CN113090259A - 一种适用于地下挥发性气体采集的负压系统 - Google Patents

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Abstract

一种适用于地下挥发性气体采集的负压系统，包括负压主体，负压主体的上端连接有盖板，负压主体侧面的一条以上挥发性气体进气道上安装有半透膜；负压主体的负压腔内安装有气动活塞缸，气动活塞缸与盖板连接，气动活塞缸的端头设有活塞缸头，气动活塞缸和活塞一端连接，活塞另一端伸出气动活塞缸外；气动活塞缸通过集成换向阀和驱动电机连接，负压主体主气道的两竖直气道端头连接有保压阀；负压主体为整体件，通过增材制造技术进行加工；负压主体两端加工有内螺纹，用于连接钻头结构和进给系统；本发明使探头内部形成负压，使得探头内外压强差增大，有利于挥发性气体进入探头内部，具有集成化程度高、气体采集率高、控制灵敏等优点。

Description

一种适用于地下挥发性气体采集的负压系统
技术领域
本发明涉及地下钻探技术领域，具体涉及一种适用于地下挥发性气体采集的负压系统。
背景技术
现有的采集地下挥发性气体的钻探装置大都由检测仪探棒、半透膜、加热器、导电度感应器、氮气循环设备构成，在采集挥发性气体时，依靠高流速的载气(氮气)使探头内部与外环境之间形成压强差来采集挥发性气体，这种采集方法因探头内外压强差较小，往往不能对地下挥发性气体进行大量采集，使得载气中挥发性气体的含量较低，进而影响检测灵敏度。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种适用于地下挥发性气体采集的负压系统，具有集成化程度高、气体采集率高、控制灵敏等优点。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种适用于地下挥发性气体采集的负压系统，包括负压主体4，负压主体4的两端连接有盖板1，负压主体4侧面的一条以上挥发性气体进气道4b上安装有半透膜9；负压主体4的负压腔4e内安装有气动活塞缸6，气动活塞缸6与盖板1连接，气动活塞缸6的端头设有活塞缸头8，气动活塞缸6和活塞5一端连接，活塞5另一端伸出气动活塞缸6外；气动活塞缸6通过集成换向阀3和驱动电机7连接，负压主体4主气道4a的两竖直气道端头连接有保压阀2。
所述的负压主体4为整体件，通过增材制造技术进行加工；负压主体4两端加工有内螺纹，用于连接钻头结构和进给系统；负压主体4内部设计有主气道4a、一条以上挥发性气体进气道4b、一条以上旁气道4c、栅格结构4d和负压腔4e；其中，主气道4a由270°的第一弧形气道和两竖直气道组成，两竖直气道分布在第一弧形气道的两个端点处，且上端伸出负压主体4；挥发性气体进气道4b和主气道4a相通，主气道4a通过通过旁气道4c和负压腔4e相通，负压腔4e位于负压主体4中部；旁气道4c之间设有栅格结构4d；通过改变负压腔4e的体积大小，改变主气道4a内的压强。
所述的盖板1开有与负压主体4主气道4a的两竖直气道直径、位置相同的圆孔，使盖板1套在负压主体4上。
所述的活塞5由活塞主体5-2和与之连接的小头橡胶密封环5-1、大头橡胶密封环5-3组成，装配时先将活塞主体5-2小头套入活塞缸头8内，然后使用粘胶将小头橡胶密封环5-1、大头橡胶密封环5-3分别安装在活塞主体5-2的两头。
所述的气动活塞缸6内部集成有活塞缸的第一进出气道6a、第二进出气道6b，通过增材制造技术进行加工，气动活塞缸6顶端加工有两个螺纹孔，便于安装在盖板1上；气动活塞缸6与安装完活塞5的活塞缸头8之间通过粘胶进行连接。
所述的保压阀2由保压阀阀体2-1、保压阀活塞2-2、弹簧2-3和电磁铁2-4组成，其中，保压阀阀体2-1为三通结构，下端套在主气道4a的伸出部分，水平端与外部气路连接，保压阀阀体2-1内部设有保压阀活塞2-2，保压阀活塞2-2上部通过弹簧2-3和电磁铁2-4连接。
所述的集成换向阀3由换向阀底板3-1、换向阀阀体3-2和换向阀盖3-3组成；其中，换向阀底板3-1上有两个与第一进出气道6a、第二进出气道6b伸出部分大小、位置相同的两个孔，换向阀底板3-1套在第一进出气道6a、第二进出气道6b上；换向阀阀体3-2安装在换向阀底板3-1和换向阀盖3-3之间，换向阀阀体3-2上端面中心部分设有用于安装驱动电机7旋转轴的小孔，使得换向阀阀体3-2在驱动电机7的带动下进行±90°的旋转；在换向阀阀体3-2上端面对称布置两个限位销3-2c，并在换向阀盖3-3对应位置布置两个90°限位槽3-3a；换向阀盖3-3与换向阀底板3-1之间通过两侧耳结构3-1a相连接，使换向阀盖3-3固定。
所述的集成换向阀3通过换向阀底板3-1使换向阀阀体3-2内部气道能够与第一进出气道6a、第二进出气道6b连通，换向阀阀体3-2内部气道又通过换向阀盖3-3的两条内部气道3-3b与外部气源相通；换向阀阀体3-2内部开有两条第二弧形气道3-2a和两条螺旋气道3-2b，通过增材制造技术对换向阀阀体3-2进行加工，每两条相同形状气道的进出气口分布在同一直径的两侧，且两第二弧形气道3-2a进出气口所在的直径与两螺旋气道3-2b进出气口所在的直径相垂直，每条第二弧形气道3-2a进出气口的轴线重合，每条螺旋气道3-2b进出气口的轴线分布在同一直径的两侧；通过旋转换向阀阀体3-2，使第一进出气道6a、第二进出气道6b交替与第二弧形气道3-2a/螺旋气道3-2b及外部气源相连通，使得活塞5上下往复运动，进而改变负压腔4e内的压强。
本发明的有益效果为：
(1)本发明将主要气路均集中在负压主体4中，具有集成化程度高等优点。
(2)本发明采用气动活塞缸6作为产生负压的动力源，且将活塞缸6的第一进出气道6a、第二进出气道6b集成在活塞缸6内，具有无需额外动力源、集成化程度高等优点。
(3)本发明通过增材制造技术制造出集成换向阀3，并通过驱动电机7控制集成换向阀3内气体的流向，具有集成化程度高，控制方便等优点。
(4)本发明使用电磁铁2-4和驱动电机7对保压阀2和集成换向阀3进行控制，具有控制灵敏度高等优点。
(5)在采集挥发性气体时，本发明可以使探头内部形成负压，使得探头内外压强差增大，有利于挥发性气体进入探头内部，进而提高检测灵敏度，具有集成化程度高、气体采集率高、控制灵敏等优点。
附图说明
图1为本发明俯视图。
图2为本发明A-A向剖视图。
图3为本发明B-B向剖视图。
图4为本发明侧视图。
图5为本发明C-C向剖视图。
图6为本发明集成换向阀3结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做详细描述。
参照图1、图2、图3和图4，一种适用于地下挥发性气体采集的负压系统，包括负压主体4，负压主体4两端加工有螺纹，下端螺纹用于连接下方钻头结构，上端螺纹用于连接上方进给系统结构，使该负压系统顺利到达地下指定位置；负压主体4的上端连接有盖板1，盖板1开有与负压主体4主气道4a的两竖直气道直径、位置相同的圆孔，使盖板1套在负压主体4上，负压主体4侧面的三条挥发性气体进气道4b上安装有半透膜9，用于防止除挥发性气体以外气体进入主气道4a，盖板1、负压主体4和半透膜9组成主体部分；负压主体4的负压腔4e内安装有气动活塞缸6，气动活塞缸6通过螺钉与盖板1连接，气动活塞缸6的端头设有活塞缸头8，气动活塞缸6和活塞5一端连接，活塞5另一端伸出气动活塞缸6外，活塞5、气动活塞缸6和活塞缸头8组成气动装置；气动活塞缸6通过集成换向阀3和驱动电机7连接，负压主体4主气道4a的两竖直气道端头连接有保压阀2，保压阀2、集成换向阀3和驱动电机7组成控制气路。
参照图2、图4和图5，所述的负压主体4为整体件，通过增材制造技术进行一体化加工；负压主体4内部设计有主气道4a、三条挥发性气体进气道4b、七条旁气道4c、栅格结构4d和负压腔4e；其中，主气道4a由270°的第一弧形气道和两竖直气道组成，两竖直气道分布在第一弧形气道的两个端点处，且上端伸出负压主体4，以便于安装盖板1和保压阀2；三条挥发性气体进气道4b和主气道4a相通，三条挥发性气体进气道4b呈90°向布置，利于收集各个方向的挥发性气体；主气道4a通过七条旁气道4c和负压腔4e相通，负压腔4e位于负压主体4中部；七条旁气道4c之间设有栅格结构4d，栅格结构4d内部布置传感器等设备的线路；通过改变负压腔4e的体积大小，改变主气道4a内的压强；利用增材制造技术可将复杂气路直接集成在负压主体4内部，并轻易实现栅格结构4d的制造。
参照图2，所述的活塞5由活塞主体5-2和与之连接的小头橡胶密封环5-1、大头橡胶密封环5-3组成，装配时先将活塞主体5-2小头套入活塞缸头8内，然后使用粘胶将小头橡胶密封环5-1、大头橡胶密封环5-3分别安装在活塞主体5-2的两头。
参照图2，所述的气动活塞缸6为一体化部件，内部集成有活塞缸的第一进出气道6a、第二进出气道6b，通过增材制造技术进行加工，并在上端留有伸出部分，便于后续与其他零部件之间的安装；气动活塞缸6顶端加工有两个螺纹孔，便于安装在盖板1上；气动活塞缸6与安装完活塞5的活塞缸头8之间通过粘胶进行连接。
参照图1和图3，所述的保压阀2由保压阀阀体2-1、保压阀活塞2-2、弹簧2-3和电磁铁2-4组成，其中，保压阀阀体2-1为三通结构，下端套在主气道4a的伸出部分，水平端与外部气路连接，保压阀阀体2-1内部设有保压阀活塞2-2，保压阀活塞2-2上部通过弹簧2-3和电磁铁2-4连接；当需要吹出主气道4a内的气体时，电磁铁2-4通电，克服弹簧2-3弹力将保压阀活塞2-2吸起，使得主气道4a与外部气路连通，载气进入到主气道4a内，将所收集的挥发性气体带出，从而对地下挥发性气体进行周期性的收集与检测；当需要在主气道4a内形成负压时，电磁铁2-4断电，保压阀活塞2-2在弹簧2-3弹力和自身重力作用下下移，从而切断主气道4a与外部气路的连接，使主气道4a内压强由气动装置调控。
参照图1、图2和图6，所述的集成换向阀3由换向阀底板3-1、换向阀阀体3-2和换向阀盖3-3组成；其中，换向阀底板3-1上有两个与第一进出气道6a、第二进出气道6b伸出部分大小、位置相同的两个孔，换向阀底板3-1套在第一进出气道6a、第二进出气道6b上，使换向阀底板3-1固定，且换向阀底板3-1要略高于第一进出气道6a、第二进出气道6b伸出部分；换向阀阀体3-2安装在换向阀底板3-1和换向阀盖3-3之间，换向阀阀体3-2上端面中心部分设有用于安装驱动电机7旋转轴的小孔，使得换向阀阀体3-2在驱动电机7的带动下进行±90°的旋转；为保证旋转精度，在换向阀阀体3-2上端面对称布置两个限位销3-2c，并在换向阀盖3-3对应位置布置两个90°限位槽3-3a；换向阀盖3-3与换向阀底板3-1之间通过两侧耳结构3-1a相连接，使换向阀盖3-3固定；集成换向阀中唯有换向阀阀体3-2可在驱动电机7的带动下进行旋转，换向阀底板3-1和换向阀盖3-3均不可旋转。
所述的集成换向阀3通过换向阀底板3-1使换向阀阀体3-2内部气道能够与第一进出气道6a、第二进出气道6b连通，换向阀阀体3-2内部气道又通过换向阀盖3-3的两条内部气道3-3b与外部气源相通；换向阀阀体3-2内部开有两条第二弧形气道3-2a和两条螺旋气道3-2b，通过增材制造技术对换向阀阀体3-2进行加工，每两条相同形状气道的进出气口分布在同一直径的两侧，且两第二弧形气道3-2a进出气口所在的直径与两螺旋气道3-2b进出气口所在的直径相垂直，每条第二弧形气道3-2a进出气口的轴线重合，每条螺旋气道3-2b进出气口的轴线分布在同一直径的两侧；通过旋转换向阀阀体3-2，使第一进出气道6a、第二进出气道6b交替与第二弧形气道3-2a/螺旋气道3-2b及外部气源相连通，使得活塞5上下往复运动，进而改变负压腔4e内的压强。
在对集成换向阀3进行装配时，先将两限位销3-2c的外表面与90°限位槽3-3a的某一侧内表面重合，此时两条第二弧形气道3-2a或两条螺旋气道3-2b的上端口正好与换向阀盖3-3两条内部气道3-3b的下端口相对，再将该整体通过两侧耳结构3-1a套在换向阀底板3-1上，此时两条第二弧形气道3-2a或两条螺旋气道3-2b的下端口正好与换向阀底板3-1上两开孔相对；通过集成换向阀3，气动活塞缸6控制气体可通过一侧内部气道3-3b→第二弧形气道3-2a或螺旋气道3-2b→第一进出气道6a或第二进出气道6b进入气动活塞缸6内，使活塞5上升或下降；当需要实现活塞5的往复运动时，通过驱动电机7调节换向阀阀体3-2的位向，使另一种形状的内部气道(第二弧形气道3-2a或螺旋气道3-2b)的上下端口对准内部气道3-3b的下端口和换向阀底板3-1上两开孔，从而可以实现活塞5的往复运动。
本发明的工作原理为：
假设初始时换向阀阀体3-2的两条第二弧形气道3-2a与第一进出气道6a、第二进出气道6b相通，且此时第一进出气道6a为进气道，第二进出气道6b为出气道，活塞5位于最下方；
当该负压系统随着钻探结构一起深入地下指定位置时，便可开始采集挥发性气体；采集气体时电磁铁2-4断电，保压阀活塞2-2在弹簧2-3弹力和自身重力作用下切断主气道4a与外部气路之间的联系，此时气动装置开始工作，气动活塞缸6控制气体由内部气道3-3b→第二弧形气道3-2a→第一进出气道6a进入到气动活塞缸6内部，活塞5上升，负压腔4e体积增大，使主气道4a压强减小，外部挥发性气体便在较大的压强差下通过半透膜9进入到主气道4a及负压腔4e内；当采集完成后(认为活塞5不再上升为采集完成的标志)，驱动电机7旋转，使换向阀阀体3-2两螺旋气道3-2b与第一进出气道6a、第二进出气道6b相通，气动活塞缸6控制气体由内部气道3-3b→螺旋气道3-2b→第二进出气道6b进入到气动活塞缸6内部，活塞5下降，将负压腔4e内气体排除到主气道4a中；与此同时，电磁铁2-4通电，克服弹簧2-3弹力将保压阀活塞2-2吸起，使主气道4a与外部气路连通，载气流进入到主气道4a内，将所收集的挥发性气体带出，进而送入检测装置内进行检测。通过以上过程循环操作，即可实现周期性地收集和检测地下挥发性气体的目的。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种适用于地下挥发性气体采集的负压系统，其特征在于：包括负压主体(4)，负压主体(4)的两端连接有盖板(1)，负压主体(4)侧面的一条以上挥发性气体进气道(4b)上安装有半透膜(9)；负压主体(4)的负压腔(4e)内安装有气动活塞缸(6)，气动活塞缸(6)与盖板(1)连接，气动活塞缸(6)的端头设有活塞缸头(8)，气动活塞缸(6)和活塞(5)一端连接，活塞(5)另一端伸出气动活塞缸(6)外；气动活塞缸(6)通过集成换向阀(3)和驱动电机(7)连接，负压主体(4)主气道(4a)的两竖直气道端头连接有保压阀(2)。
2.根据权利要求1所述的一种适用于地下挥发性气体采集的负压系统，其特征在于：所述的负压主体(4)为整体件，通过增材制造技术进行加工；负压主体(4)两端加工有内螺纹，用于连接钻头结构和进给系统；负压主体(4)内部设计有主气道(4a)、一条以上挥发性气体进气道(4b)、一条以上旁气道(4c)、栅格结构(4d)和负压腔(4e)；其中，主气道(4a)由270°的第一弧形气道和两竖直气道组成，两竖直气道分布在第一弧形气道的两个端点处，且上端伸出负压主体(4)；挥发性气体进气道(4b)和主气道(4a)相通，主气道(4a)通过通过旁气道(4c)和负压腔(4e)相通，负压腔(4e)位于负压主体(4)中部；旁气道(4c)之间设有栅格结构(4d)；通过改变负压腔(4e)的体积大小，改变主气道(4a)内的压强。
3.根据权利要求1所述的一种适用于地下挥发性气体采集的负压系统，其特征在于：所述的盖板(1)开有与负压主体(4)主气道(4a)的两竖直气道直径、位置相同的圆孔，使盖板(1)套在负压主体(4)上。
4.根据权利要求1所述的一种适用于地下挥发性气体采集的负压系统，其特征在于：所述的活塞(5)由活塞主体(5-2)和与之连接的小头橡胶密封环(5-1)、大头橡胶密封环(5-3)组成，装配时先将活塞主体(5-2)小头套入活塞缸头(8)内，然后使用粘胶将小头橡胶密封环(5-1)、大头橡胶密封环(5-3)分别安装在活塞主体(5-2)的两头。
5.根据权利要求1所述的一种适用于地下挥发性气体采集的负压系统，其特征在于：所述的气动活塞缸(6)内部集成有活塞缸的第一进出气道(6a)、第二进出气道(6b)，通过增材制造技术进行加工，气动活塞缸(6)顶端加工有两个螺纹孔，便于安装在盖板(1)上；气动活塞缸(6)与安装完活塞(5)的活塞缸头(8)之间通过粘胶进行连接。
6.根据权利要求1所述的一种适用于地下挥发性气体采集的负压系统，其特征在于：所述的保压阀(2)由保压阀阀体(2-1)、保压阀活塞(2-2)、弹簧(2-3)和电磁铁(2-4)组成，其中，保压阀阀体(2-1)为三通结构，下端套在主气道(4a)的伸出部分，水平端与外部气路连接，保压阀阀体(2-1)内部设有保压阀活塞(2-2)，保压阀活塞(2-2)上部通过弹簧(2-3)和电磁铁(2-4)连接。
7.根据权利要求5所述的一种适用于地下挥发性气体采集的负压系统，其特征在于：所述的集成换向阀(3)由换向阀底板(3-1)、换向阀阀体(3-2)和换向阀盖(3-3)组成；其中，换向阀底板(3-1)上有两个与第一进出气道(6a)、第二进出气道(6b)伸出部分大小、位置相同的两个孔，换向阀底板(3-1)套在第一进出气道(6a)、第二进出气道(6b)上；换向阀阀体(3-2)安装在换向阀底板(3-1)和换向阀盖(3-3)之间，换向阀阀体(3-2)上端面中心部分设有用于安装驱动电机(7)旋转轴的小孔，使得换向阀阀体(3-2)在驱动电机(7)的带动下进行±90°的旋转；在换向阀阀体(3-2)上端面对称布置两个限位销(3-2c)，并在换向阀盖(3-3)对应位置布置两个90°限位槽(3-3a)；换向阀盖(3-3)与换向阀底板(3-1)之间通过两侧耳结构(3-1a)相连接，使换向阀盖(3-3)固定。
8.根据权利要求7所述的一种适用于地下挥发性气体采集的负压系统，其特征在于：所述的集成换向阀(3)通过换向阀底板(3-1)使换向阀阀体(3-2)内部气道能够与第一进出气道(6a)、第二进出气道(6b)连通，换向阀阀体(3-2)内部气道又通过换向阀盖(3-3)的两条内部气道(3-3b)与外部气源相通；换向阀阀体(3-2)内部开有两条第二弧形气道(3-2a)和两条螺旋气道(3-2b)，通过增材制造技术对换向阀阀体(3-2)进行加工，每两条相同形状气道的进出气口分布在同一直径的两侧，且两第二弧形气道(3-2a)进出气口所在的直径与两螺旋气道(3-2b)进出气口所在的直径相垂直，每条第二弧形气道(3-2a)进出气口的轴线重合，每条螺旋气道(3-2b)进出气口的轴线分布在同一直径的两侧；通过旋转换向阀阀体(3-2)，使第一进出气道(6a)、第二进出气道(6b)交替与第二弧形气道(3-2a)/螺旋气道(3-2b)及外部气源相连通，使得活塞(5)上下往复运动，进而改变负压腔(4e)内的压强。
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