模拟海洋环境下的光谱观测平台的制作方法

专利名称：模拟海洋环境下的光谱观测平台的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光谱观测平台，尤其是一种对模拟海洋环境下物质进行光谱检测的观测 平台。
背景技术：
随着陆地资源和能源的减少，海洋成为人们能源开发的另一个重要空间，尤其是海底热 液系统和天然气水合物的发现更是加速了各国海上调査研究的步伐。但是这些能源或资源一 般存储于高温或高压或者高温高压环境中，因此为海上调査研究带来了很多困难，对上述环 境下异常海水成分的检测尤其困难。
光谱技术是常温常压下物质成分检测的一种重要手段，然而高温高压环境下使用光谱技 术则比较困难，首先光谱仪一般只能在常温常压环境下使用，不适用于高温高压环境，另一 方面的困难则是来自如何对光谱仪在高温高压环境下测量后所得数据进行校正和解释。广阔 的海洋并不是一个理想的试验光谱仪器的场所，因此为了实现对高温高压环境下异常海水成 分的检测，应当建立用于观测系统试验和校准的观测平台。

发明内容
本发明的目的在于提出了一种对高温高压环境下的气体和液体进行光谱观测的观测平 台，该平台与光谱仪结合使用，实现了深海高温高压环境下光谱系统的试验和校准，能够对 海底异常环境如热液流体中的气体和液体，尤其是对生命系统具有重要作用的C02、 H2以及CH4 等气体进行深入研究。
本发明是采用以下的技术方案实现的 一种模拟海洋环境下的光谱观测平台，包括光谱 观测装置，其中所述的光谱观测装置包括模拟舱、光学透镜组和压力调控装置，模拟舱包括 模拟容器和套在模拟容器外侧的加热套管，模拟容器的一侧由支撑端盖密封并固定在支架上， 支撑端盖上设有伸入模拟容器内的进样管和出样管，出样管与压力调控装置连通，模拟容器 的另一侧设有蓝宝石观测窗，其设有蓝宝石观测窗的一侧通过密封端盖与光学透镜组连接， 光谱仪设置于光学透镜组后端的可调节支架上，所述的光谱观测平合还包括预增压制样及常 压进样装置，光谱观测装置通过平流泵与预增压制样及常压进样装置连接。所述的加热套管 由三个独立温控的加热块组成，加热块的外部设有保温材料。
本发明中，所述的预增压制样及常压进样装置包括气体增压系统、试样预制容器和常压 进样系统，其中气体增压系统包括气动增压泵，气动增压泵与试样预制容器连接，试样预制容器的底部设有磁力搅拌装置，其上部设有进样阀，试样预制容器通过其下部的进样阀与平 流泵连接，所述的常压进样系统包括常压液槽，常压液槽通过常压进液阀与平流泵连接。一 般情况下，常压液槽中的流体介质通过常压进液阀和连接管路流入平流泵；当需要进行气液 混合或需要对观测介质进行一定初始压力下的配制时，启动气动增压泵对气体增压，加压后 的气体在试样预制容器中通过磁力搅拌装置与其中的流体介质快速混匀，或使气体达到饱和， 然后通过进样阀由平流泵泵入高温高压模拟舱。
所述的气动增压泵与试样预制容器的连接管路上设有压力变送器，其用于测量试样预制 容器中的压力；平流泵上设有流量变送器，用于检测流体介质的流量和流速。
所述模拟容器的一侧设有凹槽，凹槽内安装蓝宝石光学观测窗，蓝宝石光学观测窗呈圆 柱形，且边缘为弧形倒角，其外部设有密封端盖，蓝宝石光学观测窗与舱体凹槽底部之间设 有"0"型空心金属密封圈，与密封端盖之间夹设环形垫片，密封端盖的中心且与蓝宝石观 测窗对应处设有观测通孔。所述的光学透镜组包括固定套筒和调整套筒，光学透镜组通过固 定套筒固定在模拟舱的密封端盖上，固定套筒内装有调整套筒，调整套筒伸入固定套筒内的 一端装有石英凸透镜头，对应的另一端装有石英平面镜头。
所述的压力调控装置包括通过管路并联连接的三路通道，其中一路通道经电控卸压阀连 通排空管， 一路通道与爆破片连接，另一路通道为通过管路依次连接的压力变送器、冲洗阀、 背压阀和减压阀，最后引入回收槽。其中压力变送器用于检测高温高压模拟舱中的压力值， 并通过背压阀调节和稳定模拟舱内的压力，观测结束时经冲洗阀清洗背压阀内可能残留的试 样或杂质。当需要对观测介质进行回收时，可以通过减压阀将待回收液体降压，并且液体在 管路流动过程中温度会逐渐降低，因此观测介质可以安全回收至回收槽中。当通过压力变送 器检测到模拟舱中的压力过高时，可以通过电控卸压阀人为对模拟舱卸压；若内部压力超过 系统预定承受最大压力时，系统自动通过爆破片卸压，保证使用安全。
本发明在使用时，通过预增压制样及常压进样装置中的气动增压泵使观测介质的工作压 力达到规定值，待观测介质通过进样管进入高温高压模拟舱的模拟容器后，通过平流泵和压 力调控装置的背压阔使模拟舱内观测介质的压力保持在合理的范围内，通过压力调控装置中 的压力变送器检测到模拟容器内压力过高时，通过爆破片或电控卸放阀及时释放部分试样。 模拟容器外侧的加热套管对容器内的观测介质加热，并通过温控设备使其温度保持为一定值， 观测介质的温度压力满足要求后，通过舱体上的蓝宝石观测窗，和与舱体连接的光学透镜组 及光谱仪对其进行光谱观测。
本发明的有益效果是通过本发明的光谱观测平台和光谱仪的结合，将光谱观测技术应用于对高温高压环境下液体和气体的组分检测，实现了在深海中使用光谱观测系统的试验和 '校准，从而可以对深海异常环境中的各项组分，尤其是对生命系统具有重要作用的C02、 H2 以及CH4等气体进行深入的研究。


图l为本发明的结构示意图2为蓝宝石观测窗口的结构示意图3为模拟舱的安装结构示意图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明包括预增压制样及常压进样装置1和高温高压光谱观测装置2，预 增压制样及常压进样装置1和高温高压光谱观测装置2之间通过平流泵15连接。平流泵15 上设有流量变送器16，用于监控流体介质流入高温高压观测装置2的流速和流量。预增压制 样及常压进样装置1包括气动增压泵6、试样预制容器10和常压进样系统，气动增压泵6的 预增气进口 5通过进气阀8'与气体钢瓶4连接，其测试气出口 7通过进气阀8与试样预制 容器10连接，气动增压泵6与试样预制容器10的连接管路上设有压力变送器9，其用于检 测试样预制容器IO内的压力。试样预制容器10的底部设有磁力搅拌器11，该搅拌器的作用 是对需要检测的气体和液体进行搅拌，促使其快速混匀。试样预制容器10通过底部出液口与 高压进样阀14相通，高压混匀的试样再经由平流泵15流入高温高压观测装置2中；其上部 还设有一进样阀12,该进样阀12用于通入需要观测的其它介质。未经加压的液体试样置于 常压液槽中，通过常压进液阀13和连接管路流入平流泵15，获得压力后经进液阀17由进样 管18导入高温高压模拟舱19中。
高温高压光谱观测装置2是整个观测平台的核心部分，包括高温高压模拟舱19、蓝宝石 观测窗23、光学透镜组25和压力调控装置3，其中高温高压模拟舱19呈圆柱形，包括模拟 容器191和套于模拟容器191外部的加热套管21，加热套管21由三个分别带有热电偶22的 电加热块组成，其目的是加热模拟容器191内介质或使容器内温度保持稳定。如图1和图3 所示，模拟容器191的一侧通过支撑端盖35密封并水平固定于安装支架24上，支撑端盖35 上设有伸入模拟容器191内的进样管18和出样管20，进样管18经进样阀17与平流泵15连 接，出样管20与压力调控装置3连接，对应的模拟容器191的另一端设有蓝宝石观测窗23。 如图2所示，模拟容器191上安装光学观测窗口的一侧内径縮小并留有安装蓝宝石光学观测 窗23的凹槽，蓝宝石光学观测窗23呈圆柱形，表面全部剖光，边缘呈弧形倒角。蓝宝石光 学观测窗23与凹槽槽底之间设有"0"型空心金属密封圈231。蓝宝石光学观测窗23的外部设有密封端盖192,密封端盖192的中心且与蓝宝石光学观测窗23对应处设有观测通孔， 密封端盖192与蓝宝石光学观测窗23之间夹设环形紫铜垫片232，该垫片可以缓解蓝宝石光 学观测窗23的损伤和变形应力。高温高压模拟舱19设有蓝宝石观测窗23的一端通过密封端 盖192与光学透镜组25连接，光学透镜组25包括固定套筒251和调整套筒252，光学透镜 组25通过固定套筒251固定在密封端盖192上，固定套筒251内装有位置可调的调整套筒 252，调整套筒252伸入固定套筒251的一端装有石英凸透镜头253，对应的另一端装有石英 平面镜头254。如图1所示，光学透镜组25的后端连接有光谱仪26，光谱仪置于可调节支架 27上，通过光谱仪26对模拟容器191中的观测介质进行光谱观测。
压力调控装置3连接于模拟舱中出样管20的伸出端，通过转接头形成三路通道，其中一 路通道经电控卸压阀33连通排空管34， 一路通道与爆破片32连接，另一路通道为通过管路 依次连接的压力变送器9、冲洗阀28、背压阀29和减压阀30，之后经管路引入回收槽31。 其中压力变送器9用于检测高温高压模拟舱19中的压力值，并通过背压阀29调节和稳定模 拟舱19内的压力，观测结束时经冲洗阀28清洗背压阀29内可能残留的试样或杂质。当需要 对观测介质进行回收时，可以通过减压阀30将待回收液体降压，并且液体在管路流动过程中 温度会逐渐降低，因此观测介质可以安全回收至回收槽31中。当通过压力变送器9检测到模 拟舱19中的压力过高时，可以通过电控卸压阀33人为对模拟舱卸压；若内部压力超过系统 预定承受最大压力时，系统自动通过爆破片32卸压，保证使用安全。
所述的高温高压模拟舱安装时，如图3所不，首先将金属密封圈231、蓝宝石光学观测 窗23和环形紫铜垫片232通过密封端盖192依次固定在模拟容器191 一侧的凹槽内，模拟容 器191另一侧安装支撑端盖35，其与模拟容器191之间设有"0"形空心金属密封圈351;然 后，将模拟容器191通过支撑端盖35固定在安装支架24上；接下来，将光学透镜组25固定 在密封端盖192上；最后将三个设有独立电偶的加热块依次套在模拟容器191上，通过拉紧 套使加热套管21紧靠模拟容器191的外壁。
使用本发明所述的光谱观测平台对高温高压气体或液体进行光谱观测的工作过程如下所 述将高温高压观测装置2安装固定于支架上，并将模拟舱19内充满初始试样。常压下配制 好的溶液样品可以置于常压液槽中，开启常压进液阀13，关闭高压进样阀14，通过连接管路 和常压进液陶13直接由平流泵15泵入高温高压模拟舱19中。泵入过程中旋转背压阀29， 使高温高压模拟舱19中的试样控制在光谱观测所需的压力。如果需要对液体进行加热时，启 动模拟容器191外部的加热套管21，通过热电偶22对加热温度进行实时检测，按照设定的 加热曲线对观测介质进行加热，使其达到并保持在所需的温度。观测介质的工作温度和工作压力达到规定的要求后，即可开始光谱检测。
当需要进行气液混合实验或需要对观测介质进行一定初始压力下的配制时，将一定量的 流体介质注入试样预制容器10中，同时气体钢瓶4中的气体通过气动增压阀6加压，使其压 力升高到试验指定的压力值，加压后的气体通过进气阔8通入试样预制容器10中，需要加入 的其它介质可以通过进样阀12同时导入。启动试样预制容器10底部的磁力搅拌器11，搅拌 容器内的液体和气体，使其快速达到混匀或使气体饱和。通过背压阀29调控舱内压力，通过 热电偶22和加热块调控舱内温度。观测介质的工作温度和工作压力达到规定的要求后，即可 开始光谱检测。
观测过程中可通过温度和压力控制装置随时调控温度和压力，也可以释放部分介质进入 回收槽31中。
观测结束后，通过高温高压模拟舱19上的加热套管21降温，通过压力调控装置3对舱 体内的观测介质降压。
工作温度在20 — 35(TC之间，工作压力在l一40MPa之间的观测介质都可以采用本发明提 供的光谱检测平台进行光谱检测。
权利要求
1、一种模拟海洋环境下的光谱观测平台，包括光谱观测装置，其特征在于所述的光谱观测装置包括模拟舱、光学透镜组和压力调控装置，其中模拟舱包括模拟容器和套在模拟容器外侧的加热套管，模拟容器的一侧由支撑端盖密封并固定在支架上，支撑端盖上设有伸入模拟容器内的进样管和出样管，出样管与压力调控装置连通，模拟容器的另一侧设有蓝宝石观测窗，其设有蓝宝石观测窗的一侧通过密封端盖与光学透镜组连接，光谱仪设置于光学透镜组后端的可调节支架上，所述的光谱观测平台还包括预增压制样及常压进样装置，光谱观测装置通过平流泵与预增压制样及常压进样装置连接。
2、 根据权利要求l所述的模拟海洋环境下的光谱观测平台，其特征在于所述的预增压 制样及常压进样装置包括气体增压系统、试样预制容器和常压进样系统，其中气体增压系统 包括气动增压泵，气动增压泵与试样预制容器连接，试样预制容器的底部设有磁力搅拌装置， 其上部设有进样阀，试样预制容器通过其下部的进样阀与平流泵连接，所述的常压进样系统 包括常压液槽，常压液槽通过常压进液阀与平流泵连接。
3、 根据权利要求2所述的模拟海洋环境下的光谱观测平台，其特征在于所述的气动增压泵与试样预制容器的连接管路上设有压力变送器。
4、 根据权利要求2所述的模拟海洋环境下的光谱观测平台，其特征在于所述的平流泵上设有流量变送器。
5、 根据权利要求l所述的模拟海洋环境下的光谱观测平台，其特征在于所述模拟容器 的一侧设有凹槽，凹槽内安装蓝宝石光学观测窗，蓝宝石光学观测窗呈圆柱形，且边缘为弧 形倒角，其外部设有密封端盖，蓝宝石光学观测窗与舱体凹槽底部之间设有"0"型空心金 属密封圏，与密封端盖之间夹设环形垫片，密封端盖的中心且与蓝宝石观测窗对应处设有观 测通孔。
6、 根据权利要求l所述的模拟海洋环境下的光谱观测平台，其特征在于所述的光学透 镜组包括固定套筒和调整套筒，光学透镜组通过固定套筒固定在模拟舱的密封端盖上，固定 套筒内装有调整套筒，调整套筒伸入固定套筒内的一端装有石英凸透镜头，对应的另一端装 有石英平面镜头。
7、 根据权利要求l所述的模拟海洋环境下的光谱观测平台，其特征在于所述的加热套 管由三个独立温控的加热块组成，加热块的外部设有保温材料。
8、 根据权利要求l所述的模拟海洋环境下的光谱观测平台，其特征在于所述的压力调 控装置包括通过管路并联连接的三路通道，其中一路通道经电控卸压阀连通排空管， 一路通 道与爆破片连接，另一路通道为通过管路依次连接的压力变送器、冲洗阀、背压阀和减压阀， 最后引入回收槽。
全文摘要
本发明涉及一种光谱观测平台，尤其是一种对模拟海洋环境下物质进行光谱检测的观测平台。其包括光谱观测装置，该装置包括模拟舱、光学透镜组和压力调控装置，模拟舱包括模拟容器和套在模拟容器外侧的加热套管，模拟容器的一侧由支撑端盖密封并固定在支架上，其另一侧设有蓝宝石观测窗，该侧通过密封端盖与光学透镜组连接，光谱仪设置于光学透镜组后端的可调节支架上，该平台还包括预增压制样及常压进样装置，光谱观测装置通过平流泵与预增压制样及常压进样装置连接。本发明实现了深海高温高压环境下光谱系统的实验和校准，能够对海底异常环境如热液流体中的气体和液体，尤其是对生命系统具有重要作用的CO₂、H₂以及CH₄等气体进行深入研究。
文档编号G01N21/17GK101441168SQ20081023786
公开日2009年5月27日 申请日期2008年12月6日 优先权日2008年12月6日
发明者于增慧, 军 程, 翟世奎, 赵广涛, 韩宗珠 申请人:中国海洋大学