CN2807257Y - 束管色谱气体分析设备的自动进样装置 - Google Patents

Abstract

一种束管色谱气体分析设备的自动进样装置，属测量领域。包括进气管束切换装置、色谱分析装置和抽气装置，其特征是在管束切换装置、色谱分析装置和抽气装置之间设置由电磁阀(F1)、(F2)、(F3)、单向阀(DXF1)、(DXF2)、气缸和驱动气缸工作的气源构成的自动进样装置。由于采用气缸充当色谱仪的采样泵，确保了样气的无油，保证了整个装置的长期稳定运行和分析数据的可靠性，且样气经过气密度提高后再送入色谱仪进行分析，提高了其分析精度和分析速度，有助于及时发出趋势预报和安全警报，其制造和运行成本低廉，便于推广，易于为用户所接受，可广泛用于各种对矿井井下气体成分进行分析的束管色谱气体分析设备和装置。

Description

束管色谱气体分析设备的自动进样装置

技术领域

本实用新型属于测量领域，尤其涉及一种用于矿井井下气体分析的束管色谱气体分析设备。

背景技术

据统计，在我国开采的煤矿中，存在自然发火危险的矿井占总矿井数的50％左右，自然发火煤层占累计可采煤层数的60％，且自然火灾发生的次数占矿井火灾总数的94％以上。因此，自然发火事故的预防必然成为煤矿安全研究的重点。及时准确地发出火灾早期预报，不仅可以及时采取防灭火措施，将火灾事故消除于萌芽状态，而且还可以减少防灭火造成的经济损失，防止火灾事故的发生。

研究表明，煤的自燃发展，一般要经过三个时期，即潜伏期(也称准备期)、自热期、燃烧期。在潜伏期，煤体温度与周围环境温度基本没有什么变化，但煤的着火温度降低，化学活性增强。进入自燃期，煤的氧化速度增加，并分解出水、二氧化碳和一氧化碳。氧化生成热开始使煤体温度升高，当煤温超过自热的临界值(60～80℃)时，煤温将急剧上升，氧化速度加快，并出现煤的干馏，生成碳氢化合物(C_mH_n)、氢(H₂)及一氧化碳(CO)等可燃气体。这时也是防火灭火最关键的时期。如果此时不及时采取一些防灭火措施，煤温将继续上升至着火温度而进入燃烧期。

煤在氧化自燃过程中，不仅放出一定的热量，而且还热解释放出CO、C₂H₄和C₂H₆等碳氢化合物，且分解的气体成分及其浓度与煤温之间有一定的对应关系。因此，直接检测煤的热解气体产物和空气中成分变化即可判断煤的自燃发展程度，以便进行火灾的早期预报。

目前，煤矿矿井安全束管监测系统已经开始在煤矿中得到越来越多的普及和应用。

矿井安全束管监测系统是借助束管将井下各处的空气抽取、汇总到指定的地点，再借助色谱检测装置对管束所采集的空气样本进行分析，实现对CO、CO₂、CH₄、C₂H₄、C₂H₆、O₂、N₂等气体含量的在线监测，其分析结果在以实时监测报告、分析日报两种方式提供数据的同时，亦可自动存入数据库中，以便今后对某种气体含量的变化趋势进行分析，从而实现了对矿井自燃火灾的早期预测。

在实际监测工作过程中，为了将井下的气体样本输送至指定的地点，需要借助各种抽气装置来进行气体样本的连续抽取工作。

现有的各种束管监测系统，大多采用抽气泵或真空泵来充当色谱仪的采样泵，但由于上述种类的泵需要有油进行润滑，导致进入色谱仪的样气受采样泵的油气污染现象十分严重，缩短了色谱仪的关键部件-色谱柱的实际有效使用寿命大大缩短，更换次数增加，检测运行成本大大提高；同时，由于采样泵的现场工作条件不理想，造成其使用寿命较短，故障率较高，给束管监测系统的普及和正常使用造成了很大的负面影响。

若采用无油真空泵作为色谱仪的采样泵，虽然能部分地解决上述问题，但是其昂贵的购置价格和较高的备件价格，会较大的增加用户的一次性资金投入和实际运行的成本费用，影响了用户采用束管监测系统的意愿和投入使用的积极性。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种束管色谱气体分析设备的自动进样装置，其既能保证进入色谱仪的样气无油，亦能截取气路中气样中的某一段气样作为样本，经气密度提高后再送入色谱仪进行分析，提高其分析精度和速度，还可以利用气路中气样的富余气体冲刷采样管路。

本实用新型的技术方案是：提供一种束管色谱气体分析设备的自动进样装置，包括进气管束切换装置、色谱分析装置和抽气装置，其特征是：在管束切换装置、色谱分析装置和抽气装置之间设置由电磁阀F1、F2、F3、单向阀DXF1、DXF2、气缸和驱动气缸工作的气源构成的自动进样装置，其中，所述的气缸包括气缸缸体和气缸容积调节组件，在气缸的两端分别设置有气路管5-1和5-3；在其侧壁上设置有气路管5-2；管束切换装置的输出端与电磁阀F2的2-2端连接，电磁阀F2的2-1端与气缸的5-1端连接，其2-3端经单向阀DXF1与色谱分析装置的进样端连接；电磁阀F1的1-2端与抽气装置连接，其1-1端分别与电磁阀F3的3-3端和气缸的5-3端对应连接，其1-3端与气源连接；电磁阀F3的3-2端与气缸的5-2端连接，其3-1端经过单向阀DXF2与气缸的5-2端连接，其3-3端与电磁阀F1的1-1端连接。

其所述的电磁阀F1、F2和F3为两位三通电磁阀；其所述的抽气装置为抽气泵。

所述的气缸容积调节组件包括可移动的活塞6和弹簧7，其中弹簧的两端分别固定在活塞和气缸缸体的一端；气缸的气路管5-2设置于活塞下止点与上止点之间的缸体上。

或者，所述的气缸容积调节组件包括一置于气缸内的气囊8，气囊的开口端与气缸的气路管5-3连接；气缸的气路管5-2设置于气囊伸缩行程下止点与上止点之间的缸体上。

与现有技术比较，本实用新型的优点是：

1.采用气动气缸充当色谱仪的采样泵，确保了样气的无油，色谱柱的有效使用寿命得到保证，保证了整个装置的长期稳定运行和分析数据的可靠性；

2.样气经过气密度提高后再送入色谱仪进行分析，增大了色谱仪之色谱柱的进气量，提高了其分析精度和分析速度，能够更加准确地提供各项参数的变化情况，有助于及时、准确地反映和掌握井下煤的自燃发展程度，及时发出趋势预报和安全警报；

3.整个装置结构简洁，工作可靠，能适应各种规格型号的束管监测系统，制造和运行成本低廉，便于推广，易于为用户所接受。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。

图1是本实用新型的结构模块示意图；

图2是本实用新型实施例的系统管路原理示意图；

图3是在气缸采样状态下的气体通路示意图；

图4是在气密度提高状态下的气体通路示意图；

图5是样气向色谱仪进气时的气体通路示意图；

图6是电磁阀的控制原理图；

图7是另一实施例的结构示意图。

图中5为气缸，5-1～5-3为气缸气路，5-4和5-5为气缸的上、下内腔，6为活塞，7为弹簧，8为气囊。

具体实施方式

图1中，在现有设备的进气管束切换装置、色谱分析装置和抽气装置之间，设置了由电磁阀、单向阀、气缸和驱动气缸工作的气源构成的自动进样装置，其中，自动进样装置的A端与进气管束切换装置的输出端连接，其B端与色谱分析装置的输入端连接，其B端与色谱分析装置的输入端连接，其C端与原有的抽气泵连接，其D端与驱动气缸工作的气源连接。

图2中，自动进样装置由电磁阀F1、F2、F3、单向阀DXF1、DXF2、气缸5和驱动气缸工作的气源构成的，其中，气缸包括气缸缸体5和气缸容积调节组件，在本实施例中，气缸容积调节组件包括可移动的活塞6和弹簧7，气缸缸体被活塞分为5-4和5-5两个空腔，其中，弹簧位于气缸的5-5空腔内，且弹簧的两端分别固定在活塞和气缸缸体的一端。

在气缸的两端分别设置有气路管5-1和5-3；在其侧壁上设置有气路管5-2，气缸的气路管5-2设置于活塞下止点与上止点之间的缸体上。

管束切换装置的输出端与电磁阀F2的2-2端连接，构成本装置的A端，电磁阀F2的2-1端与气缸的5-1端连接，电磁阀F2的2-3端经单向阀DXF1与色谱分析装置的进样端连接，构成本装置的B端，电磁阀F1的1-2端与抽气装置连接，构成本装置的C端，其1-1端分别与电磁阀F3的3-3端和气缸的5-3端对应连接，其1-3端与气源连接，构成本装置的D端，电磁阀F3的3-2端与气缸的5-2端连接，其3-1端经过单向阀DXF2与气缸的5-2端连接。

图3中，采样系统通电工作后，在气缸采气工作阶段，在控制电路的作用下，电磁阀F1、F2、F3的线圈尚未得电，待测气体在抽气泵吸气的作用下，经由F2的2-2端→F2的2-1端→气缸的5-1端→气缸的5-4空腔→气缸的5-2端→F3的3-2端→F3的3-3端→F1的1-1端→F1的1-2端→抽气泵→放空，待测气体的流通路径如图中粗线所示。

在此阶段，活塞6在弹簧7的作用下，被拉至其下止点位置，气缸内腔5-4的容积最大，而气缸内腔5-5的容积最小。

图4中，欲增大色谱仪的进气量，必须对气缸5-4内的气体密度进行提升，在延时电路的控制下，电磁阀F3和单向阀1的共同组合/作用，即可实现此项功能。

在采气过程中的前段时间内，由于电磁阀F3无电，气流经气缸的5-2端→F3的3-2端→F3的3-3端→F1的1-1端→F1的1-2端→抽气泵，此时气阻较小，气缸内气体流速快。由于束管距离长，气阻大，进入气缸的井下气体流速较慢，致使气缸5-4内的气体压力较低，待测气体的气体密度亦较低。

当延时电路的延时时间到后，电磁阀F3得电工作，流经F3的3-2端→F3的3-3端的气流被截断，强迫气流由气缸的5-2端经单向阀DXF2→电磁阀F3的3-1端→F3的3-3端并经过电磁阀F1进入抽气泵，气体的具体流通路径如图中粗线所示。

由于单向阀DXF2存在一定的气阻，使得气缸5-4内的气流速度变慢，而进入气缸5-4的井下气体在大气压力的作用下，还是以原流速流向气缸，从而使气缸空腔5-4内的气体密度得到提高。

改变单向阀DXF2的阻力，即可改变气缸内的气体密度。

图5中，在采样气路向色谱仪进样阶段，采样气路向色谱仪进样受两个因素控制，一个是受电磁阀控制电路的端口(图6中所示的“+”、“-”端)电压控制，第二是受延时电路控制。

当电磁阀控制电路的端口有电压输入时，电磁阀F1、F2的线圈得电吸合，此时气源的高压气体经电磁阀F1的1-3端、1-1端和气缸的5-3端进入气缸的5-5空腔，推动活塞6克服弹簧的拉力向上运动，位于气缸5-4腔内的经过气体密度提高后的井下待测气体气体在活塞的推动下，经气缸的5-1端、电磁阀F2的2-1端、2-3端和单向阀DXF1被注入色谱仪，实现了气体进样动作。

由于电磁阀F1、F2还受延时电路YS2的控制(具体可参见图6所示的电路)，当YS2延时时间到后，其常闭接点YS2断开，此时即使电磁阀端口有电压输入，电磁阀F1、F2也会失电复位，立即截断了正在进入色谱仪的井下待测气体，从而实现了采样气路向色谱仪进样的动作。

在这里，YS2的延时时间就是样气进入色谱仪的时间，剩余的时间就是样气进入色谱仪后的平衡时间。

由于在进入平衡阶段后，电磁阀F1、F2失电复位，气路立即恢复为初始状态(即采气状态)，因而在气缸内残余的还没有进入色谱仪的气体会立即被抽气泵吸走，活塞在弹簧的作用下亦回到其下止点位置，从而开始了下一个采气、进气的工作循环。

在本实施例中，气缸容积的变化是通过活塞的移动来实现的，而活塞的移动是分别依靠气源和弹簧的分别作用而实现的。

此外，也可通过设置曲轴、活塞杆和活塞的结构形式来实现活塞的移动，还可以采用液压源和弹簧相结合的技术方案来实现活塞的移动，作为本领域的公知技术，在此不再叙述。

图6中，电磁阀的控制电路主要由延时电路YS1、YS2和电磁阀F1～F3的控制线圈构成，其中，延时电路YS2的两端并接在电源的“+”、“-”端之间，电磁阀F1、F2的控制线圈并联后经延时电路YS2的常闭控制接点YS2与电源的“+”、“-”端连接，延时电路YS1的两端经二极管D与电磁阀F1、F2的控制线圈并联，电磁阀F3的控制线圈F3经延时电路YS1的常开接点YS1与延时电路YS1的两端并接。

该电路主要通过对电磁阀F1、F2、F3的控制，完成三项功能：a、气缸采气，b、气密度提升，c、往色谱仪进气。

在气缸采气阶段，当某一路单管指示灯亮后，由于延时电路YS1通过二极管D1～Dn自指示灯正端电源取得，因此YS1进入延时状态，常开节点1-3不通，电磁阀F1、F2、F3都无电，气路工作于采气状态；

在气密度提升阶段，延时电路YS1得延时时间到，其常开接点YS1导通，电磁阀F3得电吸合，气路进入气密度提升状态；

在色谱仪进气阶段，控制电路得“+”、“-”接线端口有电压输入，延时电路YS2得电开始进入延时工作状态，同时由于常闭接点YS2此时导通，所以电磁阀F1、F2的线圈得电吸合，并且该电压也通过二极管D加到电磁阀F3上，使F3继续维持通电吸合状态，这样，气路立即切换至色谱仪进气阶段。

当YS2延时时间到，常闭接点YS2断开，电磁阀F1、F2、F3立即断电，送往色谱仪的气流立即被切断，色谱仪进入样气平衡阶段，气路恢复为采气状态。

由于抽气泵始终在工作，而进气管路的电磁阀尚未通电打开，故残留在气缸内及管路内的气体被立即抽走，为下一路的采气、进气创造了良好的初始条件。

上述的延时电路YS1和YS2可以采用延时继电器，亦可采用其他具有延时功能的电路来完成其延时功能，此为现有技术，在此不再叙述。

结合上述各气路连接图和控制线路图可以看出，电磁阀F1用于高、低压气体的转换，电磁阀F2用于吸气和进气的转换，电磁阀F3用于气密度控制，延时电路YS1和YS2用于控制电磁阀F1、F2、F3完成进气、排气程序及气密度控制。

图7中，作为本实用新型的另一实施例，其气缸容积调节组件采用了一个置于气缸内的气囊8，气囊的开口端与气缸的气路管5-3连接，通过控制电磁阀的通、断，进行气路的切换，实现气囊的膨胀与收缩。

其通过气囊的膨胀与收缩，来实现气缸内腔5-4和5-4的容积变化和调节，进而实现与图2所示实施例同样的技术效果，完成同样的采气、气密度提升和向色谱仪进气功能，其具体的待测气样流通气路与图3～图5所示相同，在此不再叙述。

由于本实用新型采用气动气缸充当色谱仪的采样泵，确保了样气的无油，色谱柱的有效使用寿命得到保证，保证了整个装置的长期稳定运行和分析数据的可靠性，并且，样气经过气密度提高后再送入色谱仪进行分析，增大了色谱仪之色谱柱的进气量，提高了其分析精度和分析速度，能够更加准确地提供各项参数的变化情况，有助于及时、准确地反映和掌握井下煤的自燃发展程度，及时发出趋势预报和安全警报，此外，整个装置结构简洁，工作可靠，能适应各种规格型号的束管监测系统，制造和运行成本低廉，便于推广，易于为用户所接受。

本实用新型可广泛用于各种对矿井井下气体成分进行分析的束管色谱气体分析设备和装置。

Claims (7)

1.一种束管色谱气体分析设备的自动进样装置，包括进气管束切换装置、色谱分析装置和抽气装置，其特征是：

在管束切换装置、色谱分析装置和抽气装置之间设置由电磁阀(F1)、(F2)、(F3)、单向阀(DXF1)、(DXF2)、气缸和驱动气缸工作的气源构成的自动进样装置，其中，

所述的气缸包括气缸缸体和气缸容积调节组件，在气缸的两端分别设置有气路管(5-1)和(5-3)；在其侧壁上设置有气路管(5-2)；

管束切换装置的输出端与电磁阀(F2)的(2-2)端连接，电磁阀(F2)的(2-1)端与气缸的(5-1)端连接，其(2-3)端经单向阀(DXF1)与色谱分析装置的进样端连接；

电磁阀(F1)的(1-2)端与抽气装置连接，其(1-1)端分别与电磁阀(F3)的(3-3)端和气缸的(5-3)端对应连接，其(1-3)端与气源连接；

电磁阀(F3)的(3-2)端与气缸的(5-2)端连接，其(3-1)端经过单向阀(DXF2)与气缸的(5-2)端连接，其(3-3)端与电磁阀(F1)的(1-1)端连接。

2.按照权利要求1所述的束管色谱气体分析设备的自动进样装置，其特征是所述的电磁阀(F1)、(F2)和(F3)为两位三通电磁阀。

3.按照权利要求1所述的束管色谱气体分析设备的自动进样装置，其特征是所述的抽气装置为抽气泵。

4.按照权利要求1所述的束管色谱气体分析设备的自动进样装置，其特征是所述的气缸容积调节组件包括可移动的活塞(6)和弹簧(7)，其中弹簧的两端分别固定在活塞和气缸缸体的一端。

5.按照权利要求1或4所述的束管色谱气体分析设备的自动进样装置，其特征是所述气缸的气路管(5-2)设置于活塞下止点与上止点之间的缸体上。

6.按照权利要求1所述的束管色谱气体分析设备的自动进样装置，其特征是所述的气缸容积调节组件包括一置于气缸内的气囊(8)，气囊的开口端与气缸的气路管(5-3)连接。

7.按照权利要求1或6所述的束管色谱气体分析设备的自动进样装置，其特征是所述气缸的气路管(5-2)设置于气囊伸缩行程下止点与上止点之间的缸体上。

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