光学瓦斯（甲烷）鉴定器
一、什么是瓦斯鉴定器？有何特点？
光干涉式瓦斯检定器，又叫光学瓦斯检定器，俗称“理研”。它的种类较多，有GWJ-1型、AQG-1型和CJG-10型等等。该仪器的测量范围有两种：0～10%、0～100%。
瓦斯鉴定器是利用光学折射原理测定瓦斯和二氧化碳等气体浓度的便携式仪器。这种仪器的特点是携带方便，操作简单，安全可靠，并有足够的精度。
二、光学瓦斯鉴定器由哪几部分组成？一些主要部件的作用是什么？
光学瓦斯鉴定器由气路系统、光路系统、电路系统三部分组成。
（一）、气路系统：由吸收管组和气室组组成
1、吸收管组：在它里边所装的药品因各矿井的情况不同而可以不同。一般外管装二氧化碳吸收剂，内管装水份吸收剂。
1）二氧化碳吸收管：内装3-5mm 粉红色颗粒状钠石灰，用于吸收混合气体中的二氧化碳；钠石灰失效后由粉红变为淡黄、粉化。
2）水份吸收管：内装白色氯化钙或蓝色硅胶，用于吸收混合气体中的水份；硅胶由蓝变红，氯化钙结块，管壁有雾气及水珠均为药品失效象征。
3）毛细管（U 形管）：外通大气，当测定时使气室的空气温度和绝对压力与被测地点（或瓦斯室内）温度和绝对压力相同，又不使含瓦斯的气体进入空气室。
2、气室组：是测定气体的主要部分，共分三格，用于分别充入新鲜空气和含瓦斯或二氧化碳气体。（如下图）
两侧的小格称为空气室，中间的大格称为气样室。各室的两端上侧有弯曲的紫铜管用以连接橡皮管。对气室的基本要求是：空气室和气样室各不漏气及相互间不串气。由于构造的不同，有的气室两个空气室是不相通的，有的是相通的，但这对性能没有影响，都可以使用。
管1接橡皮堵头，3和4用橡皮管相连，管6接毛细管（U 形管），外通大气，作用是自动平衡气压的变化，与气样室具有相同的气压，并减少气体扩散的影响。当测定时使气室的空气温度和绝对压力与被测地点（或瓦斯室内）温度和绝对压力相同，又不使含瓦斯的气体进入空气室。
因仪器在矿井下使用，污浊空气可能逐渐渗入空气室，影响测定结果（使测定结果偏低），因此必须定期拆出橡皮堵头和毛细管，用新鲜空气清洗毛细管和空气室。
管2和管5各为气样室的进口与出口，在气室的两端用粘合剂把平行玻璃板与气室框粘合，以防止外面气体侵入或气样室与空气室相互串气而影响测量的准确性，由于通过气室的气体不清洁，水蒸气、灰尘和药品的小颗粒等侵入气室容易附着在平行玻璃板上影响干涉
条纹的清晰度。
（二）、光路系统：由照明装置组、聚光镜组、平面镜组、折光棱镜组、反射棱镜组、物镜组、测微组、目镜组等组成。
1、聚光镜组、2、平面镜组
是产生光的干涉的重要部件。
3、折光棱镜组、4、反射棱镜组
将光线作90°转向，并且当转动粗动螺杆时能移动干涉条纹。在携带或使用过程中为了防止粗动螺杆的变位而引起条纹移动，应盖上护盖。
5、物镜组、6、测微组、7、目镜组
起放大作用，便于观察。
（三）、电路系统：由电池（一号电池）、灯泡、光源盖、微读电门、光源电门等组成。
1、用灯泡作为光源照明，额定电压为1.35V 。
2、微读电门用来控制测微读数部分的照明电路，光源电门用来控制干涉系统的照明电路。
三、光学瓦斯鉴定器的工作原理
瓦斯鉴定器是根据光干涉原理制成的，气体的成份不同，折射率也不一样，光程和光程差也随着变化，这时干涉条纹就会发生移动，根据条纹移动距离的大小，就可测出被测气体的浓度。瓦斯的浓度与条纹的移动距离成正比。
1、仪器内部的光学系统如图所示。
由光源1发出的光经过聚光镜2后到达平面镜3，并在o 点分为两部分：一部分反射，一部分折射。第Ⅰ部分为光束穿过气室5的侧室，折光棱镜6将其折回穿过另侧的小室后又拆回到平面镜3，折射入平面镜后在其后表面（镀反射膜）反射，于o ′点穿出平面镜向反射棱镜7前进，经偏折后进入望远镜8。第Ⅱ部分光束折射入平面镜后在其后表面反射，然后穿过气室中央小室回到平面镜，于o ′点反射后与第Ⅰ部分光束会合，一同进入望远镜，两束光在物镜的焦平面上产生白光特有的干涉现象：干涉花样中央为白纹，两旁为彩纹。眼通过目镜进行观察。
2、什么是干涉？如图：
⑴例如水波。
由于两个波的波峰与波峰及波谷与波谷相遇使波相互增强的现象就叫做波的干涉。
⑵当一个光源所发出的光经过平面镜，由于光的反射和折射，产生两列光波，这两列光波相遇在一起时就会产生干涉现象。光波的相消干涉结果亮度降低，变暗；相长干涉结果亮度提高，变亮。
⑶折射率与光程的概念
某一物质的折射率＝光在真空中传播的速度÷光在这种物质中传播的速度
光程＝光线所通过的路程×光所通过物质的折射率
从以上两式可以看出，如果两列光波通过的路程长短不同，或是通过的物质不同，或是通过的路程和物质都不同，光程都可能不同。两列光波光程长短的差别，叫做光程差。两列光波有了光程差，就会产生光波干涉。
3、光干涉瓦斯检定器的依据原理。
当气室各小室内充进相同的气体时，两列光波的光程相同。如在
一列光波中改变气体的化学成份或温度、压力等，则应折射率的改变，光程及光程差也就随之变化，所看到的干涉条纹便会移动，根据条纹移动的大小可测知气体折射率变化的程度。如使两光路的温度、压力相同，被测气体的化学成分已知，则可作定量的分析。
四、使用前的准备
1、检查药品是否失效；
2、气密性检查；
用一只手捏扁吸气球，另一只手堵住进气孔，1分钟气球不膨胀为仪器气密性良好。如果1分钟气球膨胀，则分三步检查：①检查气球是否气密。用一只手捏扁吸气球，另一只手压住吸气球上部的橡皮管，如气球不膨胀还原，证明气球不漏气。②检查仪器本身是否漏气。把气球捏扁，另一只手压住长药管上部紧挨仪器的管子，气球不膨胀还原，为仪器本身气密。③检查外部药管是否漏气。
3、检查干涉条纹是否清晰：手按电门，由目镜观察，旋转保护玻璃座调整视角达到观察数字最清晰，再看干涉条纹是否清晰。
不清原因：1）电弱 2）目镜没对好 3）灯泡松动、光栏移动、接触不良 4）空气湿度大(会使气室玻璃上有雾产生，灰尘容易附在上面)
4、清洗气室；用新鲜空气清洗气室（一般在井底车场新鲜风流处换空气）。使用之前必须在和使用地区温度相接近（相差最好不超过10℃）的新鲜空气中清洗气样室。
要求温度相接近的原因：①不同温度的气体的折射率是不同的，
因此当对零和测量地点的温度差别太大时会引起测量误差；②这种仪器对于温度的变化是比较敏感的，温度的变化会引起对好零的条纹移动（“跑正”或“跑负”），为减少这种误差，仪器对零和使用前的安放地点与使用地区温度相接近是有实际意义的。
5、干涉条纹“0”位调整；如下图。
第一步按下按钮5转动测微手轮1，使刻度盘的零位与指标线重合；第二步按下按钮4，转动粗动手轮2，从目镜3观察：把干涉条纹的两条黑线前的红蓝线正中对准分划板上的零中线，然后旋上护盖。此后护盖不宜再旋动，以免零位变动。
五、测定瓦斯和二氧化碳的方法
测瓦斯的方法：1、把胶管伸到要检查的地点挤压气球7-8次；2、按电门观察光谱移动距离，光谱不超过1分时，转动微动手轮把光谱基准线对到零位，读出瓦斯几厘；如果光谱移动超过整分的位置时，转动微动手轮，把光谱的基准线对到整分位置，然后观察微动刻度盘，读出瓦斯几分几厘。
测二氧化碳的方法：1）在需测量地点先测瓦斯含量；2）甩掉苏打石灰附管，测出混合气体含量；3）从混合气体中减去瓦斯含量，乘以系数0.955就是二氧化碳含量。
注：测二氧化碳时，测瓦斯和混合气体要在同一地点、同一位置进行。
由于仪器出厂时的校正结果适合于甲烷含量的测定，因此，用于测定其它气体时，仪器所示读数并不是被测气体的实际浓度，必须进行换算，在空气中测定其它气体时，换算关系按下式求得：
换算关系＝（甲烷折射率-空气折射率）/（测定气体折射率-空气折射率）
上述气体在不同光源下的折射率如下表
测定二氧化碳时换算系数＝（1.000440-1.000292）/（1.00447-1.000292）＝0.000148/0.000155＝0.955
六、测量中的注意事项
比实际含量大的原因：1）钠石灰失效或吸收二氧化碳能力降低，把混合气体误认为是瓦斯含量；2）钠石灰颗粒过大，导致吸收二氧化碳不完全；3）气球或气球到气室(瓦斯出口处) 之间漏气，进气管路堵塞或被压，从瓦斯含量高的地点到含量低的地点测定时，不能将瓦斯室的气体完全置换出来；4）对零点刻度盘没回零；5）盘形管堵塞也可能造成瓦斯读数偏高；6）干涉条纹宽。
比实际含量小的原因：1）对零点空气不新鲜，折射率增大，而使瓦斯室和空气室中气体的折射率差降低，故读数也随着降低；2）毛细管松，空气室胶管破裂、松动不严、空气室漏气（空气室与气样室之间相互串气），含有瓦斯的气体进入空气室；3）气球到瓦斯出口处或进气口被堵（气样入口、气样出口和吸气球漏气，接头不紧，使吸气能力降低，并在吸气时附近的气体渗入气样室冲淡了要测定的气体），从瓦斯含量低的地点到含量高的地点测定时，不能将瓦斯室的气体完全置换出来；4）鉴定器猛烈被撞，使光谱移动，也可能引起测定结果低；5）干涉条纹窄。
对光谱条纹宽窄的调整：光谱中第一条黑条纹对到零位，若第五条纹（光谱）在7%上（二型压在8.4%上），光谱条纹宽窄正好，超过7%条纹宽，小于7%条纹窄；条纹宽测得结果比实际大，反之比实际小。
发生“零位漂移”的原因和预防：
①仪器空气室内的空气不新鲜，盘形管失去作用；
②“对零”时的地点与待测地点的温度和压力相差较大； ③气样室气路不畅通。
防止零位漂移的办法：
①经常用新鲜空气清洗空气室，不要连班使用一个检定器，以免盘形管内的空气不新鲜。
②仪器对零时，应尽量在与待测地点温度相近。
③经常检查检定器的气路，发现不畅或堵塞要及时修理。 ★注：1）在硫化氢（H 2S ）高地点测瓦斯时，为消除H 2S 影响，应加装一个活性碳附管；2）瓦斯鉴定器使用前，必须用新鲜空气清洗瓦斯室，清洗地点与被测地点的温差不应超过10℃；3）在严重缺氧地点，用光学瓦斯鉴定器测瓦斯时，可能会导致测定结果偏高。
复习题
1、试述光学瓦斯检定器的光学原理。
2、什么是光的折射率？什么是光程？什么是光程差？
3、气室上盘形管的作用是什么？
4、使用光学瓦斯检定器前要做好哪些准备工作？
5、如何使用光学瓦斯检定器检查甲烷的浓度？
6、如何使用光学瓦斯检定器检查二氧化碳气体的浓度？
7、在测定过程中，所测甲烷读数比实际含量偏高的原因是什么？
8、在测定过程中，所测甲烷读数比实际含量偏低的原因是什么？
瓦斯的性质、来源、危害
性质:无色、无味、无臭、无毒的气体, 比重0.554。
来源:煤岩中。
危害:在空气中的含量达到一定浓度时, 遇火会燃烧和爆炸; 浓度达到40%以上时, 能使人窒息。
瓦斯爆炸的浓度范围称为瓦斯的爆炸界限。瓦斯爆炸的最高浓度16%,称为爆炸上限。瓦斯爆炸的最低浓度5%,称为爆炸下限。当瓦斯浓度达到9.5%时, 遇有火源, 混合气体中的瓦斯和氧气全部参加氧化反应, 爆炸力最强, 称为最强爆炸浓度。
二氧化碳的性质、来源、危害
性质:无色、略带酸臭味、微毒的气体, 比重1.52, 易溶于水, 不助燃, 对眼睛和呼吸器官有刺激作用。
来源:(1)有机物的腐朽;(2)人的呼吸、灯火燃烧;(3)放炮;(4)煤的自燃、火灾及瓦斯、煤尘爆炸;(5)从煤岩中放出。
危害：浓度达到1%时, 呼吸急促;3%时, 呼吸量增加一倍;5%时, 呼吸困难;10%时, 头痛;10%-20%时, 短时间失去知觉;20%-25%时, 窒息死亡。
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