、252b為待測氣室，工作原理與a圖類似。

圖3

有時測量環(huán)境中同時存在多種氣體，需要測量混合氣體中各個成分的濃度。眾所周知，不同的氣體對應(yīng)不同的光譜吸收帶，據(jù)此可實現(xiàn)混合氣體中各成分的濃度測量[13]。采用白光光源，在出射光路中設(shè)置特定波長的濾光器，使其波長對應(yīng)特定氣體的吸收波長，通過測量該波長的干涉條紋，可實現(xiàn)各個成分的氣體濃度的測量。

4.提高自動化程度

讀數(shù)式的光學儀器在讀數(shù)過程中會產(chǎn)生誤差，眼睛容易疲勞，操作繁瑣。因而，提高儀器的自動化程度在提高測量的準確性和便捷性方面意義重大。干涉式瓦斯測定器很早就實現(xiàn)了自動化測量[14]，采用光電二極管取代人眼感應(yīng)條紋，同時控制報警裝置實現(xiàn)聲光報警。近年來已出現(xiàn)了一些數(shù)字化、自動化的瓦斯測量裝置，例如：采用CCD測量干涉條紋，微處理器（如單片機）控制條紋的自動采集、分析、計算、顯示以及報警[15]，儀器裝有溫度計、計時器[16]，大大提高了操作的便捷性和可靠性。還出現(xiàn)了采用傅里葉分析裝置自動分析干涉條紋的相位變化，可實現(xiàn)自動分析結(jié)果以及克服CCD分辨率不足的問題[17]。

5.小結(jié)

四種瓦斯檢測方法——熱催化法、熱導法、光干涉法、光譜吸收法有各自的優(yōu)缺點。熱催化法利用不同濃度的瓦斯氧化時產(chǎn)生不同的熱量實現(xiàn)測量，靈敏度高，響應(yīng)時間短，受溫度和濕度影響小，價格低廉，但存在測量范圍小、容易中毒、壽命短等問題，通常用于0～5%范圍的測量。熱導法利用待測氣體與空氣導熱率的不同實現(xiàn)檢測，主要部分為一電橋，成本低、壽命長，但容易受其他氣體的影響，主要用于5%～10%范圍的測量，常與熱催化法結(jié)合使用。光譜吸收法由于對光源和探測器有較高的要求，且設(shè)計復雜，因而成本較高，但發(fā)展?jié)摿Υ螅瑢⑵渑c光纖技術(shù)結(jié)合可實現(xiàn)小型化、遠程、分布式測量。干涉式瓦斯測定器自1930年發(fā)明以來，經(jīng)過人們長久以來不斷的完善，已發(fā)展為一種成熟、穩(wěn)健的儀器，測量精度高、穩(wěn)定性好、安全性高，并且實現(xiàn)了自動化測量，得到廣泛的使用。

參考文獻

[1]ZH RIKAGAKU KENKYUJO. Gas refractometer[P]. US1770355，1930.7.8

[2] ZIRO TUZI. Improved Interferometric Means for Measuring the Composition of Gases [P]. GB725748，1955.3.9

[3] ZEISS STIFTUNG. An Interferometer for Measuring Purpose[P].GB801648，1958.9.17

[4] 理研計器株式會社. 光干涉式流體特性測定裝置[P].JPH0921750 A，1997.1.21

[5]POLSKIE ZAKLADY OPTYCZNE. Interferometer Device For Detecting Methane [P].GB1355817A，1974.6.5

[6]理研計器株式會社. 光干涉式流體特性測定裝置[P].JP2002310909A，2002.10.23）

[7]清水建設(shè)株式會社.空氣中的有機氣體測定方法[P].JPS5851617B2，1997.12.14

[8]陳書乾.光干涉式甲烷測定器[P]. CN101354350A，2009.1.28

[9]理研計器株式會社. 光干涉式流體特性測定裝置[P].JP2003240714A，2003.8.27

[10]工業(yè)技術(shù)院長.氣體及煙濃度測定裝置[P].JPH0260261B2，1990.12.14

[11]北海道東科計器株式會社.氣體濃度測定裝置[P].JPS4838277B2，1973.11.16

[12]太平洋碳礦株式會社.氣體濃度測定裝置[P].JP2000046737A，2000.2.18

[13] 北海道東科計器株式會社.混合氣體中各成分濃度測定方法及裝置[P].JP2003247941A，2003.9.5

[14]Warszawa，ul.Grochowska.Apparatus for Automatic Monitoring of Presence of the Methane in Air[P].GB1384320A，1975.2.19

[15] 湖南科技大學. 光數(shù)一體雙模式智能甲烷檢測儀[P].CN201434836Y，2010.3.31

[16]陳曉曦. 一種光干涉式甲烷測定器[P].CN201477045U，2010.5.19

[17]理研計器株式會社.光干涉式流體特性測定裝置[P].JP2000292351A，2010.10.20

作者簡介：任曉峰（1987-），男，山西陽泉人，2012年3月畢業(yè)于北京理工大學，碩士，現(xiàn)從事光學檢測領(lǐng)域的專利審查工作。