CN205404822U - 一种用于地震前兆监测的地下氢气监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于地震前兆监测的地下氢气监测系统。该氢气监测系统包括集气装置、感应检测室、数据采集单元、显示处理单元。使用该氢气监测系统能够实现对动态和静态地下水进行连续稳定的水气分离，有效提取地下水中所含气体，然后在感应检测室内通过感应膜感测氢气，再将流过感应膜的电流转化为与所感应的氢气浓度成对应比例的电压信号，并检测电压信号的变化。该系统稳定可靠、对地下水中氢气的监测精度高、并且适用于不同的地下水环境。

Description

一种用于地震前兆监测的地下氢气监测系统

技术领域

本实用新型涉及一种氢气监测系统，特别是涉及一种用于地震前兆监测的地下氢气监测系统。

背景技术

近些年我国及周边地区地震频发，涉及地域范围广、危害大。为此，对于地震前兆即地震发生前出现的异常现象进行监测的各种方法手段成为地震研究的重要内容和热点。其中，地下流体，如地下水(井水、泉水、地下层中所含的水)、石油和天然气、地下岩层中还可能贮存一些其它气体。用仪器监测这些地下流体的化学成份和某些物理量，研究它们的变化情况可以帮助人们预测地震。其中，地球内部气体中与构造活动有直接关系的氢(H2)，被广泛认为是较大可能在短临地震前兆异常中获得突破的测项。研究表明，地壳逸出的氢、特别是断裂带溢出气中H2形成的机理归纳为3种类型：一是地壳下层的塑性岩石在断层错动过程中会产生，如蛇纹岩或硅酸岩的裂隙和破裂面容易发生水岩反应直接产生氢；二是源于地壳深部岩石孔隙、裂隙中被封存的H2，随着断裂带岩石中裂隙的连通和孔隙压力的增大，会导致H2经裂隙向上运移，溢出地表，使地下水及土壤气中的H2浓度升高；三是地震孕育过程中，特别是临震破裂阶段，岩石膨胀产生超声振动，可释放岩石孔隙、裂隙中封存的H2。断裂带内的H2浓度可以反映断裂带的活动程度。由此可见，氢自身的这些性质决定了它可以作为反映地震前兆指标的灵敏组分之一。

在现有技术中，对地下水中氢气监测的方法手段中主要存在以下问题：

一是连续自动监测问题。地下水中的氢气处于一种连续动态变化过程中，与地域、年份、季节、月份、环境温度等多种因素有关，而要实现对地震前兆监测，则必须要对地下水中的氢气进行长时间、连续性的自动化监测和分析，例如短时变化监测情况、历史同一时期对比监测情况等，这样才能对氢气出现的异常情况做出准确分析和判断。现有技术中，还存在人工采集氢气的方法,主要是以鼓泡的形式将溶解在地下水中的氢气析出进行氢值的测定。随着地震监测预报需求的提高,要求进行连续观测，人工方式的氢气监测技术显然无法满足需求。

二是监测精度问题。将地下水中溶入的气体分离后再汇集起来进行浓度检测，该过程需要尽可能将气体从地下水中分离充分，并且整个过程需要处于持续稳定的状态，否则会因为水气分离操作不稳定而影响氢气的采集及浓度变化。

三是适用性问题。根据地下水的流动状态不同，可以分为自流井水，例如地下不断涌出的动态泉水，这种自流井水处于动态流动的状态；还有静水位观测井水，例如地下多处汇集在一起的静态井水，这种观测井水基本上处于静止状态。这样，对不同状态的地下水进行氢气分离时所采用的方法手段要有针对性，以适应不同的应用条件。

基于上述原因，有必要提供一种用于地震前兆监测的地下氢气监测系统，能够对地下水进行稳定持续的水气分离，连续自动对分离出的氢气含量进行检测，并且适用于多种地下水应用环境。

实用新型内容

本实用新型主要解决的技术问题是提供一种用于地震前兆监测的地下氢气监测系统，解决现有技术中对地下水中氢气监测难以做到稳定连续自动监测，以及监测精度不高、适应地下水环境受限等问题。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的一个技术方案是:提供一种用于地震前兆监测的地下氢气监测系统，包括用于采集地下水中所含气体的集气装置，该集气装置的集气管道出口与感应检测室的进气口密闭连接，经过水气分离后的气体进入该感应检测室后，经过感应膜时仅有所含氢气被感应检测，得到检测感应电流，该检测感应电流进一步转化为与所感应的氢气浓度成对应比例的电压信号，未被感应膜感应的气体从该感应检测室的出气口排出，该电压信号再经过放大器稳定放大后，通过电缆线传输到数据采集单元进行模数转换形成数字信号，再输出到显示处理单元进行显示、存储以及分析处理。

在本实用新型用于地震前兆监测的地下氢气监测系统的另一个实施例中，该集气装置为底部封闭、顶部设置有开口管道的透明圆柱形壳体，该圆柱形壳体的顶部为半球体，该开口管道包括进水管道，该进水管道设置在该顶部半球体的一侧，并与该圆柱形壳体的垂直中轴线成倾斜夹角，该进水管道向下垂直延伸形成一个出水端口，该集气管道设置在该圆柱形壳体顶部半球体的中心处，在该圆柱形壳体的下部设置有排水管道，在该圆柱形壳体底部内侧还设置有向上延伸且高于该排水管道出口的溅水台，该溅水台不接触该出水端口。

在本实用新型用于地震前兆监测的地下氢气监测系统的另一个实施例中，该开口管道还包括进气管道，该进气管道与该进水管道相对应设置在该半球体的另一侧，并与该圆柱形壳体的垂直中轴线成倾斜夹角，该进水管道与进气管道在该圆柱形壳体内部汇接在一起，该进气管道与该感应检测室的出气口密闭连接。

在本实用新型用于地震前兆监测的地下氢气监测系统的另一个实施例中，该集气装置包括底部开口并且浸入地下水中的圆柱形壳体，该圆柱形壳体的上部口径缩小并向上延伸为气管，该气管伸出地下水平面，在该气管的顶部设置有进气管道和集气管道，该进气管道的进气端连接鼓泡装置，该进气管道垂直向下延伸且在其出气端连接气泡分离器，该气泡分离器也浸入地下水中且罩入在该圆柱形壳体内。

在本实用新型用于地震前兆监测的地下氢气监测系统的另一个实施例中，该集气管道出口与该感应检测室的进气口之间密闭串接有输气软管和气体干燥装置。

在本实用新型用于地震前兆监测的地下氢气监测系统的另一个实施例中，在该输气软管和气体干燥装置之间还串接有用于收集该输气软管内部水分的集水装置。

在本实用新型用于地震前兆监测的地下氢气监测系统的另一个实施例中，该集气装置的进水管道沿水平方向设置开口，经方向转换后沿竖直方向延伸且管道口径渐缩，直至形成最小口径为1毫米的出口，在该出口的下方设置有圆柱型集水腔体，该集水腔体底部沿水平方向延伸并设置出水口，在靠近该出水口端，由该集水腔体底部向上延伸为一个与该集水腔体相隔离的集气腔，在该集气腔上部渐缩为一个集气管道。

本实用新型的有益效果是：本实用新型公开了一种用于地震前兆监测的地下氢气监测系统。该氢气监测系统包括集气装置、感应检测室、数据采集单元、显示处理单元。使用该氢气监测系统能够实现对动态和静态地下水进行连续稳定的水气分离，有效提取地下水中所含气体，然后在感应检测室内通过感应膜检测出氢气，将氢气变化量转换为电流的变化量，进而转化为电压信号来监测氢气的浓度变化。。该系统稳定可靠、对地下水氢气的监测精度高、并且适用于不同的地下水环境。

附图说明

图1是用于地震前兆监测的地下氢气监测方法一实施例的流程图；

图2是本实用新型用于地震前兆监测的地下氢气监测系统一实施例的组成图；

图3是本实用新型用于地震前兆监测的地下氢气监测系统另一实施例的感应检测室构成示意图；

图4是本实用新型用于地震前兆监测的地下氢气监测系统另一实施例的集气装置示意图；

图5是本实用新型用于地震前兆监测的地下氢气监测系统另一实施例的集气装置示意图；

图6是本实用新型用于地震前兆监测的地下氢气监测系统另一实施例的集气装置示意图；

图7是本实用新型用于地震前兆监测的地下氢气监测系统另一实施例的集气装置示意图；

图8是本实用新型用于地震前兆监测的地下氢气监测系统另一实施例的集气装置示意图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面结合附图和具体实施例，对本实用新型进行更详细的说明。附图中给出了本实用新型的较佳的实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本实用新型。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

下面结合附图，对本实用新型的各实施例进行详细说明。

图1是用于地震前兆监测的地下氢气监测方法一实施例的流程图。图1所示包括4个步骤，即水气分离S101、感应检测S102、信号转换S103、显示处理S104。

水气分离S101，连续从地下水中分离出水中所含的气体，将分离出的气体汇集并连续输出，经过干燥处理后，输入到感应检测室。

存在地下的氢气通常溶于地下水中，当地下水向上涌出或渗出时相应会有氢气排出，特别是当地壳深层活动明显时，地下氢气的排出量会出现波动变化，这是通过测氢含量来预测地震的基本原理。因此，当把地下水中的溶入的氢气分离出来时，应该尽可能分离充分，并且采取的方法手段要具有稳定性，这样对氢气含量变化的测量可靠有效。

针对自流井水，例如地下不断涌出的动态泉水，连续从地下水中分离出水中所含氢气的方法是：该地下水连续流动，经过垂直自由落体运动，落到溅水台后溅起大量水滴，实现水与气体分离，这些水滴汇集后排出。

这里，为了保证测量条件的一致性，要求进行水气分离时地下水连续流动要保持稳定，例如地下水的流量是6升/分钟。另外，采用垂直自由落体运动的高度范围是0.4米-1.0米。而将落水溅落到高出水面的溅水台的目的是为了水气分离充分，溅落而成的水滴越多越小，越有利于地下水中氢气的溢出。采用这种水气分离方法可以测量的最小氢气浓度含量是0.1ppm。

针对静水位观测井水，例如地下多处汇集在一起的静态井水，连续从地下水中分离出水中所含氢气的方法是：该地下水位于地井中，向该地井的水中连续鼓入气泡，这些气泡进入地下水后向上漂浮，同时附带地下水中所含气体一起溢出，实现水与气体分离。

这里，为了保证测量条件的一致性，要求向地井水中连续均匀鼓入气泡的气压范围是50Pa-500Pa。气压越高鼓入的气泡越多越快，越有利于井水中溶入的氢气溢出，但气泡太多也会带来氢气浓度的下降。因此，对地井中连接鼓入气泡要进行合理控制，保持气泡在2-5个/秒，气泡平均直径为0.001-0.005米。采用这种水气分离方法可以测量的最小氢气浓度含量是0.1ppm。

感应检测S102，在感应检测室内，气体通过感应膜时仅有氢气被感应检测室，通过流经该感应膜的电流信号，进一步得到与所感应的氢气浓度成对应比例的电压信号。

信号转换S103，将所述电压信号经过放大器放大后，再进行模数转换，得到反映氢气含量的数字信号。

这里，需要将电压信号经过放大器的放大后才有利于线路上进行传输。经过放大器放大后的电压范围是±2V。经过模数转换得到数字信号，这样便于进行数字化的传输和处理，有利于在计算机网络上进行传输、存储及显示分析等。

显示处理S104，对该数字信号进行显示、传输、存储以及分析处理，用以说明氢气含量的动态变化情况。

该步骤属于人机交互处理，目的是提供氢气含量变化的当前及历史状态信息，通过对氢气含量变化情况进行分析，进一步为地震预测分析提供依据。

图1所示地下氢气监测方法实施例提供了监测地下水中氢气含量的方法，对地下水中气体进行水气分离的方法适用于动态地下水和静态地下水，并且水气分离时采用水流溅落到溅水台、向地下水中鼓入气泡的技术手段能够保证最大限度的分离出氢气。以上这些方法措施从整体上确保了能够对地下水中低浓度含量的氢气也能进行检测，提高了检测的精度，并具有很好的稳定性和适应性。

基于图1所示用于地震前兆监测的地下氢气监测方法实施例的同一构思，图2是本实用新型用于地震前兆监测的地下氢气监测系统一实施例的组成图。图2中包括集气装置21、感应检测室22、供电单元23、数据采集单元24、显示处理单元25。图3是本实用新型用于地震前兆监测的地下氢气监测系统另一实施例的感应检测室构成示意图。图3所示的感应检测室22实施例为圆柱体结构，图3为其剖视示意图，主要包括进气口221、出气口222、感应膜223、隔离腔224、电缆线225。

以下结合图2和图3说明该地下氢气监测系统实施例的工作过程。这里，集气装置21的集气管道出口与感应检测室22的进气口221密闭连接，由集气装置21采集的气体进入感应检测室22后，经过感应膜223时仅有氢气能够被该感应膜223进行感应检测，该感应膜223位于感应检测室22中的隔离腔224的底部。可以看出，隔离腔224设置在感应检测室22的上部，由此将感应检测室22内部空间隔离成两部分，从进气口221进入的气体只有通过感应膜223才能通过隔离腔224上方的出气口222排出。由此保证了所含氢气能够充分被感应膜223感应检测，其他通过感应膜223的气体从感应检测室22的出气口222排出。感应膜223检测到的感应电流通过电缆线225传输给转换电路，将该电流信号进一步转化为与所感应的氢气浓度成对应比例的电压信号，该电压信号通过放大器进行放大处理传输到数据采集单元24进行模数转换形成数字信号，输出给显示处理单元25，完成数字传输、存储及显示分析等处理，显示处理单元25可以是普通计算机。图2中的供电单元23主要是对感应检测室22中感应膜223感应检测进行供电。

图3中感应检测室22的出气口222可以不连接其他装置而直接与外界空气互通，保证感应检测室22内始终处于正常气压状态。也可以将出气口222与集气装置21密闭连接，在感应检测室22与集气装置21之间形成循环通道，这样可以保证剩余气体不外泄，增强检测的准确度。由于集气装置21与外界互通，因此也保证了感应检测室22和集气装置21内为正常气压状态。

图4是本实用新型用于地震前兆监测的地下氢气监测系统另一实施例的集气装置剖视示意图。图4中，该集气装置41为底部42封闭、顶部43设置有开口管道的透明圆柱形壳体，该圆柱形壳体的顶部43为半球体，开口管道包括进水管道44，进水管道设置在所述顶部半球体的一侧，并与所述圆柱形壳体的垂直中轴线成倾斜夹角，进水管道44向下垂直延伸形成一个不接触所述圆柱形壳体底部42的出水端口46，所述集气管道45设置在所述圆柱形壳体顶部半球体的中心处，在所述圆柱形壳体的下部还设置有排水管道47。

在该圆柱形壳体底部42内侧设置有向上延伸的伞状结构溅水台48，溅水台48不接触进水管道44在圆柱形壳体内部延伸的出水端口46。增加溅水台48有利于水溅落到溅水台48后能够形成更多的小水滴，水气分离充分。另外，从图4还可以看出，该溅水台48的顶部，即呈伞状部分高于排水管道47的出口，这样能够保证该集气装置中存储的水平面始终不会高于该溅水台48的顶部，保证了从出水端口46溅落的水总是能够落到该溅水台48上。当然，除了这种伞状结构外，其他类似结构，如圆锥体、带斜切面的圆柱体等都属于本实用新型的保护范围。

图5是在图4所示本实用新型用于地震前兆监测的地下氢气监测系统实施例基础上的另一集气装置实施例示意图。其中，集气装置41至排水管道47的功能作用与图4相同，不再赘述。区别在于：开口管道还包括进气管道49，该进气管道49与进水管道44相对应设置在半球体顶部43的另一侧，并与该圆柱形壳体的垂直中轴线成倾斜夹角，该进气管道49与进水管道44在该圆柱形壳体内部汇接在一起，并且进气管道49与图3所示感应检测室实施例的出气口222密闭连接。

图4和图5所示的集气装置实施例主要应用于自流井中对动态流动的地下水进行水气分离。地下水通过进水管道44进入该集气装置41中，地下水进入进水管道44的流量可以进行控制，优选为6升/分钟，出水端口46到溅水台48顶部的高度范围是0.4米-1.0米。

图6是本实用新型用于地震前兆监测的地下氢气监测系统另一实施例的集气装置剖面示意图。与图4和图5所示集气装置实施例相比，图6所示集气装置实施例主要用于静水位观测井水。在图6中，井口501的两侧是井壁502，井口501内部是井水所到达的井水面505，这种静水位观测井中的井水主要是地下水逐渐渗透汇集而成。图6中所示的集气装置包括底部开口并且浸入地下水中的圆柱形壳体503，该圆柱形壳体503的上部口径缩小并向上延伸为气管504，该气管504伸出井水面505，在气管504的顶部设置有进气管道507和集气管道510。该进气管道507的进气端连接鼓泡装置508，进气管道507垂直向下延伸且在其出气端连接气泡分离器506，该气泡分离器506也浸入地下水中且罩入该圆柱形壳体503内，集气管道510出口与感应检测室的进气口之间密闭串接有输气软管511和气体干燥装置512，集气管道510与输气软管511的进口密闭连接，输气软管511的出口与气体干燥装置512的进口端密闭连接，气体干燥装置512的出口端为出气口513。

图6中还在进气管道507靠近鼓泡装置508处设置有流量计509，用于对鼓泡装置508产生的气体流量进行计量显示，从而可以控制鼓泡装置508产生合适的气泡。

图7是基于图6的本实用新型用于地震前兆监测的地下氢气监测系统另一实施例的集气装置剖面示意图。其中，井口501至出气口513的功能作用与图6相同，不再赘述。区别在于：在输气软管511与气体干燥装置512之间串接有用于收集该输气软管511内部水分的集水装置514。

图8是本实用新型用于地震前兆监测的地下氢气监测系统另一实施例的集气装置示意图。其中，进水管道81是沿水平方向设置开口82，经方向转换后在竖直方向延伸且管道口径渐缩，直至形成最小口径为1毫米的出口83，以致在出口83形成高压水流流出的效果。优选的，该出口83的口径范围为1毫米至5毫米。出口83的下方设置圆柱型集水腔体84，该集水腔体84底部沿水平方向延伸并设置出水口85，在靠近出水口85端，由集水腔体84底部向上延伸为一个与集水腔体84相隔离的集气腔86，在该集气腔86上部渐缩为一个集气管道87，通过该集气管道87的出口88可与感应检测室的进气口密闭连接。

基于以上实施例，本实用新型提供的地下氢气监测系统包括集气装置、感应检测室、数据采集单元、显示处理单元。使用该氢气监测系统能够实现对动态和静态地下水进行连续稳定的水气分离，有效提取地下水中所含气体，然后在感应检测室内通过感应膜感应检测氢气，将氢气变化量转换为电流的变化量，进而转化为电压信号来监测氢气的浓度变化。该系统稳定可靠、对地下水中氢气的监测精度高、并且适用于不同的地下水环境。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于地震前兆监测的地下氢气监测系统，包括用于采集地下水中所含气体的集气装置，其特征在于，所述集气装置的集气管道出口与感应检测室的进气口密闭连接，经过水气分离后的气体进入所述感应检测室后，经过感应膜时仅有所含氢气被感应检测，得到检测感应电流，所述检测感应电流进一步转化为与所感应的氢气浓度成对应比例的电压信号，未被感应膜感应的气体从所述感应检测室的出气口排出，所述电压信号再经过放大器稳定放大后，通过电缆线传输到数据采集单元进行模数转换形成数字信号，再输出到显示处理单元进行显示、存储以及分析处理。

2.根据权利要求1所述的用于地震前兆监测的地下氢气监测系统，其特征在于，所述集气装置为底部封闭、顶部设置有开口管道的透明圆柱形壳体，所述圆柱形壳体的顶部为半球体，所述开口管道包括进水管道，所述进水管道设置在所述顶部半球体的一侧，并与所述圆柱形壳体的垂直中轴线成倾斜夹角，所述进水管道向下垂直延伸形成一个出水端口，所述集气管道设置在所述圆柱形壳体顶部半球体的中心处，在所述圆柱形壳体的下部设置有排水管道，在所述圆柱形壳体底部内侧还设置有向上延伸且高于所述排水管道出口的溅水台，所述溅水台不接触所述出水端口。

3.根据权利要求2所述的用于地震前兆监测的地下氢气监测系统，其特征在于，所述开口管道还包括进气管道，所述进气管道与所述进水管道相对应设置在所述半球体的另一侧，并与所述圆柱形壳体的垂直中轴线成倾斜夹角，所述进水管道与进气管道在所述圆柱形壳体内部汇接在一起，所述进气管道与所述感应检测室的出气口密闭连接。

4.根据权利要求1所述的用于地震前兆监测的地下氢气监测系统，其特征在于，所述集气装置包括底部开口并且浸入地下水中的圆柱形壳体，所述圆柱形壳体的上部口径缩小并向上延伸为气管，所述气管伸出地下水平面，在所述气管的顶部设置有进气管道和集气管道，所述进气管道的进气端连接鼓泡装置，所述进气管道垂直向下延伸且在其出气端连接气泡分离器，所述气泡分离器也浸入地下水中且罩入在所述圆柱形壳体内。

5.根据权利要求4所述的用于地震前兆监测的地下氢气监测系统，其特征在于，所述集气管道出口与所述感应检测室的进气口之间密闭串接有输气软管和气体干燥装置。

6.根据权利要求5所述的用于地震前兆监测的地下氢气监测系统，其特征在于，在所述输气软管和气体干燥装置之间还串接有用于收集所述输气软管内部水分的集水装置。

7.根据权利要求1所述的用于地震前兆监测的地下氢气监测系统，其特征在于，所述集气装置的进水管道沿水平方向设置开口，经方向转换后沿竖直方向延伸且管道口径渐缩，直至形成最小口径为1毫米的出口，在所述出口的下方设置有圆柱型集水腔体，所述集水腔体底部沿水平方向延伸并设置出水口，在靠近所述出水口端，由所述集水腔体底部向上延伸为一个与所述集水腔体相隔离的集气腔，在所述集气腔上部渐缩为一个集气管道。