实验一 矿井空气中沼气(瓦斯)和二氧化碳的测定.doc

实验一 矿井空气中沼气（瓦斯）和二氧化碳的测定一、实验目的1、 学习并掌握光学瓦斯检定器的原理、构造和使用方法。2、 了解瓦斯爆炸的过程及影响因素。二、实验仪器光学瓦斯检定器、瓦斯爆炸演示装置、瓦斯贮放瓶。三、光学瓦斯检定器的原理、构造1、原理光学瓦斯检定器是根据光干涉这一原理而设计的，光学是物理学的一个重要组成部分，为进一步理解光干涉这一原理，首先应知道关于光的几个物理概念： (1)光的反射光线在某种媒质的界面上改变了传播方向，但仍在原媒质里传播，这种现象叫反射。 (2)光的折射光线在两种媒质的界面上改变了传播方向，但进入另一媒质，这种现象叫光的折射。(3)波的迭加几列波在同一媒质里相遇，共同激起媒质的振动，改变了原来的波形，这种现象叫波的迭加。 (4)波的干涉频率相等的两列波在同一媒质里相遇，就会产生一种特殊的迭加现象。这种现象就叫波的干涉。在静水面上投入一块小石子，可以清楚地看到波是一起一伏的向四周传播，如图1所示，凸起的部分叫波峰，凹下去的部分叫波谷。波峰与波峰或波谷与波谷之间的距离叫波长。如果在水面上投入两块小石子，在两波相互迭加的区域里，可以清楚地看到，有的起伏增加了，有的起伏减弱了，这是因为波峰与波峰或者波峰与波谷相遇的结果。相互增强的现象叫相长干涉(图2a)，相互抵消的现象叫相消干涉(图2b)由于光既具有波动性又具有粒子性，所以光也是以波的形式传播的，不过用眼睛看不到，因此当频率相等的两列光波相遇也会产生光的干涉现象。图1图2光波的相长干涉使亮度提高，光波的相消干涉使亮度减弱。因此就会出现明暗相间的干涉条纹。为了进一步说明干涉的原因，还要了解下面两个物理概念：某一物质的折射率光在真空中的传播速度光在某种物质的传播速度。光程=光所通过某种物质的路程光所通过的某种物质的折射率。如果两列光波通过路程的长短不一样，或者通过的物质不一样，或者通过的路程和物质都不同，光程也就不同，因此就产生了光程差，同一光源发出的两列光波如果有了光程差，就会产生光的干涉现象。两列光波的光程差(n+)时(n为整数)产生相消干涉，干涉图象呈暗条纹。两列光波的光程差n时，产生相长干涉，干涉条纹呈亮条纹。光学瓦斯检定器的气室，就是根据同一光源发出的两列光波所通过的物质不同，而产生光程差的原理设计制造的。2、干涉条纹的应用当瓦斯室内的瓦斯浓度一定时，我们可以看到一组干涉条纹。如果改变瓦斯室里的瓦斯浓度，折射率发生改变，因此光程也就发生改变，这样通过空气和瓦斯室的两列光波就发生了新的光程差，干涉条纹发生移动，报据移动量的大小便可确定瓦斯浓度。3、构造 抚顺煤矿安全仪器厂生产的AQG1型瓦斯检定器如图3所示，它的主要构造如下： 图31目镜；2主调螺旋；3微调螺旋；4吸气孔；5进气孔；6微读数观测窗；7微读数电门；8光源电门；9水分吸收管；10吸气橡皮球；11二氧化碳吸收管；12干电池；19光源盖；14目镜盖；15主调螺旋盖；16灯泡；17一光栏：18聚光镜；19光屏；20平行平面镜；21平面玻璃；22气室；29反射棱镜；24折射棱镜；25物境；26测微玻璃；27分划板；28场镜，29目镜保护玻璃；30毛细管 4、仪器工作原理如图4所示，灯泡发出的光，经过聚光镜2射到平面镜3后，分成两束光线，一束自平面镜a点反射，经右空气室，大三棱镜和左空气室后又回到平面镜上，再经镜底反射到镜面的b点。另一束在a点折射后进入境底后反射出来，经过沼气室，大三棱镜6，又经过沼气室到平面镜b点与第一束光线一同进入三棱镜7，再经90反射在物镜8的焦平面上产生了光的干涉现象，从目镜可以清楚地看到彩色干涉条纹。 图4四、使用方法 1、使用前的准备工作 (1）对药品进行检查 装在仪器内部的吸收管，装有氯化钙或硅胶，起吸收水份的作用，有效的氯化钙成散状颗粒，接近失效时成结块状态，外吸收管内装有Ca(OH)2、吸收CO2，Ca(OH)2和CO2发生化学反应时为放热反应，用嘴吹吸收管会发热，否则失效。 (2)对气球、瓦斯通路进行气密检查，先检查吸气球是否漏气，用手捏扁吸气球，另一手捏紧吸气球上的胶皮管，手松开后，吸气球不膨胀还原，说明吸气球不漏气。 检查气体通路是否漏气的方法是，把吸气球接上仪器排气孔，用手捏扁吸气球，然后把进气口堵住，再松开吸气球，如果吸气球不起，说明仪器不漏气，打开进气孔，吸气球即起，说明气路畅通可以使用。 (3)光路系统检查，把电池装入仪器，按下电源按钮由目镜观察干涉条纹是否清晰，若不清晰可转动目镜筒使分划板的刻度最清晰。干涉条纹不清楚时可调整灯泡位置，再按测微按钮，观察微读数双察窗是否电源接通。 (4)用新鲜空气清洗气室，用井下或测定地点温度相接近的新鲜空气清洗瓦斯室，可防止对好零的干涉条纹漂动。 (5)干涉条纹的零位调整：第一步，按下微读数按钮，旋转测微螺旋，使刻度盘的零位与指示线重合；第二步，按下电源开关转动主调螺旋，从目镜中观察，把干涉条纹中最黑的一条与分划板上的零位线对准，旋上护盖，此后护盖严禁打开，以免撞动主调螺旋使零位移动。2、沼气（瓦斯）检查在测定地点连续捏放吸气球56次，按下光源按钮，从目镜上读出黑线位移后的整读数，再转动微调螺旋，使该黑线退到与该整读数重合。然后按下微读数按钮，从微调读数观察窗内的读数盘上读出小数位。整数加上小数为沼气浓度。3、二氧化碳的测定在只有CO2而无CH4的矿井里，用瓦斯检定器可以直接测出C02的浓度，测定时应把外吸收管去掉，测定方法与测定沼气完全一样，但最后读数应乘以0.955。若被测空气中C02和CH4同时存在时，应进行两次测定，第一次取下外吸收管测出CH4和CO2的混合浓度。第二次把外吸收管接上测出CH4的浓度，混合浓度减去CH4浓度再乘以0.955，即为CO2的浓度。五、实验方法实验室使用的CH4浓度为99.99%，因此需要稀释。把99.99%的CH4冲放瓦斯爆炸演示装置中，稀释到CH4浓度为10%，每人可从瓦斯爆炸演示装置中抽取CH4，观察浓度，测定两侧，求其平均值填入实验报告中。六、仪器在使用中常遇到的问题和处理l、干涉条纹不清。一般可旋转目镜筒改变，或者调整灯泡位置。如果干涉条纹仍不清楚，可能光学玻璃上出现水雾，为此可再加一个水份吸收管吸收水份。2、沼气浓度的读数比实际浓度有明显偏大。其原因有二：一是CO2吸收管中的Ca(OH)2颗粒过大，空气通过时，不能完全吸收CO2所致，二是吸气球到气室之间有漏气现象。3、沼气浓度的读数比实际浓度偏低，其原因可能是：(1)毛细管，气室的橡皮堵头漏气，或者是气室间联接的皮管有漏气，使空气中的气体不纯，空气室和瓦斯室间的气体折射率差降低。(2)进气口和吸气球漏气、接头不严，以致吸气时，一部分空气直接进入瓦斯室，将瓦斯室中的瓦斯冲淡，使读数偏低。(3)零位调整时，空气不新鲜。仪器在使用中出现漏气，应停止使用进行修理.七、瓦斯爆炸演示使用智能型瓦斯爆炸演示装置进行瓦斯爆炸演示，冲入大于56%，小于1516%范围内的瓦斯，在人员撤离到安全地点后，点爆瓦斯，有巨大响声并可看到冲破硬纸片的火焰。八、注意事