CN211825664U - 一种常压下测定水中甲烷和二氧化碳的系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种常压下测定水中甲烷和二氧化碳的系统。一种常压下测定水中甲烷和二氧化碳的系统，包括水气分离装置、CRDS分析装置、载气装置和标定装置；水气分离装置用于分离待测水样中的气体；水气分离装置通过第一管路与CRDS分析装置连通；标定装置通过第二管路与CRDS分析装置连通，用于标定CRDS分析装置；载气装置通过第三管路与水气分离装置连通，载气装置通过第四管路与CRDS分析装置连通。一种常压下测定水中甲烷和二氧化碳的系统，具有耗时短、灵敏度高、操作简单、检测准确率和精确性高，且受外界干扰较小，可广泛应用于野外和实验室观测，对观测甲烷和二氧化碳的分布以及其通量的计算具有重要意义。
Description
技术领域
本实用新型涉及气体检测技术领域，尤其涉及一种常压下测定水中甲烷和二氧化碳的系统。
背景技术
大气中温室气体甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)的浓度已经增加到过去80 万年来无法相比的水平。尽管大气中CH4的浓度比CO2低约200倍，但在每分子基础上CH4在100年时间范围内对地球变暖的效力是二氧化碳的23倍 (Wuebbles,D.J et al.,2002)。自20世纪50年代以来，评估温室气体(如CH4和CO2)对大气、海洋、湖泊、海冰和冰川的影响一直是气候研究的首要任务。然而，水生系统中溶解CH4的本地和全球量化以及海洋、湖沼和河流系统中大气总排放量非常复杂，且存在很大的不确定性。因此，对水体中甲烷和二氧化碳的高精度检测是获得水体甲烷和二氧化碳通量变化的主要手段。
现有技术中，同时在水系统中测得溶解的CH4和CO2数据是基于喷雾室法，其仅适用于长期测量，因为其基于水和分析顶空之间的气体平衡，导致测量时间为几分钟到几小时。目前，国内对于水下溶解CH4和CO2的探测分析主要包括原位激光拉曼光谱仪和基于减压和膜脱气的色谱仪，前者可以用于多种气体的检测，但不适用于痕量气体检测；后者利用多孔氧化物结合色谱柱分离，用于溶解烃类气体检测，测试过程复杂。
实用新型内容
本实用新型的目的在于，针对现有的上述不足，提出一种操作简便、可靠性高、测试精度高的常压下测定水中甲烷和二氧化碳的系统。
本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种常压下测定水中甲烷和二氧化碳的系统，包括水气分离装置、CRDS 分析装置、载气装置和标定装置；所述水气分离装置用于分离待测水样中的气体；所述水气分离装置通过第一管路与所述CRDS分析装置连通；所述标定装置通过第二管路与所述CRDS分析装置连通；所述载气装置通过第三管路与所述水气分离装置连通，所述载气装置通过第四管路与所述CRDS分析装置连通。
优选的，所述水气分离装置包括水气分离器和气体干燥器；所述气体干燥器的进气端通过管路与所述水气分离器的出气端连通，其出气端通过所述第一管路与所述CRDS分析装置连通，所述第一管路上设有打开或关闭其的第一阀门。
优选的，所述水气分离装置还包括水泵，所述水泵通过进水管路与所述水气分离器的进水端连通，所述进水管路上依次设有过滤器、限流阀、流量检测器、压力传感器和温度传感器，且所述限流阀位于所述过滤器与所述水气分离器之间的管路段上。
优选的，所述载气装置包括载气瓶，所述载气瓶通过所述第三管路与所述水气分离器的进气端连通，所述载气瓶通过所述第四管路与所述CRDS分析装置连通，所述第三管路上设有打开或关闭其的第三阀门，所述第四管路上设有打开或关闭其的第四阀门。
优选的，所述标定装置包括标气瓶、氮气瓶和配气机构，所述标气瓶和氮气瓶分别通过管路与所述配气机构连通，所述配气机构的出气端通过所述第二管路与所述CRDS分析装置连通，所述第二管路上设有打开或关闭其的第二阀门。
优选的，所述CRDS分析装置包括真空泵和光腔衰荡光谱检测仪；所述光腔衰荡光谱检测仪的出气端与所述真空泵的进气端连通，其进气端分别与所述第一管路、第二管路和第四管路连通。
优选的，所述第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门均为电磁阀。
优选的，所述系统还包括控制器，所述控制器分别与所述第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、压力传感器和温度传感器电连接。
优选的，所述控制器包括数据检测模块、顺序控制模块、时间控制模块和阀门控制模块；所述顺序控制模块分别与所述时间控制模块和阀门控制模块电连接；所述数据检测模块分别与所述压力传感器和温度传感器电连接；所述阀门控制模块分别与所述第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门电连接。
本实用新型提供一种常压下测定水中甲烷和二氧化碳的系统的具体操作步骤如下：
S1.进样阶段：开启所述水泵，使待测水样通过所述进水管路流入并充满所述水气分离器；
S2.气体检测阶段：开启所述真空泵，开启所述第一阀门和第三阀门，关闭所述第二阀门和第四阀门，利用载气将所述水气分离器分离出的气体运输至所述CRDS分析装置进行气体检测；
S3.清洗阶段：气体检测过程结束后，开启所述第四阀门，关闭所述第一阀门、第二阀门和第三阀门，利用载气清洗所述CRDS分析装置；
S4.仪器校正阶段：设定所述配气机构中的标气达到目标标气浓度，打开所述第二阀门，关闭所述第一阀门、第三阀门和第四阀门，使用目标标气浓度的标气对所述CRDS分析装置进行标定，标定结束后，重复步骤S3，利用载气清洗所述CRDS分析装置。
本实用新型的一种常压下测定水中甲烷和二氧化碳的系统，该系统通过将水气分离装置与CRDS分析装置相结合，提高了检测精度，降低了人力物力消耗，且检测过程受外界干扰较小；通过载气装置将水气分离装置分离出的气体载入CRDS分析装置，能够减少平衡时间，缩短CRDS分析装置的检测时间；并且载气装置能够清洗水气分离装置和CRDS分析装置，避免残留气体影响对其他样品的分析；标定装置能够及时标定CRDS分析装置，确保检测的准确率和精确性。本实用新型提供的常压下测定水体中溶解甲烷和二氧化碳的系统具有耗时短、灵敏度高、操作简单等特点，可广泛应用于野外，也可应用于实验室观测，对观测甲烷和二氧化碳的分布以及对甲烷二氧化碳通量的计算具有重要意义。
附图说明
图1为本实用新型的一种常压下测定水中甲烷和二氧化碳的系统的整体结构示意图；
图2为本实用新型的一种常压下测定水中甲烷和二氧化碳的系统的控制原理图。
图中标记说明：
1、水气分离装置；11、水气分离器；12、气体干燥器；13、水泵；14、进水管路；15、过滤器；16、限流阀；17、流量检测器；18、压力传感器；19、温度传感器；2、CRDS分析装置；21、真空泵；22、光腔衰荡光谱检测仪；3、载气装置；31、载气瓶；32、第三管路；33、第四管路；4、标定装置；41、标气瓶；42、氮气瓶；43、配气机构；44、第二管路；5、第一阀门；6、第二阀门；7、控制器；71、数据检测模块；72、顺序控制模块；73、时间控制模块； 74、阀门控制模块；8、第三阀门；9、第四阀门；10、第一管路。
具体实施方式
以下是本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的描述，但本实用新型并不限于这些实施例。
实施例1
如图1所示，本实用新型的一种常压下测定水中甲烷和二氧化碳的系统，包括水气分离装置1、CRDS分析装置2、载气装置3和标定装置4；水气分离装置1用于分离待测水样中的气体；水气分离装置1通过第一管路10与CRDS 分析装置2连通；标定装置4通过第二管路44与CRDS分析装置2连通，用于标定CRDS分析装置2；载气装置3通过第三管路32与水气分离装置1连通，载气装置3通过第四管路33与CRDS分析装置2连通，载气装置3用于将水气分离装置1分离出的气体载入CRDS分析装置2，和用于清洗水气分离装置1 和CRDS分析装置2。
本实用新型的一种常压下测定水中甲烷和二氧化碳的系统，该系统通过将水气分离装置1与CRDS分析装置2相结合，提高了检测精度，降低了人力物力消耗，且检测过程受外界干扰较小；通过载气装置3将水气分离装置1分离出的气体载入CRDS分析装置2，能够减少平衡时间，缩短CRDS分析装置2 的检测时间；并且载气装置3能够清洗水气分离装置1和CRDS分析装置2，避免残留气体影响对其他样品的分析；标定装置4能够及时标定CRDS分析装置2，确保检测的准确率和精确性。本实用新型提供的常压下测定水体中溶解甲烷和二氧化碳的系统具有耗时短、灵敏度高、操作简单等特点，可广泛应用于野外，也可应用于实验室观测，对观测甲烷和二氧化碳的分布以及对甲烷二氧化碳通量的计算具有重要意义。
水气分离装置1的结构有多种，在这里不作限定，本实施例中，水气分离装置1可以包括水气分离器11和气体干燥器12；其中，水气分离器11的结构有多种，在这里不作限定，本实施例中，水气分离器11包括水气分离膜组件和储气腔，储气腔位于水气分离膜组件外周，用于收集储存所述水气分离膜组件分离出来的气体；水气分离膜组件使用的膜的类型有多种，在这里不作限定，本实施例中，可以使用聚丙烯膜，水气分离效果好；气体干燥器12的进气端可以通过管路与水气分离器11的出气端连通，其出气端可以通过第一管路10与CRDS分析装置2连通，使得气体在进入CRDS分析装置2前被充分干燥，提高气体测试的准确度，气体干燥器12的类型可以有多种，在这里不作限定，本实施例中，可以使用Nafion管，其吸水效率高、效果好；第一管路10上可以设有打开或关闭其的第一阀门5。
水气分离装置1还可以包括水泵13，水泵13可以通过进水管路14与水气分离器11的进水端连通，进水管路14上可以依次设有过滤器15、限流阀16、流量检测器17、压力传感器18和温度传感器19，且限流阀16位于过滤器15 与水气分离器11之间的管路段上；过滤器15用于过滤待测水样中的杂质，避免堵塞进水管路14和保护水气分离器11不受损害；限流阀16用于调节进水管路14的流量，避免水流速过大造成对水气分离器11内膜组件的损坏，流量检测器17用于检测水的流速，压力传感器18可以用于检测进水管路14内的水流压力，能够反映出进水管道内部是否产生堵塞；温度传感器19用于检测待测水样的温度，可用作后续测试结束后计算水体中气体的溶解度的依据。
载气装置3可以包括载气瓶31，载气瓶31可以通过第三管路32与水气分离器11的进气端连通，载气瓶31中的载气可以通过第三管路32进入水气分离器11，可以加快水气分离器11中的气体排出的速度；载气瓶31可以通过第四管路33与CRDS分析装置2连通，使得载气可以通过第四管路33进入CRDS 分析装置2，达到清洗CRDS分析装置2的目的；第三管路32上可以设有打开或关闭其的第三阀门8；第四管路33上可以设有打开或关闭其的第四阀门9；载气瓶31中的载气可以有多种，在这里不作限定，本实用新型实施例中可以使用氮气作为载气。
标定装置4可以包括标气瓶41、氮气瓶42和配气机构43，标气瓶41和氮气瓶42分别通过管路与配气机构43连通，标气瓶41和氮气瓶42中的气体进入配气机构43中，标气瓶41中的已知浓度的标气被氮气瓶中的氮气的稀释，在配气机构43达到多种不同设定浓度的目标标气，配气机构43的出气端通过第二管路44与CRDS分析装置2连通，目标标气通过第二管路44进入CRDS 分析装置2，可以实现多种不同浓度的目标标气来标定CRDS分析装置2，提高CRDS分析装置2的检测精度，第二管路44上可以设有打开或关闭其的第二阀门6；其中配气机构43可以为市场上可以购买到的配气仪，其型号有多种，在这里不做限定，本实用新型实施例中可以使用型号为GW-5000的四通道高精度配气仪。
CRDS分析装置2可以包括真空泵21和光腔衰荡光谱检测仪22；光腔衰荡光谱检测仪22的出气端可以与真空泵21的进气端连通，其进气端可以分别与第一管路10、第二管路44和第四管路33连通；通过真空泵21可以为水气分离器11内的膜组件外侧提供负压，膜组件在负压条件下，可以分离出溶解在待测水样中的气体，同时真空泵21能够为光腔衰荡光谱检测仪22提供负压，使得分离出的气体加速进入CRDS分析装置2，能够节省检测的时间。
本实用新型提供一种常压下测定水中甲烷和二氧化碳的系统的具体操作步骤如下：
S1.进样阶段：开启水泵13，调节限流阀16，使进水管路14上的水流速度稳定在设定流速值，使待测水样通过进水管路14流入并充满水气分离器11；
S2.气体检测阶段：开启真空泵21，开启第一阀门5和第三阀门8，关闭第二阀门6和第四阀门9，利用载气将水气分离器11分离出的气体运输至CRDS 分析装置2进行气体检测；
S3.清洗阶段：气体检测过程结束后，开启第四阀门9，关闭第一阀门5、第二阀门6和第三阀门8，利用载气清洗所述CRDS分析装置2；
S4.仪器校正阶段：设定配气机构43中的标气达到目标标气浓度，打开第二阀门6，关闭第一阀门5、第三阀门8和第四阀门9，使用目标标气浓度的标气对CRDS分析装置2进行标定，标定结束后，重复步骤S3，利用载气清洗所述 CRDS分析装置2。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于，为实现气体自动检测功能，本实施例中涉及的所有的阀门5均可以为电磁阀。
如图2所示，本实施例还可以包括控制器7，控制器7可以分别与第一阀门 5、第二阀门6、第三阀门8、第四阀门9、压力传感器18和温度传感器19电连接。
本实施例的控制器7可以包括数据检测模块71、顺序控制模块72、时间控制模块73和阀门控制模块74；顺序控制模块72分别与时间控制模块73和阀门控制模块74电连接；数据检测模块71分别与压力传感器18和温度传感器19 电连接；阀门控制模块74分别与第一阀门5、第二阀门6、第三阀门8和第四阀门9电连接。
本实用新型提供一种常压下测定水中甲烷和二氧化碳的系统，通过设定好每个步骤阀门开启或关闭的顺序以及持续时间，压力传感器18和温度传感器19 将检测到的压力值和温度值发送给数据检测模块71，具体操作步骤如下：
S1.进样阶段：开启水泵13，使待测水样通过进水管路14流入并充满水气分离器11；
S2.气体检测阶段：手动开启真空泵21，顺序控制模块72发指令给阀门控制模块74，阀门控制模块74打开第一阀门5和第三阀门8；关闭第二阀门6和第四阀门9，时间控制模块73开始计时，利用载气将分离出的气体运输至CRDS 分析装置2进行气体检测；
S3.清洗阶段：计时达到t1时，t1可以为10min，气体检测过程结束，时间控制模块73发指令给顺序控制模块72，顺序控制模块72发指令给阀门控制模块74，阀门控制模块74关闭第一阀门5和第三阀门8，打开第四阀门9；利用载气瓶31中的载气清洗CRDS分析装置2；
S4.仪器校正阶段：事先设定好配气机构43的达到目标标气浓度，计时达到 t2时，t2可以为12min，时间控制模块73发指令给顺序控制模块72，顺序控制模块72发指令给阀门控制模块74，阀门控制模块74关闭第四阀门9，打开第二阀门6，使用目标标气浓度的标气对CRDS分析装置2进行标定，计时达到t3 时，t3可以为13min，标定过程结束；时间控制模块73发指令给顺序控制模块 72，顺序控制模块72发指令给阀门控制模块74，阀门控制模块74关闭第二阀门6，打开第四阀门9，利用载气清洗CRDS分析装置2。
其中压力传感器18和温度传感器19均可以为市场上可以购买到的传感器，其型号有多种，在这里不做限定，本实用新型实施例中可以使用型号为MIK-P300 的压力传感器，型号为HSTL-103的温度传感器；控制器7可以为市场上可以购买到的控制器7，其型号有多种，在这里不做限定，本实用新型实施例中可以使用型号为FX1S的控制器。
以上未涉及之处，适用于现有技术。
虽然已经通过示例对本实用新型的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本实用新型的范围，本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例来做出各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的方向或者超越所附权利要求书所定义的范围。本领域的技术人员应该理解，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围。
Claims (9)
1.一种常压下测定水中甲烷和二氧化碳的系统，其特征在于，包括水气分离装置(1)、CRDS分析装置(2)、载气装置(3)和标定装置(4)；所述水气分离装置(1)用于分离待测水样中的气体；所述水气分离装置(1)通过第一管路(10)与所述CRDS分析装置(2)连通；所述标定装置(4)通过第二管路(44)与所述CRDS分析装置(2)连通；所述载气装置(3)通过第三管路(32)与所述水气分离装置(1)连通，所述载气装置(3)通过第四管路(33)与所述CRDS分析装置(2)连通。
2.如权利要求1所述的一种常压下测定水中甲烷和二氧化碳的系统，其特征在于，所述水气分离装置(1)包括水气分离器(11)和气体干燥器(12)；所述气体干燥器(12)的进气端通过管路与所述水气分离器(11)的出气端连通，其出气端通过所述第一管路(10)与所述CRDS分析装置(2)连通，所述第一管路(10)上设有打开或关闭其的第一阀门(5)。
3.如权利要求2所述的一种常压下测定水中甲烷和二氧化碳的系统，其特征在于，所述水气分离装置(1)还包括水泵(13)，所述水泵(13)通过进水管路(14)与所述水气分离器(11)的进水端连通，所述进水管路(14)上依次设有过滤器(15)、限流阀(16)、流量检测器(17)、压力传感器(18)和温度传感器(19)，且所述限流阀(16)位于所述过滤器(15)与所述水气分离器(11)之间的管路段上。
4.如权利要求3所述的一种常压下测定水中甲烷和二氧化碳的系统，其特征在于，所述载气装置(3)包括载气瓶(31)，所述载气瓶(31)通过所述第三管路(32)与所述水气分离器(11)的进气端连通，所述载气瓶(31)通过所述第四管路(33)与所述CRDS分析装置(2)连通，所述第三管路(32)上设有打开或关闭其的第三阀门(8)，所述第四管路(33)上设有打开或关闭其的第四阀门(9)。
5.如权利要求4所述的一种常压下测定水中甲烷和二氧化碳的系统，其特征在于，所述标定装置(4)包括标气瓶(41)、氮气瓶(42)和配气机构(43)，所述标气瓶(41)和氮气瓶(42)分别通过管路与所述配气机构(43)连通，所述配气机构(43)的出气端通过所述第二管路(44)与所述CRDS分析装置(2)连通，所述第二管路(44)上设有打开或关闭其的第二阀门(6)。
6.如权利要求5所述的一种常压下测定水中甲烷和二氧化碳的系统，其特征在于，所述CRDS分析装置(2)包括真空泵(21)和光腔衰荡光谱检测仪(22)；所述光腔衰荡光谱检测仪(22)的出气端与所述真空泵(21)的进气端连通，其进气端分别与所述第一管路(10)、第二管路(44)和第四管路(33)连通。
7.如权利要求6所述的一种常压下测定水中甲烷和二氧化碳的系统，其特征在于，所述第一阀门(5)、第二阀门(6)、第三阀门(8)和第四阀门(9)均为电磁阀。
8.如权利要求7所述的一种常压下测定水中甲烷和二氧化碳的系统，其特征在于，还包括控制器(7)，所述控制器(7)分别与所述第一阀门(5)、第二阀门(6)、第三阀门(8)、第四阀门(9)、压力传感器(18)和温度传感器(19)电连接。
9.如权利要求8所述的一种常压下测定水中甲烷和二氧化碳的系统，其特征在于，所述控制器(7)包括数据检测模块(71)、顺序控制模块(72)、时间控制模块(73)和阀门控制模块(74)；所述顺序控制模块(72)分别与所述时间控制模块(73)和阀门控制模块(74)电连接；所述数据检测模块(71)分别与所述压力传感器(18)和温度传感器(19)电连接；所述阀门控制模块(74)分别与所述第一阀门(5)、第二阀门(6)、第三阀门(8)和第四阀门(9)电连接。
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|---|---|---|---|---|
| CN114839318A (zh) * | 2022-03-01 | 2022-08-02 | 中国海洋大学 | 适用于高压海水水下作业的高效脱气检测系统 |
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2020
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