CN105203491B - 一种深海甲烷浓度原位检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种深海甲烷浓度原位检测系统，其特点是：利用甲烷气体吸收红外光的特点，应用气液分离技术，将海水水样中的甲烷成分分离后，用红外传感器对其含量进行检测。检测系统由法兰盘、减压阀、减压舱、入水泵、耐高压出水泵、气泵、电磁阀、电路板、气液分离光学检测室、固定底板、固定支架和壳体组成，其外观是一个带有进出水口和电气水密接头的小型密封装置。本发明对非甲烷气体的响应度小，系统信噪比高，在深海海流剧烈波动的情况下，抗干扰能力强，且结构简单、体积小、成本低，便于实现环境适应性更强的小型海洋监测系统集成，能够布放于深海恶劣环境中，在长期无人职守的情况下，对海水中甲烷浓度指标进行原位检测。
Description
技术领域
本发明属于水体监测技术领域，涉及一种水中甲烷含量检测系统，具体说是一种深海甲烷浓度原位检测系统。
背景技术
目前，国内外对深海海水中甲烷含量的检测主要有以下两种系统：
一种是半导体气敏感应原位甲烷测量系统，利用氧化物半导体气敏材料SnO2吸附或脱附气体分子会引起电导率发生变化的特征进行甲烷气体测量，其特点是测量范围较大，可达50nmol/L-10µmol/L、工作水深较深，可达3500m，但由于半导体材料气敏材料SnO2固有的检测特性，导致进入到检测腔的其他气体也可能被氧化，从而对吸附氧过程产生干扰，影响其稳定性，其次，SnO2半导体传感器在检测过程中需要消耗甲烷气体，在水体流动的动态环境中会降低传感器的灵敏度。
另一种进入到实际应用阶段的深海甲烷检测系统是激光拉曼光谱分析原位甲烷测量系统，该系统基于光子与物质分子的非弹性碰撞所产生的散射，对于不同物质分子其产生的拉曼光谱强度有显著区别的特性，通过分析拉曼光谱强度变化来确定海水中甲烷含量，其特点是精度高、测量范围广、稳定性好，但在深海中应用，需搭载在深海ROV等大型取样装置中，其造价非常昂贵，不适合实际大规模应用。
综合以上分析，发现上述两种测量方式以下几点不足：
(1) 半导体气敏感应原位甲烷测量系统在深海应用中稳定性较差；
(2) 半导体气敏感应原位甲烷测量系统在水体流动的动态环境中灵敏度不强；
(3) 激光拉曼光谱分析原位甲烷测量系统结构复杂，造价昂贵，很难在实际应用中推广。
发明内容
本发明为解决现有技术存在的上述问题，提供一种深海甲烷浓度原位检测系统，气体选择性好、灵敏度高、系统的信噪比高，抗干扰能力强、结构简单、成本低，适合集成于一个小型密闭容器内，布放于深海恶劣环境中，在长期无人职守的情况下，对海水中甲烷浓度指标进行原位检测。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种深海甲烷浓度原位检测系统，包括：安装有红外吸收式气体传感器的气液分离光学检测室，其特征在于，还包括：法兰盘、减压阀、减压舱、入水泵、出水泵、气泵、电磁阀、电路板、壳体，所述壳体是一端封闭的空腔，所述的减压阀、减压舱、入水泵、出水泵、气泵、电磁阀、电路板、气液分离光学检测室安装在所述壳体内，所述壳体敞开的一端与所述法兰盘密封连接，在所述法兰盘上设置有法兰盘入水口、法兰盘出水口及水密接头，所述法兰盘入水口与所述减压阀的入水口连通，所述减压阀的出水口与所述减压舱的入水口连通，所述减压舱的出水口与所述入水泵的入水口连通，所述入水泵的出水口与所述气液分离光学检测室的入水口连通，所述出水泵的入水口与气液分离光学检测室的出水口连通，所述出水泵的出水口与减压舱的入水口连通，所述气泵的入气口与所述气液分离光学检测室的出气口连通，所述气泵的出气口与所述减压舱的入气口连通，所述减压舱的出水口与出水泵的入水口连通，所述出水泵的出水口与所述电磁阀的入口连通，所述电磁阀的出口与所述法兰盘出水口连通，所述的红外吸收式气体传感器的电信号端子连接到所述电路板，所述电路板的电源输入端子和信号输出端子与所述水密接头连接。
对上述技术方案的改进：所述的电路板上设置有直流稳压电源，所述直流稳压电源的输出端分别与所述入水泵、出水泵、气泵及电磁阀的电源端子连接。
对上述技术方案的进一步改进：所述的减压阀、减压舱、入水泵、出水泵、气泵及电磁阀固定在一底板上，所述底板固定在一固定支架上，所述固定支架的一端固定在所述法兰盘上,所述电路板用一电路板支架固定在所述底板上。
对上述技术方案的进一步改进：所述的法兰盘与减压阀之间的连通管、所述出水泵与电磁阀之间的连通管及所述电磁阀与法兰盘之间的连通管均为不锈钢细管，其余的连通管均采用硅橡胶软管。
对上述技术方案的进一步改进：所述的气液分离光学检测室包括：气液分离室和光学检测室，所述气液分离室和光学检测室侧向连接，且连接处用气液分离膜相隔；在气液分离室的另一侧壁上设置一进水嘴，在气液分离室的顶部设置一出水嘴；在光学检测室的顶部和底部的中心各开有一视窗，分别为顶部视窗和底部视窗，所述顶部视窗和底部视窗均用石英玻璃密封；所述的气体传感器为红外线发射器和红外线接收器；红外线发射器安装在光学检测室外且发射窗口对准顶部视窗，红外线接收器安装在光学检测室外且接收窗口对准底部视窗；在光学检测室的另一侧壁上设置有上出气嘴和下出气嘴；红外线发射器和红外线接收器的电信号连接到电路板；整个检测装置密封在密封套中，仅进水嘴、出水嘴、上出气嘴和下出气嘴伸出密封套。
对上述技术方案的进一步改进：所述的气液分离室、光学检测室、进水嘴、出水嘴、出气嘴的材质为不锈钢，气液分离膜的材质为带不锈钢网的半透膜，密封套的材质为不锈钢或耐腐蚀的高分子材料。
本发明的优点和积极效果是：
本发明的深海甲烷浓度原位检测系统对非甲烷气体的响应度小，气体选择性好、灵敏度高、系统信噪比高，在深海海流剧烈波动的情况下，抗干扰能力强，且结构简单、体积小、成本低，便于实现环境适应性更强的小型海洋监测系统集成，能够布放于深海恶劣环境中，在长期无人职守的情况下，对海水中甲烷浓度指标进行原位检测。
附图说明
图1是本发明一种深海甲烷浓度原位检测系统的装配示意图；
图2是本发明一种深海甲烷浓度原位检测系统去掉壳体后的立体图；
图3是本发明一种深海甲烷浓度原位检测系统实施例的水路、气路连接结构示意图；
图4是本发明一种深海甲烷浓度原位检测系统中的气液分离光学检测室的局部剖面示意图；
图5是图4的俯视图。
图中标号为：1-法兰盘、1.1-法兰盘入水口、1.2-法兰盘出水口、1.3-水密接头、2-减压阀、3-减压舱、4-入水泵、5-出水泵、6-气泵、7-电磁阀、8-电路板、9-气液分离光学检测室、9.1-进水嘴、9.2-气液分离室、9.3-出水嘴、9.4-气液分离膜、9.5-光学检测室、9.6-顶部视窗、9.7-红外发射器固定件、9.8-红外线发射器、9.9-上出气嘴、9.10-下出气嘴、9.11-支架、9.12-红外接收器固定件、9.13-底部视窗、9.14-红外线接收器、9.15-密封套、9.16-安装孔、10-电路板支架、11-底板、12-固定支架、13-壳体。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细描述：
参见图1-图3，本发明一种深海甲烷浓度原位检测系统的实施例，包括：安装有红外吸收式气体传感器的气液分离光学检测室9、法兰盘1、减压阀2、减压舱3、入水泵4、出水泵5、气泵6、电磁阀7、电路板8、壳体13，所述壳体13是一端封闭的空腔，所述的减压阀2、减压舱3、入水泵4、出水泵5、气泵6、电磁阀7、电路板8、气液分离光学检测室9安装在所述壳体13内，所述壳体13敞开的一端与所述法兰盘1密封连接，在所述法兰盘1上设置有法兰盘入水口1.1、法兰盘出水口1.2及水密接头1.3，所述法兰盘入水口1.1与所述减压阀2的入水口连通，所述减压阀2的出水口与所述减压舱3的入水口连通，所述减压舱3的出水口与所述入水泵4的入水口连通，所述入水泵4的出水口与所述气液分离光学检测室9的入水口连通，所述出水泵5的入水口与气液分离光学检测室9的出水口连通，所述出水泵5的出水口与减压舱3的入水口连通，所述气泵6的入气口与所述气液分离光学检测室9的出气口连通，所述气泵6的出气口与所述减压舱3的入气口连通，所述减压舱3的出水口与出水泵5的入水口连通，所述出水泵5的出水口与所述电磁阀7的入口连通，所述电磁阀7的出口与所述法兰盘出水口1.2连通，所述的红外吸收式气体传感器的电信号端子连接到所述电路板8，所述电路板8的电源输入端子和信号输出端子与所述水密接头1.3连接。
具体而言：在电路板8上设置有直流稳压电源，直流稳压电源的输出端分别与所述入水泵4、出水泵5、气泵6及电磁阀7的电源端子连接，供给工作电源。
上述的减压阀2、减压舱3、入水泵4、出水泵5、气泵6、电磁阀7固定在一底板11上，将底板11固定在一固定支架12上，将固定支架12的一端固定在法兰盘1上,电路板8用一电路板支架10固定在底板11上。
上述的法兰盘1与减压阀2之间的连通管、上述出水泵5与电磁阀7之间的连通管及上述电磁阀7与法兰盘1之间的连通管均为不锈钢细管，其余的连通管均采用硅橡胶软管。
参见图4、图5，上述的气液分离光学检测室9包括：气液分离室9.2和光学检测室9.5，两室侧向连接，且连接处用气液分离膜9.4相隔；在气液分离室9.2的另一侧壁上设置一进水嘴9.1，在气液分离室9.2的顶部设置一出水嘴9.3；在光学检测室9.5的顶部和底部的中心各开有一视窗，分别为顶部视窗9.6和底部视窗9.13，为避免红外光衰减，两视窗均用石英玻璃密封；所述的气体传感器为红外线发射器9.8和红外线接收器9.14；红外线发射器9.8安装在光学检测室9.5外且发射窗口对准顶部视窗9.6，红外线接收器9.14安装在光学检测室9.5外且接收窗口对准底部视窗9.13；为便于安装、调节，红外线发射器9.8和红外线接收器9.14分别安装在发射器固定件9.7和接收器固定件9.12上，发射器固定件9.7和接收器固定件9.12固定在密封套9.15上。为了便于将检测装置固定在测试现场，将密封套9.15的外侧底部固定在一支架9.11上，在支架9.11上还设置有将整个检测装置固定在测试现场的安装孔9.16。
在光学检测室9.5的另一侧壁上设置有上出气嘴9.9、下出气嘴9.10；红外线发射器9.8和红外线接收器9.14的电信号连接到电路板8；整个检测装置密封在密封套9.15中，仅进水嘴9.1、出水嘴9.3、上出气嘴9.9和下出气嘴9.10伸出密封套9.15。
由于海水腐蚀性较强，所述的气液分离室9.2、光学检测室9.5、进水嘴9.1、出水嘴9.3、出气嘴9.10的材质为不锈钢，气液分离膜9.4的材质为带不锈钢网的半透膜，密封套9.15的材质为不锈钢或耐腐蚀的高分子材料。
检测系统工作时，启动入水泵4，并使出水泵5、气泵6、电磁阀7处于关闭状态，含有甲烷的海水水样由法兰盘1的入水口1.1进入减压阀2内，经减压后进入减压舱3内，经入水泵4进入气液分离光学检测室9内，经进水嘴9.1进入气液分离室9.2，经气液分离膜9.4分离后，甲烷气体透过气液分离膜9.4进入光学检测室9.5，红外线发射器9.8发出红外光，透过顶部视窗9.6射入光学检测室9.5，被红外线接收器9.14接收，并转化为电信号，输送到电路板8，当甲烷气体进入光学检测室9.5后，由于甲烷气体吸收红外光，使红外线接收器9.14接收到的红外光强度发生变化，此变化量反映了海水中甲烷气体的含量的变化。电路板8分析得出数据后，将数据通过法兰盘1上的水密接头1.3固定的电缆传给岸上电脑进行数据处理，得出最终数据和数据曲线。
检测完成后关闭入水泵4，并使出水泵5、气泵6、电磁阀7工作，此时废水由气液分离光学检测室9的出水口9.3通过硅橡胶软管进入减压舱3，废气由气液分离光学检测室9的出气口9.10通过硅橡胶软管进入气泵6并被导入减压舱3，废水和废气的混合液由耐高压出水泵5加压后进入电磁阀7，经由法兰盘1上的出水口1.2排出，完成一次检测过程。
再次启动入水泵4，重复以上过程，进入下一个检测过程，这样不断重复即可实现深海甲烷浓度的原位检测。
上述说明表示：本发明是运用红外吸收原理，应用气液分离技术，将海水水样中的甲烷成分分离后，用红外线发射器和红外线接收器对其含量进行检测。减压阀2、减压舱3、入水泵4、出水泵5、气泵6、电磁阀7的设置使气、液有效分离，保证了检测结果的准确性。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种深海甲烷浓度原位检测系统，包括：安装有红外吸收式气体传感器的气液分离光学检测室，其特征在于，还包括：法兰盘、减压阀、减压舱、入水泵、出水泵、气泵、电磁阀、电路板、壳体，所述壳体是一端封闭的空腔，所述的减压阀、减压舱、入水泵、出水泵、气泵、电磁阀、电路板、气液分离光学检测室安装在所述壳体内，所述壳体敞开的一端与所述法兰盘密封连接，在所述法兰盘上设置有法兰盘入水口、法兰盘出水口及水密接头，所述法兰盘入水口与所述减压阀的入水口连通，所述减压阀的出水口与所述减压舱的入水口连通，所述减压舱的出水口与所述入水泵的入水口连通，所述入水泵的出水口与所述气液分离光学检测室的入水口连通，所述出水泵的入水口与气液分离光学检测室的出水口连通，所述出水泵的出水口与减压舱的入水口连通，所述气泵的入气口与所述气液分离光学检测室的出气口连通，所述气泵的出气口与所述减压舱的入气口连通，所述减压舱的出水口与出水泵的入水口连通，所述出水泵的出水口与所述电磁阀的入口连通，所述电磁阀的出口与所述法兰盘出水口连通，所述的红外吸收式气体传感器的电信号端子连接到所述电路板，所述电路板的电源输入端子和信号输出端子与所述水密接头连接；所述的气液分离光学检测室包括：气液分离室和光学检测室，所述气液分离室和光学检测室侧向连接，且连接处用气液分离膜相隔；在气液分离室的另一侧壁上设置一进水嘴，在气液分离室的顶部设置一出水嘴；在光学检测室的顶部和底部的中心各开有一视窗，分别为顶部视窗和底部视窗，所述顶部视窗和底部视窗均用石英玻璃密封；所述的气体传感器为红外线发射器和红外线接收器；红外线发射器安装在光学检测室外且发射窗口对准顶部视窗，红外线接收器安装在光学检测室外且接收窗口对准底部视窗；在光学检测室的另一侧壁上设置有上出气嘴和下出气嘴；红外线发射器和红外线接收器的电信号连接到电路板；整个检测装置密封在密封套中，仅进水嘴、出水嘴、上出气嘴和下出气嘴伸出密封套；所述的法兰盘与减压阀之间的连通管、所述出水泵与电磁阀之间的连通管及所述电磁阀与法兰盘之间的连通管均为不锈钢细管，其余的连通管均采用硅橡胶软管。
2.按照权利要求1所述的深海甲烷浓度原位检测系统，其特征在于，所述的气液分离室、光学检测室、进水嘴、出水嘴、出气嘴的材质为不锈钢，气液分离膜的材质为带不锈钢网的半透膜，密封套的材质为不锈钢或耐腐蚀的高分子材料。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| GR01 | Patent grant | ||
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Application publication date: 20151230 Assignee: SHANDONG PROVINCE OCEANOGRAPHIC INSTRUMENTATION TECHNOLOGY CENTER Assignor: OCEANOGRAPHIC INSTRUMENTATION RESEARCH INSTITUTE, SHANDONG ACADEMY OF SCIENCES Contract record no.: X2020370010003 Denomination of invention: In-situ detection system for concentration of methane in deep sea Granted publication date: 20180831 License type: Common License Record date: 20200414 |
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| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |