CN215493382U - 一种气体光学检测装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种气体光学检测装置，涉及气体检测装置的技术领域，其包括：脱气器、空心光纤、光源、探测器、抽气泵和恒温系统，光源和探测器分别设置于空心光纤的两端，经脱气器分离出来的被测气体自空心光纤的一端流入，从空心光纤的另一端流出，光源发出红外光，红外光穿过空心光纤后由探测器接收，抽气泵与空心光纤连通，用于驱动被测气体穿过空心光纤，恒温系统用于调节探测器的工作温度在预设范围内。本申请具有提高气体检测便利性的效果。

Description

一种气体光学检测装置

技术领域

本申请涉及气体检测装置的技术领域，尤其是涉及一种气体光学检测装置。

背景技术

油气勘探是指为了识别勘探区域，探明油气储量而进行的地质调查、地球物理勘探、钻探及相关活动，是油气开采的第一个关键环节；通过对上返钻井液中所携带的气体的分析，得到烃组分和非烃类气体组分的含量，据此进行储层油气的识别。

在相关技术中，气相色谱装置包括恒温箱、色谱柱、分析气路、探测器和控制板，钻井液脱气器负责把泥浆中的气体脱离出来，经过远距离传输把被测气体送至气相色谱装置内，气相色谱装置通过色谱柱把各单个组分气体分离开，然后各组分逐一进入探测器转换成可供分析的电信号。

针对上述中的相关技术，发明人认为存在以下缺陷：相关技术中的色相色谱装置在检测过程中要求使用助燃气、可燃气、载气等辅助设备，比如空压机、氢气发生器、氮气发生器等，操作过程较为繁琐，不便于工作人员操作。

实用新型内容

为了提高气体检测便利性，本申请提供一种气体光学检测装置。

本申请提供的一种气体光学检测装置采用如下的技术方案：

一种气体光学检测装置，包括：脱气器、空心光纤、光源、探测器、抽气泵和恒温系统，光源和探测器分别设置于空心光纤的两端，经脱气器分离出来的被测气体自空心光纤的一端流入，从空心光纤的另一端流出，光源发出红外光，所述红外光穿过空心光纤后由探测器接收，抽气泵与空心光纤连通，用于驱动被测气体穿过空心光纤，恒温系统用于调节探测器的工作温度在预设范围内。

通过采用上述技术方案，通过脱气器将被测气体分离出来，被测气体通过抽气泵导入空心光纤，空心光纤中的被测气体吸收红外光，被测气体中各组分对应的波长不同，各波长的吸收率和被测气体中对应的不同组分的浓度之间遵循朗伯比尔定律(Lambert-Beerlaw)，通过探测器以朗伯比尔定律(Lambert-Beer law)实现对位于空心光纤内气体组分的检测，不需要增加其他附加设备，通过探测器对接收的红外光进行分析，即可得到被测气体中的气体组分；气体检测装置的工作环境复杂，所在环境温差较大，温度的变化会造成探测器测量信号漂移，而恒温系统使探测器的工作温度在预设范围内，提高了探测器在复杂工况下的测量精度。

可选的，所述恒温系统包括：

半导体制冷器，根据通过电流方向改变其自身两面热量的传递方向；

温度检测单元，用于检测外界温度并输出当前温度信号；

温度控制单元，用于将当前温度信号与预设的基准温度信号进行比较，若当前温度信号大于基准温度信号，则输出降温信号；若当前温度信号小于基准温度信号，则输出升温信号；

动作单元，响应于降温信号并控制第一电流流经半导体制冷器，响应于升温信号并控制第二电流流经半导体制冷器，且所述第一电流流经半导体制冷器时半导体制冷器制冷，所述第二电流流经半导体制冷器时半导体制冷器制热。

通过采用上述技术方案，通过检测探测器工作的外界环境的温度，并根据外界环境温度与预设基准温度信号对应的温度之间的差值，控制半导体制冷器制冷或者制热，以使得当前温度信号与基准温度信号相等，实现了使探测器工作于设定的恒温条件下的功能，提高了探测器在复杂工况下的工作稳定性。

可选的，所述恒温系统还包括指示单元，所述指示单元包括第一指示灯LED-1和第二指示灯LED-2，第一指示灯LED-1响应于降温信号并指示，所述第二指示灯LED-2响应于升温信号并指示。

通过采用上述技术方案，在半导体制冷器制冷/制热的调温过程中，通过第一指示灯LED-1/第二指示灯LED-2指示，便于工作人员了解恒温系统的工作状态。

可选的，脱气器与空心光纤的进气端之间连接有干燥管，干燥管外侧设置有外壳，干燥管为渗水管，外壳上开设有出气口和进气口，出气口连接于抽气泵。

通过采用上述技术方案，被测气体经过干燥管时，被测气体中的水蒸汽穿过干燥管进入到干燥管与外壳之间的空间内，并在抽气泵的驱动作用下溢出外壳，实现对外壳内水蒸气的吹扫，使干燥的气体进入到空心光纤内，以降低水蒸气对检测精度的影响。

可选的，所述抽气泵的排气端连接有节流阀，所述节流阀为三通阀，节流阀的第一端连接于抽气泵的排气端，节流阀的第二端连接于大气，节流阀的第三端连接有质量流量控制器，所述质量流量控制器与脱气器连接。

通过采用上述技术方案，送入检测气体时，抽气泵将外部气体从进气口抽入，一部分外界空气对渗水管渗出的水蒸气进行吹扫后进入到节流阀，气体由节流阀的第二端排放到外界环境；另一部分气体由节流阀的第三端进入脱气器，用于驱动脱气器内的气体进入空心光纤，由于采用单一的抽气泵，不但实现了吹扫气的驱动，同时也实现了将被测气体的气路驱动，减少了辅助设备的数量，降低了施工成本和生产成本。

可选的，脱气器设置为由气液分离半透膜闭合而成的气液分离腔。

通过采用上述技术方案，由于采用气液分离半透膜实现将钻井液中的气体进行分离，相比于现有的气液搅拌分离机构，其结构简便，使用方便，降低了设备的安装和使用成本。

可选的，空心光纤靠近光源的一端连通有扩口器，空心光纤与探测器之间设置有聚光镜。

通过采用上述技术方案，由于光源发出的红外光对准扩口器，因此可减少光源与空心光纤之间校准的步骤，省去了校准装置，穿过空心光纤的中红外光再通过聚光镜会聚，减少了光传输至探测器的过程中的传输损耗，简化了工作人员操作的便利性且提高了气相色谱装置的抗震性。

附图说明

图1是本申请实施例的整体结构示意图；

图2是恒温系统的示意图；

图3是本申请实施例二的整体结构示意图。

附图标记说明：1、脱气器；2、空心光纤；21、扩口器；22、聚光镜；3、光源；4、探测器；5、抽气泵；6、恒温系统；61、半导体制冷器；62、温度检测单元；63、温度控制单元；64、动作单元；65、指示单元；7、干燥管；71、外壳；711、进气口；712、出气口；8、节流阀；81、质量流量控制器；82、干燥系统。

具体实施方式

以下结合附图对本申请作进一步详细说明。

目前有很多可以检测气体浓度的手段，其中NDIR原理（非分散红外技术）具有独特的优势，非色散红外分析技术利用了不同气体分子对特定波长辐射光具有差异性吸收的特性，以特定光源3、特定光程检测池和光谱探测系统为平台，测量待测样品的吸收光谱信息，并应用数学分析技术获取被测气体中的特征光谱信息，进而识别被测气体类别及其含量；在不需要探测极其微小变化的场合，利用NDIR原理设计的装置可以使用在检测仪器仪表上，或者个人安全防护相关的有害气体报警装置上。

本申请实施例公开一种气体光学检测装置。参照图1，气体检测装置包括空心光纤2、光源3、探测器4和抽气泵5，空心光纤2安装在光源3与探测器4之间；在抽气泵5的驱动作用下，被测气体自空心光纤2的一端流入，由空心光纤2的另一端流出；光源3发出红外光，所述红外光穿过空心光纤2，探测器4用于接收穿过空心光纤2的红外光，探测器4接收并分析红外光以获得气体成分。

上述气相色谱装置的工作原理为：由于分子振动激励，许多气体对红外辐射都有吸收，这一红外吸收的特征波长和气体种类有关，并且分子浓度越高，吸收越强烈，因此可以通过红外吸收光谱来分辨出气体的种类和浓度；光谱吸收测量法是基于分子振动和转动吸收谱与光源3发光光谱间的光谱一致性，每一种气体都有固有的吸收光谱，当光通过某种介质时，如果光源3的发射谱与气体的吸收谱相吻合，就会发生共振吸收，传播情况发生衰减，其吸收强度与该气体的浓度有关，通过测量光谱的吸收强度就可测量气体的浓度；通过探测器4对位于空心光纤2内气体组分进行分析，不需要增加其他附加设备，提高了气体检测的便利性。

现有气测录井技术所使用的烃类气体来源主要是使用电动脱气器分离钻井液中的烃类组份，将其混入空气送入气相色谱检测，传统的电动脱气器体积和重量都很大，需专门的安装位置用于安装，使用大功率电机驱动，使用和维护都不方便，不能满足沉浸式、传感器化的要求。本申请实施例采用的脱气器1为由气液分离半透膜闭合而成的气液分离腔。半透膜对烃类组份具有一定的分离选择性，可以直接插入钻井液进行油气分离，能得到气态和常温呈液态的烃类组份，相对于电动脱气器具有受影响因素少，相比于现有的气液搅拌分离机构，其结构简便，使用方便，降低了设备的安装和使用成本。

选择气体吸收的气室通常采用怀特池，根据朗伯比尔吸收定律可知，气体对光的吸收（即吸光度）跟仪器光路中的光程成正比关系，光程长度越长，气体对光线的吸收越强，要及时检测较低浓度的被测气体，必须保证气体的吸收强度大，光程必须足够长，为了衡量样品流量与检测速度之间的关系，本申请采用空心光纤2作为气室，空心光纤2可以在0.4～20μm波段实现低损耗特性，波长范围覆盖了几乎所有常见的有机气体的吸收峰,可以满足绝大多数气体的监测需求；同时，空心光纤2体积小能够很容易集成到仪器中，在使用中把空心光纤2绕成多圈结构，减小占用体积。

光源3经过空心光纤2，由于反射会造成衰减效应，因此光源3必须有足够的输出功率才能保证探测信号强度，本申请实施例采用的光源3包括但不限于：红外发光二极管、量子级联红外激光器和热辐射红外光源三种。

参照图1，由于被测气体从气、液混合物中提取出来，所以被测气体中可能会含有水蒸气，而含有水蒸汽的被测气体可能会对检测精度造成影响，因此本申请实施例设置在脱气器1与空心光纤2的进气端之间连接有干燥管7，干燥管7外侧设置有外壳71，干燥管7为渗水管，外壳71上开设有出气口712和进气口711，出气口712连接于抽气泵5；所述进气口711连接有干燥系统82，干燥系统82包括采用与进气口711连通的硅胶筒以及填充在硅胶筒内的干燥剂；抽气泵5的排气端连接有节流阀8，所述节流阀8为三通阀，节流阀8的第一端连接于抽气泵5的排气端，节流阀8的第二端连接于大气，节流阀8的第三端连接有质量流量控制器81，所述质量流量控制器81与脱气器1连接。

送入检测气体时，抽气泵5将外部气体从进气口711抽入，一部分外界空气对渗水管渗出的水蒸气进行吹扫后进入到节流阀8，气体由节流阀8的第二端排放到外界环境；另一部分气体由节流阀8的第三端进入脱气器1，用于驱动脱气器1内的气体流入空心光纤2，由于采用单一的抽气泵5，不但实现了吹扫气的驱动，同时也实现了将被测气体的气路驱动，减少了辅助设备的数量，降低了施工成本和生产成本。

探测器4的可工作温度为15℃-55℃，其光学敏感器件使用了PbSe，其灵敏度与温度成反比，测量系统稳定后，探测器4温度变化会造成测量信号漂移，无法进行气体成分及体积浓度的反演，多组分红外气体分析传感器的工作环境复杂，环境温度差最大能到70℃，为了保证探测器4的工作稳定性，本申请实施例还设置有用于对探测器4进行恒温调控的恒温系统6。

参照图2，所述恒温系统6包括：半导体制冷器61、温度检测单元62、温度控制单元63、动作单元64和指示单元65，半导体制冷器61包括制冷面和制热面，根据通过电流方向改变其自身两面热量的传递方向，温度检测单元62用于检测外界温度并输出当前温度信号，温度检测单元62为温度传感器；

参照图2，温度控制单元63用于将当前温度信号与预设的基准温度信号进行比较，若当前温度信号大于基准温度信号，则输出降温信号；若当前温度信号小于基准温度信号，则输出升温信号；

参照图2，动作单元64包括第一电源DC1、第一开关K1、第二电源DC2和第二开关K2，第一开关K1和第二开关K2均为电控开关且均为常开开关，第一开关K1和半导体制冷器61串接并由第一电源DC1供电，第一开关K1响应于降温信号闭合，使得半导体制冷器61与第一电源DC1导通，第一电流流经半导体制冷器61；第二开关K2和半导体制冷器61串接并由第二电源DC2供电，第二开关K2响应于降温信号闭合，使得半导体制冷器61与第二电源DC2导通，第二电流流经半导体制冷器61；且所述第一电流流经半导体制冷器61时半导体制冷器61制冷，所述第二电流流经半导体制冷器61时半导体制冷器61制热；所述指示单元65包括第一指示灯LED-1和第二指示灯LED-2，第一指示灯LED-1连接于第一开关K1，第一指示灯LED-1响应于降温信号并指示，第二指示灯LED-2连接于第二开关K2，所述第二指示灯LED-2响应于升温信号并指示。

上述恒温系统6的工作原理为：通过检测探测器4工作的外界环境的温度，并根据外界环境温度与预设基准温度信号对应的温度之间的差值，控制半导体制冷器61制冷或者制热，以使得当前温度信号与基准温度信号相等，实现了使探测器4工作于设定的恒温条件下，提高了探测器4在复杂工况下的工作稳定性；在半导体制冷器61制冷/制热的调温过程中，通过第一指示灯LED-1/第二指示灯LED-2指示，便于工作人员了解恒温系统6的工作状态。

本申请实施例的实施原理为：通过脱气器1将被测气体分离出来，被测气体通过抽气泵5被送至空心光纤2，空心光纤2中的被测气体吸收红外光，被测气体中各组分对应的波长不同，各波长的吸收率和被测气体中对应的不同组分的浓度之间遵循朗伯比尔定律(Lambert-Beer law)，通过探测器4以朗伯比尔定律(Lambert-Beer law)实现对位于空心光纤2内气体组分的检测，不需要增加其他附加设备，通过探测器4对接收的红外光进行分析，即可得到被测气体中的气体组分；气体检测装置的工作环境复杂，所在环境温差较大，温度的变化会造成探测器4测量信号漂移，而恒温系统6使探测器4的工作温度在预设范围内，提高了探测器4在复杂工况下的测量精度。

实施例二：

参照图3，由于光源3的发射范围大于空心光纤2以及探测器4的接收范围，为了保证光能够顺利准确地进入空心光纤2，本申请实施例在空心光纤2靠近光源3的一端连通有扩口器21，在空心光纤2靠近探测器4的一端设置有聚光镜22，光源3经过聚光镜22聚光后由探测器4接收。扩口器21接收光源3的面积较大，直接将光源3导入至空心光纤2内部，减少了安装准直装置的步骤，同时，扩口器21能够减少光传输的损耗，提高检测精度，降低了设备调试难度、维修难度等问题；另外，经过空心光纤2的红外光由聚光镜22会聚后由探测器4接收，由于光路是从扩口器21传输到聚光镜22的一端，聚光镜22的面积小于探测器4的接收面能够更方便空心光纤2对准探测器4，不会由于空心光纤2的内径大于探测器4接收面的面积导致的空心光纤2从侧面露出而降低检测精度。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种气体光学检测装置，其特征在于，包括：脱气器(1)、空心光纤(2)、光源(3)、探测器（4）、抽气泵(5)和恒温系统(6)，光源(3)和探测器（4）分别设置于空心光纤(2)的两端，经脱气器(1)分离出来的被测气体，自空心光纤(2)的一端流入，从空心光纤(2)的另一端流出，光源(3)发出红外光，所述红外光穿过空心光纤(2)后由探测器（4）接收，抽气泵(5)与空心光纤(2)连通用于驱动被测气体穿过空心光纤(2)，恒温系统(6)用于调节探测器（4）的工作温度在预设范围内。

2.根据权利要求1所述的一种气体光学检测装置，其特征在于，所述恒温系统(6)包括：

半导体制冷器(61)，根据通过电流方向改变其自身两面热量的传递方向；温度检测单元(62)，用于检测外界温度并输出当前温度信号；

温度控制单元(63)，用于将当前温度信号与预设的基准温度信号进行比较，若当前温度信号大于基准温度信号，则输出降温信号；若当前温度信号小于基准温度信号，则输出升温信号；

动作单元(64)，响应于降温信号并控制第一电流流经半导体制冷器(61)，响应于升温信号并控制第二电流流经半导体制冷器(61)，且所述第一电流流经半导体制冷器(61)时半导体制冷器(61)制冷，所述第二电流流经半导体制冷器(61)时半导体制冷器(61)制热。

3.根据权利要求2所述的一种气体光学检测装置，其特征在于，所述恒温系统(6)还包括指示单元(65)，所述指示单元(65)包括第一指示灯LED-1和第二指示灯LED-2，第一指示灯LED-1响应于降温信号并指示，所述第二指示灯LED-2响应于升温信号并指示。

4.根据权利要求1所述的一种气体光学检测装置，其特征在于，脱气器(1)与空心光纤(2)的进气端之间连接有干燥管(7)，干燥管(7)外侧设置有外壳(71)，干燥管(7)为渗水管，外壳(71)上开设有出气口(712)和进气口(711)，出气口(712)连接于抽气泵(5)。

5.根据权利要求4所述的一种气体光学检测装置，其特征在于，所述抽气泵(5)的排气端连接有节流阀(8)，所述节流阀(8)为三通阀，节流阀(8)的第一端连接于抽气泵（5）的排气端，节流阀(8)的第二端连接于大气，节流阀(8)的第三端连接有质量流量控制器（81），所述质量流量控制器（81）与脱气器(1)连接。

6.根据权利要求5所述的一种气体光学检测装置，其特征在于，脱气器（1）设置为由气液分离半透膜闭合而成的气液分离腔。

7.根据权利要求1所述的一种气体光学检测装置，其特征在于，空心光纤靠近光源(3)的一端连通有扩口器(21)，空心光纤与探测器（4）之间设置有聚光镜(22)。

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