硅谷杂志：光干涉甲烷测定器的原理及修护 |
| 2012-12-17 10:11 作者：王茂光 陈明静 鹿祥 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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【硅谷网文】据《硅谷》杂志2012年第19期刊文，光干涉式甲烷测定器是我国煤矿目前使用比较广泛的携带式甲烷测定器，它是利用几何光学基本原理研制的仪器。光干涉式甲烷测定器最早使用要追溯到一百多年前，法国人雅明利用布留斯特干涉条纹制成的干涉仪，也就是有名的雅明干涉仪。雅明干涉仪是最早使用光的干涉、折射、反射等光学原理来测量气体浓度的仪器，后来到1927年日本东京理化大学土井先生将雅明干涉仪加以改进，加进一直角棱镜而少用一平行平面玻璃板。土井的改进使仪器在保持原来精度的同时体积缩小一半，而且更易于调整和携带。1953年中国科学院仪器馆仿制成功理研10L型瓦斯检定器，1954年小量生产供应国内使用，至此我国开始自主研制和大批量生产干涉式瓦斯测定器，也就是光干涉甲烷测定器。
关键词：光干涉式甲烷测定器；雅明干涉仪；光学原理
1光干涉式甲烷测定器的基本原理
该种仪器的光学系统原理图如图1所示：
光干涉式甲烷测定器由光源1即发光灯泡发出光，光源的光经过聚光镜2聚光，形成平行的光束。平行光束射向平面镜3，在经过平面镜时被分成分成两束，一束经过反射气室5的空气室，另一束经过折射进入气室5的气样室。进入空气室的光束，经过折光棱镜传播路径发生两次改变，进入气室5的上端空气室，在此回到平面镜3处，在平面镜折射和反射的作用下射向反射棱镜7，棱镜7把光束经过反射，光束转入望远镜8内。进入气样室的光速平行射入折光棱镜6中，在棱镜作用下，经过180°反向再次回到气样室3中，光速反向射向平面镜3，经过平面镜的反射与起初进入空气室的光速汇合，共同进入望远镜8中。两束光共同作用在物镜的焦平面上，产生白光固有的特性一一干涉。气室的空气室和气样室内是同种气体时，两束光的光程相同，干涉条纹不会发生移动。如果气样室中的气体发生变化，则光的折射率发生变化，两束光的光程也就不一样了，干涉条纹就会移动，根据干涉条纹的移动量就可以知道气体的折射率的变化，从而量化气体浓度。
2仪器各部分构造及功能
2.1光源部
1）照明装置组：仪器产生干涉条纹的光源部分，灯泡具有白色反光面，形状为扁形，是一种较好的特制灯泡。
2）聚光镜组：为一个双凸透镜，将灯泡发出的白光变成一束近乎平行的光线，并增加光强度。
3）光屏：为遮挡多余光线从而使干涉条纹清晰。
2.2干涉部
1）平面镜组：由平面镜底座、平面镜座、压板、钢纸垫、平面镜组成。它使光线经过平面镜后由一些了的光波分成两列光波，然后又在该镜的另一处汇合，产生干涉条纹。
2）折光棱镜组：由折光棱镜座、支柱、钢纸垫、挡片、弹簧压板及折光棱镜组成。它将光经过两次反射后折回到平面镜。该镜一仪器壳体底面垂直。
2.3测定部
1）气室组：由两个不同的黄铜异形管、气室框、气室垫和细铜管组成。气室共分三部分，两侧的俗称空气室，中间位气样室，气室两端粘有两块平行玻璃，对气室要求是空气室和气样室各不漏气。
2）反射棱镜组：由反射棱镜底板、支被、弹片、弹簧压板、钢纸垫和反射棱镜用螺母固定组合而成。它是将来自平面镜的光线作90°转向，使之进入望远镜内，并且转动螺杆作上下调节时能移动干涉条纹。
3）物镜组：有两片光学镜片胶合而成。它是用来遮挡杂光，以改善干涉条纹的清晰度。
4）测微玻璃组：由测微玻璃座、弹片和测微玻璃组合而成。当转动测微玻璃组手轮时，因此轮带动和测微螺杆转动，螺杆推动了测微玻璃座使之偏转，它的偏转会产生条纹的移动。
5）分划板：其上有刻度，它可以测量干涉条纹的移动量，从而确定通入气样室内甲烷气体浓度。
6）目镜组：由两个凸面相对的平凸透镜组成，起放大作用，便于观察和读数。
2.4其他部
1）吸收管组：吸收管有两个，一个是由堵头组、塞块、隔圈、隔片和吸收管组成，另一个由带气嘴的螺盖、护套、干燥管、橡胶垫圈组成。
2）盘形管：一般为紫铜管加工而成，一方面是平衡气压，另一方面是减少气体扩散作用的影响，以防止井下气体逐渐渗入到空气室内从而产生测量误差。
3）气球组：由排气嘴组、吸入嘴组、气球、气管、套箍、链条、和圆柱头螺钉组成。主要用于抽取气样和气样室换气。
4）按钮组：由弹簧底座、弹簧片、按钮座、按钮弹簧、尖接点和铆钉组成。主要是控制照明电路。
5）壳体组：壳体是用铝合金压铸而成，分成两室，一个为室放装置光学零件，另一个放电池盒吸收管。
3光干涉甲烷测定器基本误差的校验
仪器在使用一点时间或经修理之后，其基本误差都必须进行定期的检定，把仪器的读数相比较，若误差在表2范围内，则可用，否则应进行检修。
表2
甲烷浓度（％） 0＜X≤1 1＜X≤4 4＜X≤7 7＜X≤10
允差（％） ±0.05 ±0.1 ±0.2 ±0.3
目前仪器的检定主要是水柱发和压力校验法，由于数字技术的快速发展，数字式压力校验仪在光干涉式甲烷测定器的检定中使用的比较广泛，因为使用数字压力计测的仪器的检测速度快、效率高，所以受到广大检定员的青睐，在标准实验室内，仪器放置2-3个小时，方可进行检定，检定时操作要严格按照JJG677-2006光干涉式甲烷测定器检定规程的要求，在数字压力计内输入环境温度，用橡胶管把仪器和压力计连接起来，首先进行耐压测试，看仪器是否存在漏气现象。当仪器气密性完好时方可进行浓度的测量。
仪器经检修后除进行精度检查外，还应按检定规程重点检查以下几项技术性能：
1）自由跌落试验：在混凝土台上放置厚度为50mm的红松板，将不带护套的仪器除目镜侧外的其他各面从100mm高处自由落下各1次，每次跌落后读取干涉条纹的移动量，测量范围在（0-10%）应不大于相当甲烷浓度的±0.2%，测量范围在（0-100%）应不大于相当甲烷浓度的±2.0%。
2）气密性能试验：将仪器气路系统，空气室和盘形管等分别加上7kPa的压力，历时10min，后5分钟压力下降不得超过10Pa。
3）稳定性试验：在20±2%℃条件下，对带护套的仪器，经24h后观察其条纹的移动量，测量范围在（0-10%）应不大于相当甲烷浓度的±0.2%，测量范围在（0-100%）应不大于相当甲烷浓度的±2.0%。
4仪器的修护
光干涉式甲烷测定器是利用几何光学原理的仪器，在使用过程中经过碰撞、震动、受潮等意外时，仪器的准确度和寿命都会发生影响，当仪器发生故障时应及时正确处理，否则会影响正常的安全生产。现对日常容易出现的故障进行分析处理如下：
4.1干涉条纹加压向反方向移动
干涉条纹本身很正常，在检定过程中给仪器加压，干涉条纹不是正常的想右移动，而是向反方向移动，也就是我们常说的“跑负”。光干涉式甲烷测定器的条纹是由平面镜后倾的角度决定的，如果平面镜的底座倾向方向不是向后倾斜而是向前，平面镜的底座就不垂直，这些原因都会是干涉条纹跑负.
发生这种故障时，不要着急，首先检查平面镜底座，如果是底座原因，更换底座即可，
4.2气室漏气
气室是仪器的重要部件之一，应保证严格的气密性，但是由于长时间的使用，连接气室的胶管容易老化，发生漏气，同时也可能是气室本身原因漏气。
当发生气室漏气时，一定要弄清楚是胶管的原因还是气室本身的故障。检查时，首先给气室加压，并把气室和胶管共同浸入水中，发现漏气部位及时做好记号，在做后期处理。
4.3干涉条纹弯曲
条纹弯曲有全弯曲和局部弯曲，条弯曲就是条纹弧形，实践证明可能是平面镜和遮光棱镜通光表面光圈不良造成的。另外平面镜、遮光棱镜、反射棱镜由于材料不好有瑕疵，也会出现条纹的弯曲，还有的由于气室平行玻璃局部平面度不好活材料不好也会才生弯曲。
干涉条纹局部弯曲可能是极不光圈不好，也可能是光学表面有麻点、划痕、开胶活银层局部破损等原因。
首先应判定是全曲还是局部弯曲，然后根据以上分析进行逐件观察，查明原因，确定是有那块镜片影响，而后更换镜片予以排除故障。也可将平面镜活折光棱镜翻过来安装或平行移动一个位置，进行观察分析。
4.4气室加压后，干涉条纹变“虚”
这个故障可能是折光棱镜座平行度不好、平面镜平行度不好、光源灯泡表面不好或是气室底垫高度不合适。这时候应该根据上述原因，逐项排除并有简到繁的进行，找出具体原因，更换零件。
气室底垫高度不合适，可在平台上用水磨砂纸将它磨到合适为止，如底垫低更换气室即可。
光干涉式甲烷测定器是一种光学仪器，但是每天却都在煤矿井下使用，条件十分恶劣，岩粉、煤尘到处飞扬，水气有很大，个工作地点温度差别也很大。由于作业条件不好，仪器很容易被震动和碰撞，同时仪器内进入煤尘、岩粉和水气，为了保证仪器的准确度及内部清洁，有些部位需要经常的维修、擦拭灰尘和保养。
保养过程中一定要做到擦布要柔软清洁，经过良好的脱脂；擦拭使用酒精应为无水乙醇；仪器在存放过程中要注意防潮、防尘；仪器在维修过程中不得破坏本安电路和与本安电路有关的元器件；根据测量气体成分的不同及时更换吸收剂，以保证测量数值的准确性。
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