干涉式瓦斯测定器研究

摘要：瓦斯检测在煤矿安全生产中的重要作用是显而易见的。干涉式瓦斯测定器是广泛使用的瓦斯检测装置。作为一种光学仪器，在其具备测量精度高等特性的同时亦存在许多问题，容易受到外力、温度等外界因素的影响，使用范围受限以及操作繁琐。本文针对上述使用过程中出现的问题，从仪器的结构、原理等核心方面介绍了相应的改进方法，以期为日后的研发提供借鉴。最后，对目前常用的四种瓦斯检测方法——热催化法、热导法、光干涉法、光谱吸收法做了比较总结，为仪器的选用提供参考。

关键词：瓦斯 甲烷 干涉 检测

中图分类号： TD77 文献标识码：A文章编号：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

長期以来，煤炭作为主要能源，在我国工业生产和生活中起着举足轻重的作用。由于开采技术落后、企业追逐短期利益、安全意识薄弱、安全措施不到位等原因，煤炭行业在我国成为一个传统高危行业，安全生产一直是一个制约煤炭行业发展的热点问题和难点问题。瓦斯监测在煤矿安全生产中的重要作用是显而易见的。目前，从原理上划分，瓦斯检测仪器主要有：热催化法、热导法、光干涉法、光谱吸收法等。热催化法只能用于低浓度范围（0～5%）的检测，而且寿命短、易中毒、稳定性差。热导法通常用于较高浓度范围（5%～10%），容易受其他气体干扰，灵敏性较差。光谱吸收法是近几年发展起来的瓦斯测量技术，其基于朗伯比尔定律，利用甲烷在红外波长（1.66μm或1.33μm）下不同浓度对光的吸收程度的不同，事先制作对照表，实际测量后通过查表得知甲烷浓度。该方法受限于对照表，在复杂环境下测量存在偏差，灵敏度有限，设计复杂，所采用的红外红外光源和探测器价格昂贵，其性能容易受到温度的影响。

比较而言，干涉式瓦斯测定器发展历史悠久，测量精度高，性能稳定，安全性高，体积小、重量轻，便于携带，维护简单，而且还可以检测多种气体的浓度，是一种成熟可靠的瓦斯检测装置，在我国煤矿中广泛应用。

干涉式瓦斯测定器作为一种光学仪器，在实际使用中也会面临许多问题，例如容易受到气压、温度、外力等外界环境的影响，使用场合单一以及读数不便、操作繁琐等。针对上述问题，本文介绍了相应的改进方法，以期为日后的研发和使用提供借鉴。最后，对各种瓦斯测量方法的优缺点做了比较总结。

1.工作原理

干涉式瓦斯测定器利用光在瓦斯与空气中传播的光程差来测定瓦斯的浓度。其基本结构如图1所示[1]，主要包括玻璃板a、上下空气室d、c、中间瓦斯气室e以及棱镜b，入射光分别经玻璃板a的上下表面反射后，通过瓦斯气室e和下空气室c，经棱镜b两次反射，再次通过瓦斯气室e和上空气室d，最后在玻璃板a汇聚，发生干涉。当瓦斯浓度发生变化时，通过测量干涉条纹的位移量可得到瓦斯浓度。采用棱镜折叠光路大大缩小了仪器的体积，提高了测量精度。

图1

2.提高稳定性和测量精度

气体的有效折射率与气压和温度等有关，当外界环境变化时，会对干涉式瓦斯测定器的测量结果产生影响。为了克服外界气压变化对测量精度的影响，采用细芯薄管连接测量气室和标准空气室，使两个气室的气压始终相等[2]。对于温度的变化造成的干涉条纹的偏移，可在测量光路中增加可倾斜的相位补偿板，通过调节倾斜度调节光程，可使零级条纹归零，保证仪器的正常使用[3]。为了克服外力及热膨胀等对光路的影响，可采用吸收热膨胀的粘接剂将光学元件粘在基板之上进行固定[4]，或采用橡胶包裹仪器外壳[5]，或采用框架固定光学元件[6]以减小测量误差。在待测气体入口增加过滤气室，其内盛放干燥剂或气体吸附剂，可消除水汽或干扰气体的影响[7][8]。为防止气体的泄漏对测量产生影响，可采用气压探测器和电磁阀进行监控 [9]。

3.扩大使用范围

实际的瓦斯测量环境较为复杂，不仅存在瓦斯等易燃气体，同时烟尘也是一个很大的不安全因素，时刻威胁着井下人员的人身健康。为了同时实现烟尘和瓦斯浓度的测量[10]，可在干涉型瓦斯测定器的光路中布置半透半反镜，采用不同的探测器分别接收反射光和透射光。烟尘浓度的变化会引起反射光强度的改变，据此可获得其浓度。

如何扩大仪器的量程，是技术人员关注的问题。可在测量光路和标准光路中放置平行平板，采用该延长光程的方法实现[11]。光程的调节可通过调整平行平板的倾斜度实现。还可通过重新设计气室，同时实现高浓度和低浓度气体的探测[12]。如图3a所示，气室为梯形结构，分上部待测气室15b和下部标准气室15a两部分，入射光a经平板13上下表面的多次反射，产生三束光a1，a2，a3，经过待测气室15b 的光束a1，a2由棱镜反射通过标准气室后在平板13上发生干涉，干涉光束h1用于探测高浓度范围的气体。a3两次经过标准气室后与a2生成干涉光束h2，用于探測低浓度范围的气体。由此可知，该装置利用光程差大小的不同实现不同浓度的测量，光程差大的干涉光束用于探测高浓度气体，光程差小的干涉光束用于探测低浓度气体。图3b给出另一种结构的气室，由一个长气室252和一个短气室251组成，251a、252a为标准气室，251b、252b为待测气室，工作原理与a图类似。

图3

有时测量环境中同时存在多种气体，需要测量混合气体中各个成分的浓度。众所周知，不同的气体对应不同的光谱吸收带，据此可实现混合气体中各成分的浓度测量[13]。采用白光光源，在出射光路中设置特定波长的滤光器，使其波长对应特定气体的吸收波长，通过测量该波长的干涉条纹，可实现各个成分的气体浓度的测量。

4.提高自动化程度

读数式的光学仪器在读数过程中会产生误差，眼睛容易疲劳，操作繁琐。因而，提高仪器的自动化程度在提高测量的准确性和便捷性方面意义重大。干涉式瓦斯测定器很早就实现了自动化测量[14]，采用光电二极管取代人眼感应条纹，同时控制报警装置实现声光报警。近年来已出现了一些数字化、自动化的瓦斯测量装置，例如：采用CCD测量干涉条纹，微处理器（如单片机）控制条纹的自动采集、分析、计算、显示以及报警[15]，仪器装有温度计、计时器[16]，大大提高了操作的便捷性和可靠性。还出现了采用傅里叶分析装置自动分析干涉条纹的相位变化，可实现自动分析结果以及克服CCD分辨率不足的问题[17]。

5.小结

四种瓦斯检测方法——热催化法、热导法、光干涉法、光谱吸收法有各自的优缺点。热催化法利用不同浓度的瓦斯氧化时产生不同的热量实现测量，灵敏度高，响应时间短，受温度和湿度影响小，价格低廉，但存在测量范围小、容易中毒、寿命短等问题，通常用于0～5%范围的测量。热导法利用待测气体与空气导热率的不同实现检测，主要部分为一电桥，成本低、寿命长，但容易受其他气体的影响，主要用于5%～10%范围的测量，常与热催化法结合使用。光谱吸收法由于对光源和探测器有较高的要求，且设计复杂，因而成本较高，但发展潜力大，将其与光纤技术结合可实现小型化、远程、分布式测量。干涉式瓦斯测定器自1930年发明以来，经过人们长久以来不断的完善，已发展为一种成熟、稳健的仪器，测量精度高、稳定性好、安全性高，并且实现了自动化测量，得到广泛的使用。

参考文献

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[16]陈晓曦. 一种光干涉式甲烷测定器[P].CN201477045U，2010.5.19

[17]理研计器株式会社.光干涉式流体特性测定装置[P].JP2000292351A，2010.10.20

作者简介：任晓峰（1987-），男，山西阳泉人，2012年3月毕业于北京理工大学，硕士，现从事光学检测领域的专利审查工作。