CN103196785A - 气体快速测量分析仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气体快速测量分析仪及其测量方法，该分析仪包括集气筒、红外气体探测传感器和流量传感器，所述的集气筒上设有进气孔和排气孔，红外气体探测传感器和流量传感器均设置在进气孔处。该测量方法包括：打开排气孔，将手动孔径流量调节转盘的最小孔对准排水孔，由进水孔向集气筒内注入饱和盐水；待饱和盐水注满后，关闭进水孔和排气孔的控制开关，确定饱和盐水刚好不会流出时手动孔径流量调节转盘上与排水孔对应的小孔，之后关闭排水孔；打开进气孔，将进气孔连接于岩样密封罐内，将上一步确定的小孔对准排水孔；气体进入集气筒，同体积的饱和盐水自排水孔排出；收集并记录数据。本发明气样采集操作更加简便，更适于携带到现场实验使用。

Description

气体快速测量分析仪及其测量方法

技术领域

本发明涉及含气样品中吸附气含量的测试领域，特别是涉及一种气体快速测量分析仪及其测量方法。

背景技术

吸附气是指以吸附态存在于储层有机质、孔隙和裂缝表面的天然气。在常规天然气储层中，吸附气含量很低，一般小于20%，在非常规天然气储层中，吸附气含量较高，页岩气储层天然气吸附气含量为20-85%，煤层气储层天然气吸附气含量一般大于85%。吸附含气量的大小直接关系到非常规天然气聚集体的品质和开发过程中需要的相应技术，特别是对煤层气、页岩气等非常规天然气来说，吸附气含量及甲烷气体的百分含量是储层评价、储量估算以及开发设计的关键因素。因此，含气样品中天然气吸附气含量的测试实验，已被广泛应用在天然气勘探开发过程中，是天然气资源开发中的重要环节。此外，在金属矿山开采与瓦斯防爆、环境保护与监测、土壤学研究、化学工业等领域中也被广泛应用。

目前，还没有能在野外现场使用的用于气体收集及气体成分快速检测的设备，而现有的气体测量分析设备通常功能单一，没有将气体收集和气体关键成分快速检测相结合，不能快速而直观有效对实验解析气体进行观察和分析。申请人于2011年11月21日申请的新型实用专利号为201120464973.2的高精度含气量测试仪中所使用的集气量筒，能进行微量气体的收集及体积测量，具有直观、精度高等优点，但数据完全需人工手动采集，记录数据的工作非常繁琐，且气样收集比较困难。

扬州大学申请的申请号为201210071486.9的发明专利煤制气含气量自动测试仪，采用气体流量计直接测量解析气体的累积体积，实现了测量数据的自动采集与记录，但不能直观地对气体进行观察，而且由于使用了管道收集气体，使得收集的气体成分受到管道中滞留空气的影响，在测定微量气体时精度下降。同时，该仪器结构不够紧凑，不适合携带到钻井现场进行实验。

此外，现有的仪器只能收集和测量气体体积，还不能对气体关键组分的含量进行快速检测。煤层气或页岩气的解析试验中最重要的组分是甲烷，若能在解析实验的同时对甲烷的含量进行快速检测，有利于地质科技工作者快速的判断天然气的品质。另外，在南方海相地层中，天然气中通常含有有毒气体硫化氢，甚至有较高的含量。以前的仪器只有将气样送回实验室进行气相组分分析后才能确定气体的成分，而如果在解析实验后由于不了解气体成分，将解析气体直接排放有可能导致人员中毒及环境污染。岩石解析的过程中，如果能快速检测有毒气体硫化氢，并能大致估算其含量，将为解析气体的处理提供第一手资料。

由此可见，现有的解析气体收集和测量仪器在实验时存在明显的不便与缺陷，须进一步加以改进。如何能创设一种既能快速检测特定气体含量又能直接观察气体的新的气体快速测量分析仪,实属当前重要研发课题之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种气体快速测量分析仪及其测量方法，使其既能快速检测特定气体含量，又能直接观察气体，从而克服现有的气样收集与测量分开的不足。

为解决上述技术问题，本发明提供一种气体快速测量分析仪，包括集气筒、红外气体探测传感器和流量传感器，所述的集气筒上设有进气孔和排气孔，红外气体探测传感器和流量传感器均设置在进气孔处。

作为一种改进，本发明还可通过下述方式实现：

一种气体快速测量分析仪，其中，所述的集气筒内还安装有压电传感器。

所述的流量传感器为微小流量计。

所述的集气筒底部还固定有支撑架。

所述的集气筒由密封的筒壁、底座和顶盖组成，筒壁采用钢化玻璃材质，并标有刻度线，底座和顶盖采用金属材质。

所述的排气孔设置在集气筒顶部，进气孔设置在集气筒底部，并在集气筒底部设置排水孔和进水孔，红外气体探测传感器和流量传感器均设置在进气孔处，进气孔、排气孔和进水孔处均设有控制开关。

所述的集气筒底部外侧安装有手动孔径流量调节转盘，该流量调节转盘上设有按大小依次排列并随转盘转动分别与排水孔对应的若干小孔，小孔的孔径范围为1mm—4mm。

此外，本发明还提供了一种气体快速测量分析仪的测量方法，使其快速的测量气体的体积，从而克服现有的测量不方便的不足。

为解决上述技术问题，本发明提供应用上述气体快速测量分析仪的测量方法，包括以下步骤：A.打开排气孔，将手动孔径流量调节转盘的最小孔对准排水孔，由进水孔向集气筒内注入饱和盐水；B.待饱和盐水注满后，关闭进水孔和排气孔的控制开关，确定饱和盐水刚好不会流出时手动孔径流量调节转盘上与排水孔对应的小孔，之后关闭排水孔；C.打开进气孔，将进气孔连接于岩样密封罐内，将上一步确定的小孔对准排水孔；D.气体进入集气筒，同体积的饱和盐水自排水孔排出；E.收集并记录各传感器数据。

作为一种改进，本发明提供的一种气体快速测量分析仪的测量方法，其中，所述的步骤D中，当集气筒中的饱和盐水排空时，关闭排水孔，打开排气孔，并重新注入饱和盐水。

所述的步骤E之后还包括气样采集步骤：保证排水孔关闭，将灌满饱和盐水的导管一端与排气孔相连，另一端在水下插入气样瓶内，慢慢从进水孔注入饱和盐水直至集气筒中气体排空。

采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：

1、本发明气体快速计量分析仪，将气体体积测定、成分检测和气样保存集为一体，采用微型红外线气体探测传感器和微型气体流量传感器，在快速测定气体组分含量的同时使仪器体积大大减小。

2、压电传感器与气体流量传感器的配合使用，使气体体积的测量更加精确，更能适应多种测量环境。

3、本发明气样采集操作更加简便，更适于携带到现场实验使用，同时该发明能自动采集实验数据，无需人工长时间读数，节省人力。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明气体快速测量分析仪的外部结构示意图。

图2是本发明气体快速测量分析仪的剖视图。

具体实施方式

请参阅图1、图2所示，本发明一种气体快速计量分析仪，包括集气筒1、红外气体探测传感器2、流量传感器3和压电传感器4，红外气体探测传感器2设置在集气筒1的进气孔处，流量传感器3安装在红外气体探测传感器2下方，与集气筒1进气孔连通，压电传感器4安装在集气筒1底部内侧。

其中，集气筒1包括顶盖11、筒壁12和底座13，顶盖11与底座13分别与筒壁12密封粘接。顶盖11中央设有排气孔14，并装有控制排气的开关。底座13的一侧设有排水孔15，另一侧设有进水孔16。排水孔15采用手动孔径流量调节装置，可在1mm—4mm之间调节孔径大小，进水孔16处设有控制进水孔开闭的开关。进气孔17位于集气筒底座13中心处，并设有控制进气孔开闭的单向限流阀开关。此外，还可在集气筒底座13的下方固定支撑架5，实验时支撑集气筒1并使其保持稳定。

较优的，筒壁12采用透明材质，优选为钢化玻璃，可采用圆柱体形状，例如选用直径100mm，高270mm，并标有刻度线，最小刻度10mL。

集气筒顶盖11和底座13均采用高强度铝合金等金属材质。

控制排气孔14的开关优选为快速连接扣的母扣，例如美国ColderProductsCompany生产的快速连接头。

控制进气孔17开闭的开关优选为快速连接扣的公扣，例如美国ColderProductsCompany生产的快速连接头。

控制进水孔16开闭的开关优选为快速连接扣的母扣，例如美国ColderProductsCompany生产的快速连接头。

红外线气体探测传感器2优选为美国Detcon公司智能型红外线光学气体浓度传感器，能检测甲烷和硫化氢气体的浓度，传感器气室与进气口导管相连。

流量传感器3优选为上海恒满自动化仪表有限公司生产的微小流量计。

压电传感器4优选为美国Omega生产的高精度压力传感器，以高性能的压电陶瓷作为感应介质，能精确测量分析仪底部的压强。

由于分析仪为规则的圆柱体形，其横截面积一定，假设两次测量压强的差值为ΔP，分析仪的横截面积为S，溶液密度为ρ。由压强及体积公式

ΔP=ρgΔh  （1）

ΔV_气=SΔh  （2）

由（1）（2）两式即可求出分析仪内增加的气体体积

三种传感器均由导线向外传输数据并由芯片进行数据的处理和记录。

下面以天然气解析实验为例说明该气体快速计量分析仪的使用方法。解析测试前，将排水孔15调节至最小孔径处，在排气孔14处通过快速接口连接一根导管，然后将进水孔16通过导管连接微型抽水泵，打开微型抽水泵，向集气筒1内注入饱和盐水。待饱和盐水注满并从排气孔14溢出后，停止注水，取下连接进水孔16的导管和排气孔14处的导管，关闭进水孔16和排气孔14处的控制开关。打开排水孔15并逐渐增大孔径，以饱和盐水不会外流的最大孔径做为本次解析实验选定的排水孔径，之后关闭排水孔待用。按照上述方法选定的排水孔径，一旦有气体进入集气筒1内，则筒身内的水就会被压出，且压出的水体积与收集的气体体积相当。

实验进行时，将进气孔17与岩样密封罐上的母扣对接，此时进气孔被打开，再按照之前选定的孔径打开排水孔15，密封罐内岩石自然解析出的气体在浮力作用下由集气筒底座13的进入气体流量传感器3，然后气体经过红外线气体探测传感器2的气室，最后进入集气筒1的筒身。在气体进入过程中，红外线气体探测传感器2及流量传感器3由导线向外将所测的数据传输至中心控制器芯片处理并记录下来，经计算后可得到甲烷和硫化氢的含量及累积气体体积。同时随着分析仪中的水不断被排出，集气筒1内液面下降，压电传感器4所测量的压强值将随之发生变化。压电传感器4所测的压强值会通过导线向外实时传输，芯片经过公式计算后能够实时显示并定时记录分析仪中的气体体积。

流量传感器3和压电传感器4测量得到的气体体积可相互补充和参考。通常在常温气体解析实验时由于气体流量较小，压电传感器4得到的气体体积是比较可靠的。具体来说，在气体温度低于100℃且气体流量很小时，可采用压电传感器4测得的气体体积数据；而当高温解析实验时气体温度高于100℃时，大量的高温气体会将筒身中的水大量蒸发使得测量结果发生较大误差，而流量传感器3的测量一般则不受气体温度的影响，此时可以流量传感器3测得的气体体积数据为准，进行连续的体积测量。

当集气筒1中的气体被排空后，重新装满水，若此时出气量已进入流量计能够准确测量的范围，可不再打开排水孔15。用导管连接排气孔14，从进气口17进入分析仪的气体可从排气孔14直接排出，此时不仅可连续进行实验，还可直观地看到气泡上升，了解出气量的情况，压电传感器4则作为压强检测设备使用，防止因集气筒2因压强过大而发生爆炸。

测试完成后进行采集气样工作，先将排水孔15关闭，然后将连接微型水泵的导管再次连接到进水孔16上，用实验开始时连接排气孔14已经灌满水的导管的一端通过公母扣重新与排气孔14相连，另一端在水下插入气样瓶内。缓慢地向分析仪中注水，集气筒1内压强增大，气体在压差作用下会逐渐从排气孔14进入气样瓶。待气体排空全部进入气样瓶收集好后，停止向分析仪中注水即可。

本发明气体快速计量分析仪，将气体体积测定、成分检测和气样保存集为一体，采用微型红外线气体探测传感器2和微型气体流量传感器3，在快速测定气体组分含量的同时使仪器体积大大减小。压电传感器4与气体流量传感器3的配合使用，使气体体积的测量更加精确，更能适应多种测量环境。本发明气样采集操作更加简便，更适于携带到现场实验使用，同时该发明能自动采集实验数据，无需人工长时间读数，节省人力。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种气体快速测量分析仪，其特征在于：包括集气筒、红外气体探测传感器和流量传感器，所述的集气筒上设有进气孔和排气孔，红外气体探测传感器和流量传感器均设置在进气孔处。

2.根据权利要求1所述的气体快速测量分析仪，其特征在于：所述的集气筒内还安装有压电传感器。

3.根据权利要求1所述的气体快速测量分析仪，其特征在于：所述的流量传感器为微小流量计。

4.根据权利要求1所述的气体快速测量分析仪，其特征在于：所述的集气筒底部还固定有支撑架。

5.根据权利要求1所述的气体快速测量分析仪，其特征在于：所述的集气筒由密封的筒壁、底座和顶盖组成，筒壁采用钢化玻璃材质，并标有刻度线，底座和顶盖采用金属材质。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的气体快速测量分析仪，其特征在于：所述的排气孔设置在集气筒顶部，进气孔设置在集气筒底部，并在集气筒底部设置排水孔和进水孔，红外气体探测传感器和流量传感器均设置在进气孔处，进气孔、排气孔和进水孔处均设有控制开关。

7.根据权利要求6所述的气体快速测量分析仪，其特征在于：所述的集气筒底部外侧安装有手动孔径流量调节转盘，该流量调节转盘上设有按大小依次排列并随转盘转动分别与排水孔对应的若干小孔，小孔的孔径范围为1mm—4mm。

8.应用权利要求7中所述的气体快速测量分析仪的测量方法，其特征在于包括以下步骤：

A.打开排气孔，将手动孔径流量调节转盘的最小孔对准排水孔，由进水孔向集气筒内注入饱和盐水；

B.待饱和盐水注满后，关闭进水孔和排气孔的控制开关，确定饱和盐水刚好不会流出时手动孔径流量调节转盘上与排水孔对应的小孔，之后关闭排水孔；

C.打开进气孔，将进气孔连接于岩样密封罐内，将上一步确定的小孔对准排水孔；

D.气体进入集气筒，同体积的饱和盐水自排水孔排出；

E.收集并记录各传感器数据。

9.根据权利要求8中所述的测量方法，其特征在于：所述的步骤D中，当集气筒中的饱和盐水排空时，关闭排水孔，打开排气孔，并重新注入饱和盐水。

10.根据权利要求8中所述的测量方法，其特征在于：所述的步骤E之后还包括气样采集步骤：

保证排水孔关闭，将灌满饱和盐水的导管一端与排气孔相连，另一端在水下插入气样瓶内，慢慢从进水孔注入饱和盐水直至集气筒中气体排空。

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