CN220289543U - 用于地下流体溶解气的在线观测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于流体地球化学观测技术领域，具体涉及用于地下流体溶解气的在线观测系统。系统包括集气罩、气液分离管、气体处理装置、真空泵、集气袋、电磁阀组、单向阀、过滤器、气体传感器组和主控电路；过滤器、二通电磁阀、集气罩、气液分离管、气体处理装置、真空泵、集气袋、三通电磁阀和单向阀通过管路依次连接，构成气体清洗回路；集气罩、气液分离管、气体处理装置、真空泵、集气袋、三通电磁阀和气体传感器组通过管路依次连接，构成气体测量回路。本实用新型具有能够实现对地下流体多个信息的综合连续在线观测，且无需人工操作，提高观测的准确性、智能化和规范化，实现系统的远程监控及操作的特点。

Description

用于地下流体溶解气的在线观测系统

技术领域

本实用新型属于流体地球化学观测技术领域，具体涉及用于地下流体溶解气的在线观测系统。

背景技术

地下流体是地壳中最活跃的组分，其在深循环过程中赋存着大量的气体，在向上运动并出露地表时，由于压力降低，原来溶解于地下流体中的气体就会在出水口以气泡的方式逸出。这些气体物理化学性质活跃，迁移速度快，较少受到地表大气的混入干扰，携带有地震孕育与发生过程的重要前兆信息，因此地下流体中溶解气体监测成为现今地震前兆观测的主要内容。

目前大多数的地下流体信息观测手段比较单一，即在一个观测井中，首先采用真空采样瓶通过排水集气法进行人工脱气，再依靠一台分析仪器获得单一的测量信息，采集信息有限，整个测量过程中，存在人为因素影响，可能对地震前兆预报造成影响，操作繁琐、费时，不适用于在线连续监测。同时，大多数观测井为地热温泉井，其脱出的气体可能从地下深部直接上涌，往往伴随高温水汽，流量较大，直接进入分析仪器不仅对测量结果的准确性造成影响，甚至对仪器内部产生不可逆的损害。

例如，申请号为CN200710047305.8的中国专利文献描述的自动地下流体综合信息监测系统，由地下流体采集系统、组合电极测量系统、自动脱气及干燥系统、传感器系统、自动气相色谱分析系统和智能测控及计算机系统组成，地下流体采集系统分别与组合电极测量系统连接以及自动脱气及干燥系统连接，自动脱气及干燥系统通过输气管分流后分别与传感器系统以及自动气相色谱分析系统连接，组合电极测量系统与传感器系统通过CAN总线方式与智能测控及计算机系统连接。虽然能一次自动取样得到自动气相色谱仪、传感器的实时检测以及电极组的实时监测的各种信息，其中包括：氢、氦、氧、氩、氮、甲烷、二氧化碳、硫化氢、电导、酸碱度、氯离子、氟离子、温度等地下流体综合信息，但是不足之处在于，由于缺少对气路进行清洁的装置，因此气路在观测过程中，无法及时进行清洁，进而无法保证样气的时效性，会对观测结果造成影响，使观测结果无法确保能够客观的反映地下流体中气体的微动态。

因此，设计一种能够实现对地下流体多个信息(温度、气压、水位、气汞、气氡、氦气、氢气等)的综合连续在线观测，且无需人工操作，提高观测的准确性、智能化和规范化，实现系统的远程监控及操作的用于地下流体溶解气的在线观测系统，就显得十分重要。

实用新型内容

本实用新型是为了克服现有技术中，现有的地下流体信息观测手段，存在采集信息有限，不适用于在线连续监测以及测量结果准确性容易受干扰的问题，提供了一种能够实现对地下流体多个信息(温度、气压、水位、气汞、气氡、氦气、氢气等)的综合连续在线观测，且无需人工操作，提高观测的准确性、智能化和规范化，实现系统的远程监控及操作的用于地下流体溶解气的在线观测系统。

为了达到上述实用新型目的，本实用新型采用以下技术方案：

用于地下流体溶解气的在线观测系统，包括：集气罩、气液分离管、气体处理装置、真空泵、集气袋、电磁阀组、单向阀、过滤器、气体传感器组和主控电路；所述电磁阀组包括二通电磁阀和三通电磁阀；所述过滤器、二通电磁阀、集气罩、气液分离管、气体处理装置、真空泵、集气袋、三通电磁阀和单向阀通过管路依次连接，构成气体清洗回路；所述集气罩、气液分离管、气体处理装置、真空泵、集气袋、三通电磁阀和气体传感器组通过管路依次连接，构成气体测量回路；所述主控电路与气体传感器组电连接。

作为优选，所述集气罩呈圆锥漏斗状，且采用不锈钢制成；所述集气罩的罩口朝下扣于液面上；所述集气罩的内腔与液面形成圆锥状空腔；所述集气罩的内壁上设有U形导流带，所述U形导流带始于腔室顶端，螺旋环绕集气罩内壁至集气罩底部；所述集气罩顶点处设有出气口，所述出气口处设有温度气压传感器；所述出气口旁边还设有进气口；所述集气罩的内腔底面设有水位传感器；所述温度气压传感器和水位传感器均与主控电路电连接。

作为优选，所述气液分离管为聚四氟乙烯硬管；所述气液分离管的进气端与集气罩的出气口通过螺纹直接相连；所述气液分离管的出气端与气体处理装置的进气口相连；所述气液分离管内部水平放置若干个聚四氟乙烯材质的气液分离网；每个气液分离网上均设有若干个圆孔，且位于同一个气液分离网上的圆孔的孔径大小各不相同；所述气液分离网的底面设有若干个圆锥形的尖刺，所述尖刺均竖直向下。

作为优选，所述气体处理装置包括螺旋形玻璃冷凝管和制冷装置；所述螺旋形玻璃冷凝管整段置于制冷装置外壳中；所述制冷装置采用半导体制冷器；所述气体处理模块的信号端接口与主控电路电连接；所述主控电路根据温度气压传感器的反馈结果智能控制气体处理装置的制冷功率。

作为优选，所述集气袋为聚乙烯集气袋，所述集气袋的容积根据观测井的水样中溶解气气量大小和观测要求进行选配；所述集气袋设有进气口和排气口，所述进气口与真空泵的出气口相连；所述排气口通过温度气压传感器与三通电磁阀相连，当排气口出来的气体温度超过设定的温度阈值时，主控电路通过三通电磁阀使气体直接排到外界大气中；当集气袋内的气压超过设定的气压阈值时，主控电路通过三通电磁阀使集气袋中的气体直接排到外界大气中；只有当温度和气压均在设定的安全范围内，主控电路通过三通电磁阀使集气袋中的气体进入气体传感器组进行分析检测。

作为优选，连接的管路均采用聚四氟乙烯管和聚四氟乙烯接头。

作为优选，所述气体传感器组可以包括氢气传感器、二氧化碳传感器、汞传感器、氡传感器、甲烷传感器等，或者是以测量气体浓度为核心的气体分析仪。

作为优选，所述主控电路包括中央控制单元、信号采集处理单元、驱动单元、显示记录单元和无线通讯单元；所述水位传感器、温度气压传感器和气体传感器组的信号输出端均与信号采集处理单元的信号输入端相连；所述信号采集处理单元的信号输出端与中央控制单元的信号输入端相连；所述驱动单元的输出端分别与二通电磁阀、三通电磁阀、真空泵和气体处理装置的控制端相连；所述驱动单元的输入端与中央控制单元的信号输出端相连，所述中央控制单元根据信号采集处理单元反馈的信息，通过驱动单元对气路走向和气体制冷效果进行全程控制；所述显示记录单元的输入端与中央控制单元的信号输出端相连，所述显示记录单元用于通过显示屏对检测信息进行显示，并记录检测结果；所述无线通讯单元用于将获得的检测结果通过无线网络传输至远程工作站，实现对观测系统的远程监控以及操作。

本实用新型与现有技术相比，有益效果是：(1)本实用新型能够实现对地下流体多个信息(温度、气压、水位、气汞、气氡、氦气、氢气等)的综合连续在线观测，且全程自动化，提高观测的准确性、智能化和规范化，集气罩和气液分离管的独特设计显著提高气水分离效果；(2)本实用新型中的气路自清洁功能保证了样气的时效性，使观测结果客观反映地下流体中气体的微动态，气体智能处理和温度补偿功能提高仪器的适应性，无线信号传输功能可实现对观测系统的远程监控及操作。

附图说明

图1为本实用新型中用于地下流体溶解气的在线观测系统的一种气路连接结构示意图；

图2为本实用新型中集气罩和气液分离管的一种剖视结构示意图；

图3为本实用新型中气液分离网的一种结构示意图；

图4为本实用新型中主控电路的总体连接结构的一种原理框图。

图中，集气罩1、出气口11、进气口12、过滤器13、导流带14、气液分离管2、气液分离网21、圆孔211、尖刺212、气体处理装置3、螺旋形玻璃冷凝管31、制冷装置32、真空泵4、集气袋5、三通电磁阀61、公共端611、常开端612、常闭端613、二通电磁阀62、单向阀63、气体传感器组7、温度气压传感器71、水位传感器72、主控电路8、中央控制单元81、信号采集处理单元82、驱动单元83、显示记录单元84、无线通讯单元85。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型实施例，下面将对照附图说明本实用新型的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

如图1和图2所示的用于地下流体溶解气的在线观测系统，包括：

集气罩1、气液分离管2、气体处理装置3、真空泵4、集气袋5、电磁阀组、单向阀63、过滤器13、气体传感器组7和主控电路8；所述电磁阀组包括二通电磁阀62和三通电磁阀61；过滤器13、二通电磁阀62、集气罩1、气液分离管2、气体处理装置3、真空泵4、集气袋5，三通电磁阀61和单向阀63通过管路依次连接，构成气体清洗回路；集气罩1、气液分离管2、气体处理装置3、真空泵4、集气袋5、三通电磁阀61和气体传感器组7通过管路依次连接，构成气体测量回路。所述主控电路8与气体传感器组7电连接。

如图2所示，集气罩1采用不锈钢材质，呈圆锥漏斗状，高为0.5m，底面直径为1m，内部涂有聚四氟乙烯薄膜，其罩口朝下扣于液面上，集气罩1内腔与液面形成一个圆锥状空腔，集气罩1的内壁上设有导流带14，导流带14为一不锈钢材质“U”形槽，宽为10mm，深为8mm，起始于腔室顶端，螺旋环绕集气罩内壁至集气罩1底部，使得在腔体内壁上凝结的液滴可以顺着导流带14流回温泉井液面中；集气罩1的正中间有一直径为100mm，带有螺纹的出气口11，并在出气口11的正中间放置一个装有温度气压传感器71的卡扣，温度气压传感器71的信号输出端与主控电路8电连接；集气罩1的进气口12直径为8mm，位于出气口11下端200mm处，其与一个二通电磁阀62通过外径8mm、内径6mm的管路相连，二通电磁阀62与主控电路8电连接，由主控电路8控制通断；二通电磁阀62另一端连接过滤器13，过滤器13为一直径50mm，长100mm的亚克力材质的圆柱体，内部填充介质为活性炭，过滤器13另一端悬空，连通大气；集气罩1内腔设有一水位传感器72，水位传感器72的输出端与主控电路8电连接。

如图2和图3所示，气液分离管2为两端带有外螺纹的聚四氟乙烯硬管，外径为100mm，内径为80mm，长为1.2m，气液分离管2的进气端与集气罩1的出气口11通过螺纹直接套接，气液分离管2的出气端通过聚四氟乙烯转接头与气体处理装置3的进气口相连，气液分离管2内部从进气端开始每隔200mm水平放置聚四氟乙烯材质的气液分离网21，气液分离网21带有圆孔211，圆孔211的孔径大小不一。沿进气方向，依次放置20mm、15mm、10mm、5mm、3mm孔径的气液分离网21，气液分离网21的底面设置有高度为15mm，直径为10mm的圆锥形的尖刺211，尖刺211竖直向下指向进气端。气液分离管2的中间有一金属固定杆，金属固定杆的两端用螺丝固定在观测井壁上，确保集气罩1和气液分离管2的结构稳定。

气体处理装置3包括一段螺旋形玻璃冷凝管31和制冷装置32，螺旋形玻璃冷凝管31的内管内径为3mm，进气口与气液分离管2的出气口相连，出气口与真空泵4的进气口通过外径8mm、内径6mm的聚四氟乙烯管相连，整段螺旋形玻璃冷凝管31置于一个圆柱状的不锈钢制冷装置32中，该制冷装置32为半导体制冷装置，其信号端接口与主控电路8电连接，由主控电路8根据温度气压传感器71的反馈结果智能控制气体处理装置3的制冷功率。

集气袋5为聚乙烯集气袋，容积为5L(根据观测井的水样中溶解气气量大小和观测要求选配最佳容积)，集气袋5的侧边设有一个进气口和一个排气口，集气袋5的进气口与真空泵4的出气口通过外径8mm内径6mm的聚四氟乙烯管相连，集气袋5的排气口与三通电磁阀61的公共端611相连，三通电磁阀61的常开端612通过外径8mm、内径6mm的聚四氟乙烯管与气体传感器组7的进气口相连，集气袋5中的待测气体进入气体传感器组7进行分析检测，三通电磁阀61的常闭端613接一单向阀63的进气口，三通电磁阀61与主控电路8电连接，三通电磁阀61的通断受主控电路8控制。集气袋5的排气口52与三通电磁阀61的公共端611之间安装一个温度气压传感器71，温度气压传感器71的信号输出端与主控电路8电连接，用来监测经气体处理装置3处理后的样气温度和集气袋5的气压，当温度超过设定的温度阈值时(视具体温泉井设定温度阈值)，主控电路8会关闭三通电磁阀6的常开端612，打开三通电磁阀61的常闭端613，同时增加气体处理装置3的制冷功率，从而避免过热气体直接进入气体传感器，对传感器造成损伤；当气压超过设定的气压阈值时，主控电路8亦是关闭三通电磁阀6的常开端612，打开常闭端613，使集气袋4中的气体直接排到外界大气中，避免集气袋4内气压过高。

系统连接的管路均采用聚四氟乙烯管和聚四氟乙烯接头，减少检测过程中的管路对待测物质的吸收，保证检测的准确度。

如图4所示，主控电路8包括中央控制单元81、信号采集处理单元82、驱动单元83、显示记录单元84和无线通讯单元85，水位传感器72、温度气压传感器71和气体传感器组7的信号输出端分别和信号采集处理单元82的信号输入端相连，信号采集处理单元82的信号输出端与中央控制单元81的信号输入端相连，信号采集处理单元82将采集到的传感器信号进行放大、滤波和A/D转换，最后将处理好的信号传递给中央控制单元81，由中央控制单元81根据集气罩1中的温度和气压参数对气体测量结果进行温度补偿，同时结合水位传感器72反馈的液面高度，计算出各观测量。驱动单元83的输出端分别与二通电磁阀62、三通电磁阀61、真空泵4和气体处理装置3的控制端相连，驱动单元83的输入端与中央控制单元81的信号输出端相连，由中央控制单元81根据信号采集处理单元82反馈的信息，通过驱动单元83对气路走向和气体制冷效果进行全程控制。显示记录单元84的输入端与中央控制单元81的信号输出端相连，通过显示屏对检测信息进行显示，并记录相关检测结果以便进行数据查阅及研究。无线通讯单元85负责将获得的相关检测结果通过无线网络传输至远程工作站，实现对观测系统的远程监控以及操作。

另外，本实用新型还提供了用于地下流体溶解气的在线观测方法，包括如下步骤；

S1，装置固定：集气罩1扣于观测井中待测区域内，实现水封，与空气隔绝，通过金属固定杆将气液分离管2竖直固定在集气罩1上，接通电源，主控电路8开始工作；

S2，气路清洁：清洗气路开始工作，在主控电路8的程序控制下，真空泵4保持抽气运行状态，二通电磁阀62打开，三通电磁阀61的常开端612关闭，常闭端613打开，外界空气经过滤器13净化后进入气体清洗回路，对气路内的“死气”进行置换、清洗，在程序设定换气时间后，二通电磁阀62关闭，真空泵4继续抽气，对集气罩、气路以及集气袋抽真空，等待气体检测；

S3，气体检测：气体检测气路开始工作，在主控电路8的程序控制下，真空泵4保持抽气状态，二通电磁阀62关闭，三通电磁阀61的常开端612关闭，常闭端613打开，集气罩1内逸出的气体，从集气罩1的出气口11流出，经气液分离管2的预处理和气体处理装置3的深度处理后，在真空泵4的作用下被抽到集气袋5中，待集气袋5中的温度气压传感器71检测到气压达到设定阈值时，三通电磁阀61的常开端612打开，待测气体由集气袋5输送给气体传感器组7进行检测分析，将检测信号输送给主控电路8，主控电路8根据集气罩1中的温度和气压参数对测量进行温度补偿，再将处理后数据通过显示屏对检测信息进行显示，并通过无线网络传输至远程工作站，实现对观测系统的远程监控以及操作；

S4：在主控电路8的智能控制下，重复进行步骤S2和步骤S3，从而实现地下流体多个信息连续自动在线观测。

本实用新型能够实现对地下流体多个信息(温度、气压、水位、气汞、气氡、氦气、氢气等)的综合连续在线观测，且全程自动化，提高观测的准确性、智能化和规范化，集气罩和气液分离管的独特设计显著提高气水分离效果；本实用新型中的气路自清洁功能保证了样气的时效性，使观测结果客观反映地下流体中气体的微动态，气体智能处理和温度补偿功能提高仪器的适应性，无线信号传输功能可实现对观测系统的远程监控及操作。

以上所述仅是对本实用新型的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本实用新型提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.用于地下流体溶解气的在线观测系统，其特征在于，包括：集气罩、气液分离管、气体处理装置、真空泵、集气袋、电磁阀组、单向阀、过滤器、气体传感器组和主控电路；所述电磁阀组包括二通电磁阀和三通电磁阀；所述过滤器、二通电磁阀、集气罩、气液分离管、气体处理装置、真空泵、集气袋、三通电磁阀和单向阀通过管路依次连接，构成气体清洗回路；所述集气罩、气液分离管、气体处理装置、真空泵、集气袋、三通电磁阀和气体传感器组通过管路依次连接，构成气体测量回路；所述主控电路与气体传感器组电连接。

2.根据权利要求1所述的用于地下流体溶解气的在线观测系统，其特征在于，所述集气罩呈圆锥漏斗状，且采用不锈钢制成；所述集气罩的罩口朝下扣于液面上；所述集气罩的内腔与液面形成圆锥状空腔；所述集气罩的内壁上设有U形导流带，所述U形导流带始于腔室顶端，螺旋环绕集气罩内壁至集气罩底部；所述集气罩顶点处设有出气口，所述出气口处设有温度气压传感器；所述出气口旁边还设有进气口；所述集气罩的内腔底面设有水位传感器；所述温度气压传感器和水位传感器均与主控电路电连接。

3.根据权利要求2所述的用于地下流体溶解气的在线观测系统，其特征在于，所述气液分离管为聚四氟乙烯硬管；所述气液分离管的进气端与集气罩的出气口通过螺纹直接相连；所述气液分离管的出气端与气体处理装置的进气口相连；所述气液分离管内部水平放置若干个聚四氟乙烯材质的气液分离网；每个气液分离网上均设有若干个圆孔，且位于同一个气液分离网上的圆孔的孔径大小各不相同；所述气液分离网的底面设有若干个圆锥形的尖刺，所述尖刺均竖直向下。

4.根据权利要求1所述的用于地下流体溶解气的在线观测系统，其特征在于，所述气体处理装置包括螺旋形玻璃冷凝管和制冷装置；所述螺旋形玻璃冷凝管整段置于制冷装置外壳中；所述制冷装置采用半导体制冷器；所述半导体制冷器包括气体处理模块，所述气体处理模块的信号端接口与主控电路电连接；所述主控电路根据温度气压传感器的反馈结果智能控制气体处理装置的制冷功率。

5.根据权利要求1所述的用于地下流体溶解气的在线观测系统，其特征在于，所述集气袋为聚乙烯集气袋，所述集气袋的容积根据观测井的水样中溶解气气量大小和观测要求进行选配；所述集气袋设有进气口和排气口，所述进气口与真空泵的出气口相连；所述排气口通过温度气压传感器与三通电磁阀相连，当排气口出来的气体温度超过设定的温度阈值时，主控电路通过三通电磁阀使气体直接排到外界大气中；当集气袋内的气压超过设定的气压阈值时，主控电路通过三通电磁阀使集气袋中的气体直接排到外界大气中；只有当温度和气压均在设定的安全范围内，主控电路通过三通电磁阀使集气袋中的气体进入气体传感器组进行分析检测。

6.根据权利要求1所述的用于地下流体溶解气的在线观测系统，其特征在于，连接的管路均采用聚四氟乙烯管和聚四氟乙烯接头。

7.根据权利要求2所述的用于地下流体溶解气的在线观测系统，其特征在于，所述主控电路包括中央控制单元、信号采集处理单元、驱动单元、显示记录单元和无线通讯单元；所述水位传感器、温度气压传感器和气体传感器组的信号输出端均与信号采集处理单元的信号输入端相连；所述信号采集处理单元的信号输出端与中央控制单元的信号输入端相连；所述驱动单元的输出端分别与二通电磁阀、三通电磁阀、真空泵和气体处理装置的控制端相连；所述驱动单元的输入端与中央控制单元的信号输出端相连，所述中央控制单元根据信号采集处理单元反馈的信息，通过驱动单元对气路走向和气体制冷效果进行全程控制；所述显示记录单元的输入端与中央控制单元的信号输出端相连，所述显示记录单元用于通过显示屏对检测信息进行显示，并记录检测结果；所述无线通讯单元用于将获得的检测结果通过无线网络传输至远程工作站，实现对观测系统的远程监控以及操作。