CN201965069U - 一种同时自动测量煤岩高压气体吸附量和吸附膨胀量的仪器 - Google Patents

Abstract

一种同时自动测量煤岩高压气体吸附量和吸附膨胀量的仪器能够在压力0-20MPa，温度0-80℃的范围内，同时自动测量煤岩在高压气体中的吸附量和吸附膨胀量。在测量过程中，测量控制仪对位移传感器，测温热电阻，压力变送器的电信号进行信号变换和模数转换，计算机自动接收来自测量控制仪的压力，温度和位移信号数据，对接收到的数据进行记录和保存，在计算机屏幕上实时显示实验过程中的压力，温度，吸附量和膨胀量数据，并且实时显示压力，温度和膨胀量随时间的变化规律曲线。本实用新型具有一次性完成吸附量和吸附膨胀量的测量，更为简便，快捷，结构简单，高压密封可靠安全，易于操作，测量精度高，耐压高，自动测量的优点。

Description

一种同时自动测量煤岩高压气体吸附量和吸附膨胀量的仪器

技术领域

本实用新型涉及一种能够同时自动测量煤岩高压气体吸附量和吸附膨胀量的测量仪器。

背景技术

煤岩体是一种含大量吸附煤层气的多孔介质，其力学性能对煤层气开采有重要影响。煤及煤储层的孔隙特性，吸附解吸特征及其地质控制机理一直是煤层气界，地质界关心的热门问题。煤的吸附性是评价煤层含气性和煤层气可采性的重要基础，对煤层气吸附/解吸特征的理解，深刻地影响到煤层气可采资源量评价、煤储层产能数值模拟。煤层气超临界吸附动力学模型及机理可为优选煤层气有利区带和发展煤层气开采技术提供直接的科学依据。所以，对煤岩的结构及其吸附性能和吸附膨胀变形的深入研究具有十分重要的意义。

大量研究证明，煤基质吸附N₂，CH₄，CO₂气体将产生膨胀变形，气体解吸会使煤基质收缩。

近年来，随着人们对CO₂煤层封存、煤层气注气开采等技术关注程度的不断提高，关于煤岩对不同气体(主要是CO₂，N₂，CH₄等)的吸附能力(吸附量、吸附变形以及由此导致的渗透系数变化)的研究越来越受到人们的重视，研究煤岩在高压下对不同气体的吸附膨胀变形规律，吸附量和煤岩体吸附膨胀率的关系对于研究煤层中瓦斯的渗流特性和煤层气资源评价及勘探开发工作具有重要意义。特别是研究煤岩对不同气体(如CO₂，N₂，CH₄等)的吸附量、吸附引起的变形及其渗透系数变化，对认识CO₂煤层封存、煤层气注气开采等技术的机制同样具有重要意义。

多年来，人们在煤岩吸附以及吸附变形测量方面进行了大量的研究，也开发了许多测试煤岩吸附量以及吸附引起的变形的技术和装置。在这方面，吸附量测试方法和技术较多，有静态法和动态法，应用较多的是静态法。煤的高压吸附量测试技术，主要有容量法和重量法高压吸附测定方法，这两种方法世界各国均有应用。而容量法是传统的经典方法，应用较多。在测量煤岩在高压气体中的吸附变形膨胀方面，目前国外的研究人员主要采用光学测量法和应变片测量法。国内有关这方面研究工作的报道较少，采用的也是应变片测量法。应变片测量法就是将电阻应变片用粘结剂粘贴于煤块表面，煤块的膨胀导致应变片的电阻值发生变化。通过测量电阻值的变化获得煤的膨胀量。应变片测量法的精度较高，但是这种方法需要特殊的电阻应变片和粘结剂，操作过程复杂，对操作人员的要求较高。特别是超临界CO₂气体与粘结剂容易发生化学作用，从而导致测量结果失真或失败。光学测量法就是利用照相机或者显微镜通过一个耐高压透光玻璃窗口对煤样进行拍照，然后利用图像分析软件对所得的照片进行分析，从而计算出煤的膨胀量。但是这种方法所使用设备复杂，成本较高，而且测量精度较低。

由于煤是一种多孔隙不均质物体，所有煤样都具有多种形式的孔容分布特征，单一煤岩类型的孔容分布和吸附特征也各有不同。有测试结果表明.相同变质程度煤的吸附量在一定范围内变化，同一矿井同一煤层，煤的吸附量只能达到相近似。

而以上这些测量技术和装置的特点是，要么只能测量吸附量、要么只能测量变形量。这些测量方法中，吸附量测试通常采用粉末煤样或块装煤样作为试验样品，吸附膨胀量测试则采用块装煤样作为试验样品，由于吸附量和吸附膨胀量测试采用的不是同一煤样，也无法同时测量。如此一来，测量的吸附量和吸附膨胀变形不能很好的对应，测量的吸附量、吸附变形与原地条件下煤岩的吸附量、吸附变形实际值相差较大。

在一个试样上同时测量吸附量和吸附变形比较困难，因此有关这方面工作的报道较少。目前，还没有发现在一个试样上同时测量吸附量和吸附变形膨胀的装置和测量方法的相关报道。

发明内容：

本实用新型的目的是提供一种能够同时自动测量煤岩高压气体吸附量和吸附膨胀量的测量仪器。

本实用新型的目的是这样实现的：它是由高压测试容器，高压参考容器，位移传感器，第一压力变送器，第二压力变送器，恒温浴箱和测量控制仪组成；其特征在于恒温浴箱的四壁装有半导体制冷片，恒温浴箱内装有加热管，循环泵，测温热电阻，高压测试容器和高压参考容器；高压测试容器由下缸体，上缸体，卡套，进气口和出气口组成，上缸体与下缸体之间安装有密封垫，上缸体与下缸体由卡套进行密封连接，在上缸体顶部装有位移传感器，位移传感器和上缸体之间有密封垫，并由固定部件固定在一起，位移传感器的测杆通过上缸体，并位于上缸体底部之外，上缸体的下部安装有样品筒和锁紧片，样品筒与上缸体的下部是螺纹连接，锁紧片将样品筒与上缸体的下部固定在一起，样品筒上有分布均匀的透气孔，下缸体有进气口和出气口，在高压参考容器顶部有第二压力变送器，高压参考容器与第二压力变送器之间有进气口和出气口，在高压参考容器与第二压力变送器之间的进气口装有进气阀，在下缸体的出气口装有排气阀，在高压测试容器与高压参考容器之间装有平衡阀和第一压力变送器；位移传感器，第一压力变送器，第二压力变送器，加热管，循环泵，半导体制冷片和测温热电阻通过电缆与测量控制仪连接。

所述的高压测试容器和高压参考容器，其材质为不锈钢，耐压大于30MPa。

所述的位移传感器是型号为GA-2的一种耐高压线性差动变压器式位移传感器(LVDT)，该位移传感器本体和铁芯测杆为一体式结构，具有导向和回弹功能，回弹式结构可以避免测杆由于摩擦无法与测量样品可靠接触而造成的测量误差，提高测量精度；该位移传感器耐压大于30MPa，测量精度为0.05％，测量范围为0-2mm，位移传感器将所测量的煤岩样品的膨胀或收缩变形转换为电信号，送至测量控制仪进行信号处理和模数转换。

所述的压力变送器是型号为MPM421的一种高压智能压力变送器，其耐压大于30MPa，测量精度为0.1％FS，测量范围为-0.1-20MPa，压力变送器用于测量高压测试容器和高压参考容器的内部压力。

所述的恒温浴箱内所用加热介质为水或甘油；恒温浴的工作温度为0-80℃，控温精度为0.1℃。

所述的测温热电阻为Pt100铂电阻。

所述的测量控制仪应用了单片机测量控制技术，包括有位移传感器信号数据采集电路，测温热电阻信号数据采集电路，压力变送器信号数据采集电路，温度控制电路，显示电路，数据通讯电路和单片机；压力变送器，位移传感器和测温热电阻的电信号送至各自数据采集电路，在单片机的控制下，由数据采集电路对位移传感器，测温热电阻，压力变送器的电信号进行信号变换和模数转换，通过显示电路实时显示恒温浴的温度，高压测试容器和高压参考容器内部压力和煤岩样品的膨胀高度；其中温度控制采用PID控制技术，通过温度控制电路控制加热管8，半导体制冷片，循环泵的工作，对恒温浴进行温度控制；同时所采集的温度，压力和位移数据经过数据通讯电路直接送入计算机，计算机数据通讯应用RS232串行通讯方式，该测量控制仪通过RS232通讯导线与计算机的RS232串行接口连接。

计算机自动接收来自测量控制仪的实验温度，压力和位移信号数据，对接收到的数据进行记录和保存，自动计算吸附量和吸附膨胀量，并且在计算机屏幕上实时显示实验过程中的温度，压力，吸附量和膨胀量数据，并且实时显示压力，温度和膨胀量随时间的变化规律曲线。

本实用新型所提供的一种同时自动测量煤岩高压气体吸附量和吸附膨胀量的仪器，能够在压力0-20MPa，温度0-80℃的范围内，同时自动测量煤岩在高压气体(如CH₄，N₂，CO₂气体)中的吸附量和吸附膨胀量。在测量过程中，测量控制仪对位移传感器，测温热电阻，压力变送器的电信号进行信号变换和模数转换，实时显示实验压力，温度和样品的膨胀变化的位移信号数据。计算机自动接收来自测量控制仪的压力，温度和位移信号数据，对接收到的数据进行记录和保存，自动计算吸附量和吸附膨胀量，在计算机屏幕上实时显示实验过程中的压力，温度，吸附量和膨胀量数据，并且实时显示压力，温度和膨胀量随时间的变化规律曲线。

本实用新型所提供的一种同时自动测量煤岩高压气体吸附量和吸附膨胀量的仪器，还可广泛应用于其它领域，用于其它多孔物质在高压气体中的吸附量和吸附膨胀量的测试和研究。

本发明的测量方法具体操作步骤如下：

(1)测试煤岩样品的准备：

首先将待测煤岩加工成圆柱型或长方体型的块状样品，并确保煤岩样品上下端面平行且光滑，然后根据需要将煤岩样品进行平衡水分处理或干燥处理，准确测量煤岩样品的高度L₀，并准确称取煤岩样品的重量G₀；

(2)测试煤岩样品的安装：

首先打开测量控制仪电源，启动计算机并运行；

将煤岩样品装入测量装置的样品筒，将样品筒与高压测试容器的上缸体的下部连接，通过调节样品筒的位置，确保煤岩样品与装在上缸体的位移传感器测杆可靠接触；同时观察测量控制仪或计算机屏幕上显示的位移数据，准确调节位移传感器的零点，用锁紧片将上缸体的下部与样品筒固定，然后将样品筒装入高压测试容器的下缸体，用卡套将高压测试容器的上缸体与下缸体密封连接；

(3)测试前工作准备：

根据实验方案，设定实验所需温度T，启动加热控制，对恒温浴进行加热，待恒温浴温度到达设定温度T时，启动真空泵抽取高压参考容器和高压测试容器以及测量系统内部空气，使高压参考容器和高压测试容器以及测量系统内部处于真空状态，然后停止真空泵，关闭所有的阀门；

(4)自由空间体积测定：

自由空间体积是指高压测试容器装入煤岩样品后煤岩样品内部微细空隙、高压测试容器剩余的自由空间、连接管线内部空间的体积之总和，氦气(H_e)是一种不吸附气体，通过氦气从高压参考容器向高压测试容器的膨胀来测定高压测试容器的自由空间体积；

打开高压氦气(H_e)阀门，向系统中充入氦气，打开进气阀门，向高压参考容器充入的氦气，调节高压参考容器压力至目标压力，然后关闭进气阀，待压力稳定以后，记录此时高压参考容器内部压力P₂和高压测试容器内部压力P₃，打开高压参考容器与高压测试容器之间的平衡阀门，使氦气从高压参考容器进入高压测试容器，待高压参考容器和高压测试容器内部压力稳定平衡后，记录此时压力P₁，此时得到一组数据T，P₁，P₂，P₃，通过如下公式计算得到放置样品后的高压测试容器内部自由空间的体积V_F；自由空间体积计算公式为：

V_F＝V_R(ρ_R0-ρ_R1)/(ρ_F1-ρ_F0)            ——(1)

其中：ρ_R0＝f(T，P₂)  ρ_F0＝f(T，P₃)

ρ_R1＝ρ_F1＝f(T，P₁)

式中：

V_F：表示自由空间体积，单位为立方厘米(cm³)；

V_R：表示高压参考容器体积(已知)，单位为立方厘米(cm³)；

P₁：表示平衡后压力，单位为兆帕(MPa)；

P₂：表示高压参考容器初始压力，单位为兆帕(MPa)；

P₃：表示高压测试容器初始压力，单位为兆帕(MPa)；

T：表示实验温度，单位为(K)；

ρ_R0：表示高压参考容器初始气体密度，单位为毫摩尔每立方厘米(mmol/cm³)；

ρ_F0表示高压测试容器初始气体密度，单位为毫摩尔每立方厘米(mmol/cm³)；

ρ_R1：表示高压参考容器平衡后气体密度，单位为毫摩尔每立方厘米(mmol/cm³)；

ρ_F1：表示高压测试容器平衡后气体密度，单位为毫摩尔每立方厘米(mmol/cm³)；

自由空间体积测定完以后，将气体排空，再次启动真空泵抽取高压参考容器和高压测试容器以及测量系统内部气体，使高压参考容器和高压测试容器以及测量系统内部处于真空状态，然后停止真空泵，关闭所有的阀门；

(5)吸附量和吸附膨胀量同时测量：

打开高压测试气体(如CH₄，N₂，CO₂气体)阀门，根据需要启动高压气体增压泵，首先打开进气阀，向高压参考容器充入的高压测试气体，调节高压参考容器压力至目标压力，然后关闭进气阀门，待压力稳定后，记录此时高压参考容器内部压力P₅和高压测试容器内部压力P₆；打开高压参考容器与高压测试容器之间的平衡阀门，使高压测试气体从高压参考容器进入高压测试容器，待高压参考容器和高压测试容器内部压力稳定平衡后，记录此时平衡压力P₄，此时得到一组数据T，P₄，P₅，P₆，吸附量的测试采用了高压容量法的原理，测量控制仪通过测量高压参考容器和高压测试容器吸附平衡前后的压力及温度，由物料衡算即可计算该平衡压力点的吸附变化量(Δn)和吸附量(n)；同时在这一过程中，高压测试气体从高压参考容器进入高压测试容器以后，煤岩样品由于吸附高压测试气体将产生膨胀变形，使位移传感器测杆向上位移，位移传感器将位移变形转换为电信号送入测量控制仪，即可同时测得煤岩样品在该平衡压力点的膨胀高度(ΔL)，通过如下公式计算得到吸附量(n)和吸附膨胀量(ε)；吸附量的计算公式为：

$\mathrm{\Δn}=\frac{1}{G_0}[({\mathrm{\ρ}}_{R0}-{\mathrm{\ρ}}_{R1})V_R-({\mathrm{\ρ}}_{F1}-{\mathrm{\ρ}}_{F0})V_F]---\left(2\right)$

n＝Δn₁+Δn₂+Δn₃+....+Δn_i                    ——(3)

其中：ρ_R0＝f(T，P₅)  ρ_F0＝f(T，P₆)

ρ_R1＝ρ_F1＝f(T，P₄)

吸附膨胀量计算公式为：

ε＝ΔL/L₀×10⁶                              ——(4)

以上各式中：

Δn：表示各平衡压力点的吸附变化量，单位为毫摩尔每克(mmol/g)；

n：表示总的吸附量，单位为毫摩尔每克(mmol/g)；

G₀：表示煤岩样品的重量，单位为克(g)；

ΔL：表示煤岩样品的膨胀高度，单位为毫米(mm)；

L₀：表示煤岩样品初始高度，单位为毫米(mm)；

ε：表示吸附膨胀量，无量纲；

V_F：表示自由空间体积，单位为立方厘米(cm³)；

V_R：表示高压参考容器体积(已知)，单位为立方厘米(cm³)；

P₄：表示平衡后压力，单位为兆帕(MPa)；

P₅：表示高压参考容器初始压力，单位为兆帕(MPa)；

P₆：表示高压测试容器初始压力，单位为兆帕(MPa)；

T：表示实验温度，单位为(K)；

ρ_R0：表示高压参考容器初始气体密度，单位为毫摩尔每立方厘米(mmol/cm³)；

ρ_F0：表示高压测试容器初始气体密度，单位为毫摩尔每立方厘米(mmol/cm³)；

ρ_R1：表示高压参考容器平衡后气体密度，单位为毫摩尔每立方厘米(mmol/cm³)；

ρ_F1：表示高压参考容器平衡后气体密度，单位为毫摩尔每立方厘米(mmol/cm³)；

(6)吸附膨胀平衡以后，关闭平衡阀门，再次打开高压气体(如CH₄，N₂，CO₂气体)阀门，启动高压气体增压泵，打开进气阀，向高压参考容器内部继续充入高压测试气体，调节高压参考容器压力至下一目标压力，重复第(5)步骤，进行下一个实验压力点吸附量和吸附膨胀量的测试，就这样，自低而高逐个压力点进行试验，直至最后一个压力点试验结束，即可得到不同平衡压力下的吸附量和吸附膨胀量，即吸附等温线和吸附膨胀等温线；改变系统温度，即可测量不同温度下的吸附等温线和吸附膨胀等温线。

本发明具有以下优点：

1、可以一次性完成吸附量和吸附膨胀量的测量，较之现有其他方法更为简便，快捷。

2、使用同一个测试样品同时测量吸附量和吸附膨胀量，能更好地反映它们之间的相互影响关系。

3、采用圆柱形或长方体型的块状样品煤样，试验结果有利于和常规岩石力学标准相比较，具有较高的实用价值。

4、位移传感器测量吸附膨胀量，吸附量的测量采用的是高压容量法的原理，直接利用膨胀量测试容器作为高压容量法吸附测量中的样品缸，在测量吸附量的同时测量吸附膨胀量。

5、不仅可以用于吸附量和吸附膨胀量的同时测量，获得吸附等温线和吸附膨胀等温线。也可以用于脱附量和脱附收缩量的同时测量，获得脱附等温线和脱附收缩等温线。

6、不仅可以用于吸附量和吸附膨胀量的同时测量，也可以用于单独测量吸附量或单独测量吸附膨胀量。

7、具有结构简单，高压密封可靠安全，易于操作，测量精度高，耐压高，自动测量的优点。

附图说明：

图1、为本实用新型的结构示意图

图2、为本实用新型的电路图

图3、为本实用新型的使用示意图

图4、为温度在45℃条件下，所测一种阳泉煤岩样品在CO₂气体中的吸附量和吸附膨胀量与平衡压力的关系曲线。

图5、为在65℃条件下，所测一种阳泉煤岩样品在CH₄气体中的吸附量和吸附膨胀量与平衡压力的关系曲线。

图6、为在25℃条件下，所测一种阳泉煤岩样品在N₂气体中的吸附量和吸附膨胀量与平衡压力的关系曲线。

如图所示：1是高压测试容器，2是高压参考容器，3是位移传感器，4第二压力变送器、5是第一压力变送器，6是圆柱型样品筒，7是锁紧片，8是加热管，9是测温热电阻，10是下部缸体，11是上部缸体，12是卡套，13是固定部件，14是密封垫，15是煤岩样品，16是半导体制冷片，17是循环泵，18是恒温浴，19是恒温浴箱，20是进气阀，21是平衡阀，22是排气阀，23是测量控制仪，24，25，29，31是控制阀门，26是真空泵，27是计算机，28是高压氦气(He)钢瓶，30是高压测试气体钢瓶，32是增压泵，33是固定板，34是密封垫。

具体实施方式：

下面结合图3所示实施例对本实用新型的具体实施方式做进一步的详细叙述。

实施例1：

本实用新型是由高压测试容器1，高压参考容器2，位移传感器3，第一压力变送器5，第二压力变送器4，恒温浴箱19和测量控制仪23组成，恒温浴箱19的四壁装有半导体制冷片16，恒温箱19内部装有加热管8，测温热电阻9，循环泵17，高压测试容器1和高压参考容器2；高压测试容器1由下缸体10，上缸体11，卡套12，进气口和出气口组成，上缸体11与下缸体10之间安装有密封垫14，上缸体11与下缸体10由卡套12进行连接固定，在上缸体11顶部装有位移传感器3，位移传感器3和上缸体11之间装有密封垫34并由固定部件13固定在一起，上缸体11的下部安装有圆柱型样品筒6和锁紧片7，圆柱型样品筒6与上缸体11的下部是螺纹连接，锁紧片7将圆柱型样品筒6与上缸体11的下部连接固定在一起，圆柱型样品筒6上有分布均匀的透气孔；在高压参考容器2顶部有第二压力变送器4，高压参考容器2与第二压力变送器4之间有进气口和出气口，在高压参考容器2与第二压力变送器4之间的进气口装有进气阀20，在下缸体10的出气口装有排气阀22，在高压测试容器1与高压参考容器2之间装有平衡阀21和第一压力变送器5；位移传感器3，第一压力变送器5，第二压力变送器4，加热管8，循环泵17，半导体制冷片11和测温热电阻9通过电缆与测量控制仪23连接。

高压测试容器1的材质为不锈钢，耐压大于30MPa。位移传感器3是型号为GA-2的耐高压线性差动变压器式位移传感器，第一压力变送器5和第二压力变送器4是型号为MPM421的高压智能压力变送器，测温热电阻9为Pt100铂电阻，恒温浴箱19所用的加热介质为水或甘油。

测量控制仪23应用了单片机测量控制技术，包括位移传感器信号数据采集电路，测温热电阻信号数据采集电路，压力变送器信号数据采集电路，温度控制电路，显示电路，数据通讯电路和单片机；第一压力变送器5，第二压力变送器4，位移传感器3和测温热电阻9的电信号送至各自数据采集电路，在单片机的控制下，数据采集电路将第一压力变送器5，第二压力变送器4，位移传感器3和测温热电阻9的电信号进行信号变换和模数转换，通过显示电路实时显示恒温浴的温度，高压参考容器2和高压测试容器1内部压力和样品的膨胀高度；其中温度控制采用PID控制技术，通过温度控制电路控制加热管8，循环泵17，半导体制冷片16的工作，对恒温浴18进行温度控制；同时所采集的温度，压力和位移数据经过数据通讯电路直接送入计算机27，计算机数据通讯应用RS232串行通讯方式，测量控制仪23通过RS232通讯导线与计算机27的RS232串行接口连接。

下面叙述吸附量和吸附膨胀量同时测量过程：

先将测量装置按照图3所示方式进行连接。

首先将待测阳泉煤岩加工成圆柱型或长方体型的块状样品，并确保煤岩样品15上下端面平行且光滑，将煤岩样品在温度110℃真空条件下干燥12h，准确测量煤岩样品的高度(L₀)，并准确称取煤岩样品的重量(G₀)，密封保存待用。

打开测量控制仪23电源，启动计算机27。将煤岩样品15快速装入圆柱型样品筒6，将圆柱型样品筒6与高压测试容器1的上部缸体11连接，确保煤岩样品15与位移传感器3的测杆可靠接触，调节圆柱型样品筒6的高度，同时观察测量控制仪或计算机屏幕上显示的位移数据，准确调节位移传感器的零点，用锁紧片7固定圆柱型样品筒6，然后将上部缸体11装入下部缸体10，用卡套12将上下缸体进行连接固定。

设定温度为实验所需温度为45℃(T)，启动加热控制，对恒温浴18进行加热，待恒温浴18温度到达设定温度(45℃)，关闭所有阀门，打开平衡阀21，放气阀22和真空阀25，启动真空泵26抽取高压参考容器2和高压测试容器1以及系统内部空气。然后关闭平衡阀21，放气阀22和真空阀25，停止真空泵26。

打开氦气(He)钢瓶28阀门和氦气截止阀29，启动高压气体增压泵32向系统充入氦气。打开进气阀20，向高压参考容器2充入一定量的氦气，第二压力变送器4用于测量高压参考容器2内部压力，调节高压参考容器2压力至目标压力，然后关闭进气阀20，待压力稳定，记录此时高压参考容器2内部压力(P₂)和高压测试容器1内部压力(P₃)；打开高压参考容器2与高压测试容器1之间的平衡阀21，使氦气从高压参考容器2进入高压测试容器1，第一压力变送器5用于测量高压测试容器1内部压力，待高压参考容器2和高压测试容器1内部压力稳定平衡后，记录此时压力(P₁)，由测量控制仪23采集系统温度(T)以及压力(P₁)，(P₂)和(P₃)信号，由计算机27进行数据处理，计算出放置煤岩样品后的高压测试容器1内部自由空间体积(V_F)；然后排空系统，再次启动真空泵26抽取高压参考容器2和高压测试容器1以及系统内部气体，使高压参考容器2和高压测试容器1以及系统内部处于真空状态，然后停止真空泵26，关闭所有的阀门。自由空间体积具体计算：

测得的数据：

T＝45+273.15＝318.45(K)  P₁＝0.965(MPa)  P₂＝1.280(MPa)

P₃＝0.000(MPa) V_R＝176.74(cm³)

ρ_R1＝ρ_F1＝f(T，P₁)＝0.3633(mmol/cm³)

ρ_R0＝f(T，P₂)＝0.4813(mmol/cm³)

ρ_F0＝f(T，P₃)＝0.0000(mmol/cm³)

由公式(1)计算可得：

V_F＝V_R(ρ_R0-ρ_R1)/(ρ_F1-ρ_F0)＝57.41(cm³)

打开高压测试气体(CO₂气体)钢瓶30阀门和截止阀31，启动高压气体增压泵32，向系统内部充入高压测试气体(CO₂气体)；打开进气阀20，向高压参考容器2充入一定量的高压测试气体，第二压力变送器4用于测量高压参考容器2内部压力，调节高压参考容器2压力至目标压力，然后关闭进气阀20；待压力稳定，记录此时高压参考容器2内部压力(P₅)和高压测试容器1内部压力(P₆)；打开高压参考容器2与高压测试容器1之间的平衡阀21，使高压测试气体从高压参考容器2进入高压测试容器1，第一压力变送器5用于测量高压测试容器1内部压力，待高压参考容器2和高压测试容器1内部压力稳定平衡后，记录此时平衡压力(P₄)；此时由测量控制仪23采集系统温度(T)以及压力(P₄)，(P₅)和(P₆)信号，由计算机27进行数据处理。根据高压参考容器2和高压测试容器1平衡前后的压力及温度，即可获得该平衡压力点的吸附量(Δn₁)和吸附量(n)。

在这一过程中，高压测试气体从高压参考容器2进入高压测试容器1以后，煤岩样品15由于吸附高压测试气体(CO₂气体)将产生膨胀变形，使位移传感器3测杆向上位移，位移传感器3将位移变形转换为电信号，送至测量控制仪23进行信号处理和模数转换。计算机27自动接收来自测量控制仪23的实验压力，温度和位移信号数据，对接收到的数据进行记录和保存，并且在计算机屏幕上实时显示实验过程中的压力，温度和膨胀数据，以及膨胀量随时间的变化规律曲线。当吸附膨胀平衡以后，即可同时测得煤岩样品在该平衡压力点的膨胀高度(ΔL₁)和吸附膨胀量(ε)。

吸附量和吸附膨胀量的具体计算：

T＝45+273.15＝318.45(K)  L₀＝68.70(mm)  G₀＝18.8527(g)

P₄＝0.425(MPa)  P₅＝0.780(MPa)  P₆＝0.000(MPa)

V_R＝176.74(cm³)  ρ_R1＝ρ_F1＝f(T，P₄)＝0.1635(mmol/cm³)

ρ_R0＝f(T，P₅)＝0.3046(mmol/cm³)  ρ_F0＝f(T，P₆)＝0.0000(mmol/cm³)

V_F＝57.41(cm³)  ΔL₁＝0.1308(mm)

由公式(2)计算可得：

$\mathrm{\Δ}{n}_1=\frac{1}{G_0}[({\mathrm{\ρ}}_{R0}-{\mathrm{\ρ}}_{R1})V_R-({\mathrm{\ρ}}_{F1}-{\mathrm{\ρ}}_{F0})V_F]=0.8249(\mathrm{mmol}/g)$

由公式(3)计算可得：

n＝Δn₁＝0.8249(mmol/g)

由公式(4)计算可得：

ε＝ΔL₁/L₀×10⁶＝1904

吸附膨胀平衡以后，关闭平衡阀21；再次打开高压气体(CO₂气体)钢瓶30阀门和阀门31，启动高压气体增压泵32，打开进气阀20，向高压参考容器2内部继续充入高压测试气体，调节高压参考容器2压力至下一目标压力，重复以上步骤，进行下一个实验压力点吸附量和吸附膨胀量的测试。就这样，自低而高逐个压力点进行试验，直至最后一个压力点试验结束。即可得到不同压力下吸附量和吸附膨胀量，即吸附等温线和吸附膨胀等温线。改变系统温度，即可测量不同温度下的吸附等温线和吸附膨胀等温线。

实施例2：

设定温度在65℃，高压测试气体为CH₄气体的条件下，其余同实施例1。

实施例3：

设定温度在25℃，高压测试气体为N₂气体的条件下，其余同实施例1。

Claims (7)

1.一种同时自动测量煤岩高压气体吸附量和吸附膨胀量的仪器，它是由高压测试容器(1)，高压参考容器(2)，位移传感器(3)，第一压力变送器(5)，第二压力变送器(4)，恒温浴箱(19)和测量控制仪(23)组成，其特征在于恒温浴箱(19)的四壁装有半导体制冷片(16)，恒温浴箱(19)内部装有加热管(8)，测温热电阻(9)，循环泵(17)，高压测试容器(1)和高压参考容器(2)；高压测试容器(1)由下缸体(10)，上缸体(11)，卡套(12)，进气口和出气口组成，上缸体(11)与下缸体(10)之间安装有密封垫(14)，上缸体(11)与下缸体(10)由卡套(12)进行连接固定，在上缸体(11)顶部装有位移传感器(3)，位移传感器(3)和上缸体(11)之间装有密封垫(34)，并由固定部件(13)固定在一起，上缸体(11)的下部安装有样品筒(6)和锁紧片(7)，样品筒(6)与上缸体(11)的下部是螺纹连接，锁紧片(7)将样品筒(6)与上缸体(11)的下部连接固定在一起，样品筒(6)上有分布均匀的透气孔；在高压参考容器(2)顶部有第二压力变送器(4)，高压参考容器(2)与第二压力变送器(4)之间有进气口和出气口，在高压参考容器(2)与第二压力变送器(4)之间的进气口装有进气阀(20)，在下缸体(10)的出气口装有排气阀(22)，在高压测试容器(1)与高压参考容器(2)之间装有平衡阀(21)和第一压力变送器(5)；位移传感器(3)，第一压力变送器(5)，第二压力变送器(4)，加热管(8)，循环泵(17)，半导体制冷片(11)和测温热电阻(9)通过电缆与测量控制仪(23)连接。

2.如权利要求1所述的一种同时自动测量煤岩高压气体吸附量和吸附膨胀量的仪器，其特征在于所述的高压测试容器(1)和高压参考容器(2)的材质为不锈钢，耐压大于30Mpa。

3.如权利要求1所述的一种同时自动测量煤岩高压气体吸附量和吸附膨胀量的仪器，其特征在于所述的位移传感器(3)是型号为GA-2的一种耐高压线性差动变压器式位移传感器，耐压大于30MPa，测量精度为0.05％，测量范围为0-2mm。

4.如权利要求1所述的一种同时自动测量煤岩高压气体吸附量和吸附膨胀量的仪器，其特征在于所述的第一压力变送器(5)和第二压力变送器(4)是型号为MPM421的高压智能压力变送器，其耐压大于30MPa，测量精度为0.1％FS，测量范围为-0.1-20M pa。

5.如权利要求1所述的一种同时自动测量煤岩高压气体吸附量和吸附膨胀量的仪器，其特征在于所述的恒温浴箱(19)内所用加热介质为水或甘油，恒温浴 箱(19)内加热介质的工作温度为0-80℃，控温精度为0.1℃。

6.如权利要求1所述的一种同时自动测量煤岩高压气体吸附量和吸附膨胀量的仪器，其特征在于所述的测温热电阻为Pt100铂电阻。

7.如权利要求1所述的一种同时自动测量煤岩高压气体吸附量和吸附膨胀量的仪器，其特征在于所述的测量控制仪(23)包括有位移传感器信号数据采集电路，测温热电阻信号数据采集电路，压力变送器信号数据采集电路，温度控制电路，显示电路，数据通讯电路和单片机；第一压力变送器(5)，第二压力变送器(4)位移传感器(3)和测温热电阻(9)的电信号送至各自数据采集电路，在单片机的控制下，由数据采集电路对位移传感器(3)，测温热电阻(9)，第一压力变送器(5)和第二压力变送器(4)的电信号进行信号变换和模数转换，通过显示电路实时显示恒温浴的温度，高压测试容器(1)和高压参考容器(2)内部压力和煤岩样品的膨胀高度；其中温度控制采用PID控制技术，通过温度控制电路控制加热管(8)，半导体制冷片(16)，循环泵(17)的工作，对恒温浴(18)进行温度控制；同时所采集的温度，压力和位移数据经过数据通讯电路直接送入计算机(27)，计算机数据通讯应用RS232串行通讯方式，测量控制仪(23)通过RS232通讯导线与计算机(27)的RS232串行接口连接。 

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