专利名称：一种能源气体检测装置、方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明是关于石油石化技术领域，尤其是关于能源气体检测技术领域，具体来说是关于一种能源气体检测装置、方法及系统。
背景技术：
气体能源如天然气、乙烯、乙炔等作为如今主要能源类型之一，越来越受到人们的重视。对于能源气体的表征以及探测、检测也显得越发重要。天然气作为最典型的能源气体，对其的勘探、开采、储运和使用等各个方面都有大量的研究。一、勘探方面，我国天然气储量丰富，现探明储量约为47-48万亿立方米。天然气根据其成因不同可划分为有机成因气与无机成因气两种，对其的鉴别手段一般包括同位素鉴别法(如12C、13C、32S、33S、34S等)、化学分析法、色谱法等，其中同位素鉴别法效果尤为显著。二、开采方面，H2S、H20、C02等气体对生命安全、仪器腐蚀等很多方面带来了不利的影响，例如目前天然气井作业时，对H2S气体的探测报警方式十分被动化、固定化，不能满足分级报警、井下浓度预警等重要安全要求。国内天然气开采中的恶性H2S泄露事件主要都是由于井下H2S浓度过高却没有有效手段及时表征而造成的喷井事件。三、储运领域，由于西气东输等长距离的气体运输主要通过管道作业，所以在运输过程中管道腐蚀、元素沉积、泄露检测等成为了人们所关注的课题。天然气中所含C02、H2S对管道腐蚀严重，对于运输过程中管道、容器的材料选择既要满足抗腐蚀的硬性要求，也要考虑制作成本问题；在运输过程中，天然气中的硫会析出并沉积、严重的将导致管道的堵塞；对于长距离管道运输气体泄露的问题，目前为止缺乏有效的检测手段，虽然目前机载、车载检测方式都有很多的研究，包括利用红外等方式的光谱研究，固定探测器的开发也引人关注，但成本较高，不易全程监测。四、使用方面，天然气可以作为民用气、工业用气两种。民用气中CH4含量所占比例可达99%以上，对天然气的技术应用主要在于提高使用效率及泄露检测。CH4气体在空气中的爆炸极限为5% _15%，在使用中如果泄露会对人身、财产安全都带来极大的损害。工业用气中按照气体所含N、S、C、Ar、H等元素的含量不同，其具有的工业、经济价值也不尽相同，例如当天然气中各气体含量H28 > 5%, CO2 > 80%, N2 > 15%时，可以分别定义为富硫天然气矿、富碳天然气矿、富氮天然气矿。图I是现有技术提供的一种能源气体检测系统结构图，如图I所示，能源气体检测系统100包括信号源装置101、能源气体检测装置102、信号采集装置103和数据处理装置104，其中信号源装置101用于产生太赫兹波，并将太赫兹波发射至能源气体检测装置102，能源气体检测装置102用于储存待检测气体，并且使太赫兹波穿透其中的待检测气体，射出至信号采集装置103，信号采集装置103采集穿过待检测气体的太赫兹波，生成样品信号，并将样品信号发送至数据处理装置104进行处理，进而得到待检测气体的相关数据。图2是现有技术提供的一种能源气体检测装置102的结构图，如图2所示，能源气体检测装置102包括容器壁201、进气口 202、出气口 203以及两个窗口 204，其中，进气口202和出气口 203分别用于充入和排出待检测气体，窗口 204相对设置，太赫兹波可以穿过两个窗口 204。太赫兹(IO12Hz)光谱对应着分子的集体振动模式，太赫兹波的能量和黑体辐射很低(ITHz = 4. 2meV)，被检测物体不易发生电离，不会引起物体组分的光离化，是一种安全、无损的检测源。太赫兹时域光谱(THz-TDS)分析技术对探测物质结构存在的微小差异及对映异构体、同分异构体间的变化非常敏感，分子之间弱的相互作用(如氢键)及大分子的骨架振动(构型弯曲)、偶极子的旋转和振动跃迁以及晶体中晶格的低频振动吸收频率则对应于太赫兹波段，这些振动所反映的分子结构及相关环境信息 都在太赫兹波段内有不同吸收位置及吸收强度的响应。同时，THz-TDS系统是同步相干探测，对热背景噪声不敏感，可以提供很高的信噪比(104)。然而，大多数能源气体分子如CH4、H2、C2H6, C2H2等属于非极性分子，THz波对非极性分子具有很弱的吸收效果，现有技术的能源气体检测系统空间狭小，使得太赫兹波无法对能源气体进行有效的检测，因此对于非极性分子类气体样品的检测比较困难。
发明内容
为克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种能源气体检测装置、方法及系统。本发明提供一种能源气体检测装置，所述的装置包括主腔体，所述的主腔体内部为圆柱形，用于储存待检测气体；进气阀，位于所述的主腔体上，用于将待检测气体充入主腔体中；出气阀，位于所述的主腔体上，用于排出待检测气体；所述的主腔体的两端为密封结构，一端的密封结构内侧设置有一双反射凹镜，另一端的密封结构中部为一石英窗口 ；所述的双反射凹镜接收通过石英窗口入射的太赫兹波，经过双反射后通过石英窗口输出所述的太赫兹波。本发明还提供一种能源气体检测系统，所述的系统包括能源气体检测装置，所述的装置包括主腔体，所述的主腔体内部为圆柱形，用于储存待检测气体；进气阀，位于所述的主腔体上，用于将待检测气体充入主腔体中；出气阀，位于所述的主腔体上，用于排出待检测气体；所述的主腔体的两端为密封结构，一端的密封结构内侧设置有一双反射凹镜，另一端的密封结构中部为一石英窗口 ；所述的双反射凹镜接收通过石英窗口入射的太赫兹波，经过双反射后通过石英窗口输出所述的太赫兹波。本发明还提供一种能源气体检测方法，所述的方法包括对能源气体检测装置进行抽真空处理；在所述的能源气体检测装置中充入待检测气体；将太赫兹波通过一双反射凸镜的一侧反射至所述的能源气体检测装置中的双反射凹镜，经过双反射凹镜两次反射后反射至所述的双反射凸镜的另一侧；对所述的双反射凸镜的另一侧反射出的太赫兹波进行检测，得到所述的待检测气体的吸收系数。本发明实施例提供的能源气体检测装置、方法及系统在不改变设备固定光路的条件下，克服了现在目前主流THz实验设备中检测空间狭小、光路较短、气体腔耐压力弱等问题，对能源气体中非极性分子气体的THz测量提供了技术支持，同时可以提供较大的气体压强，有利于有害气体的实验研究，实验的安全性显著提高。
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中图I是现有技术提供的一种能源气体检测系统结构图。
图2是现有技术提供的一种能源气体检测装置102的结构图。图3是本发明实施例提供的一种能源气体检测装置的剖面图。图4为本发明实施例提供的密封结构304的剖面示意图。图5为本发明实施例提供的密封结构305的剖面示意图。图6是本发明实施例提供的一种能源气体检测系统的结构图。图7是本发明实施例提供的一种能源气体检测方法流程图。图8是本发明实施例提供的步骤S704的流程图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。本发明实施例提供一种能源气体检测装置、方法及系统，以下结合附图对本发明进行详细说明。实施例一图3是本发明实施例提供的一种能源气体检测装置的剖面图，如图3所示，能源气体检测装置300包括主腔体301，主腔体301内部为圆柱形长腔结构，用于储存待检测气体。在本发明实施例中，主腔体301内部为圆柱体，其剖面近似为一矩形，主腔体301内部的长度可以为30至70毫米，内径可以为26至35毫米。由于能源气体检测装置300主要用于复杂环境下的气体检测，考虑到井下、储运过程中不同的气体压力，主腔体301可以采用合金材质(如CrNiTi合金)，厚度可以为5-9mm，其可以承受的压力上限为14_20MPa。进气阀302，位于所述的主腔体301的外壁上，用于将待检测气体充入主腔体中.出气阀303，位于所述的主腔体301的外壁上，用于排出待检测气体。在本发明实施例中，出气阀303为细管道设计，可用于对实验气体进行燃烧或化学处理，避免污染，如可对可燃气体进行燃烧，生成碳水化合物；如测试对象为有害气体，则可通过管道进行其他方式处理。所述的主腔体301的两端为密封结构304和305，一端的密封结构304内侧设置有一双反射凹镜，另一端的密封结构305中部为一石英窗口所述的双反射凹镜接收通过石英窗口入射的太赫兹波，经过双反射后通过石英窗口输出所述的太赫兹波。在本发明实施例中，密封结构304和305设计为法兰密封，其中密封结构304中心为金属结构，内有双反射凹镜用于反射THz波；密封结构305的法兰中心采用石英材质，形成一石英窗口，石英的直径大于主腔体301的内径，镶嵌于透光法兰中心，以保证光通量最大化，光束可以完整的穿过石英窗口。石英材质对THz脉冲吸收很小，基本可忽略，且耐压性能较好，在THz实验中常被作为样品池材料，THz脉冲可以透过石英窗口进入主腔体301内。图4为本发明实施例提供的密封结构304的剖面示意图，如图4所示，其中，反射法兰基底401与主腔体301形成密封结构304，反射法兰基底401与主腔体301中设置有法兰密封橡胶圈404，法兰密封螺栓403和法兰密封螺母405用于固定反射法兰基底401与主腔体301，法兰密封螺栓403和法兰密封螺母405可以设置6 12组，反射法兰基底401上设置有一双反射凹镜402。图5为本发明实施例提供的密封结构305的剖面示意图，如图5所示，其中，反射法兰基底501与主腔体301 (图未示)形成密封结构305，反射法兰基底501与主腔体301中设置有法兰密封橡胶圈(图未示)，法兰密封螺栓502和法兰密封螺母503用于固定反射法兰基底501与主腔体301，法兰密封螺栓502和法兰密封螺母503可以设置6 12组。反射法兰基底501中设置有一石英窗口 504，石英窗口 504通过固定螺栓507以及环形固定片506固定在反射法兰基底501上，石英窗口 504和环形固定片506之间设置有密封橡胶圈505，以保证密封性。在本发明实施例中，太赫兹波通过能源气体检测装置300外部的一双反射凸镜308的一侧反射，穿透石英窗口 504后入射至双反射凹镜403，在双反射凹镜403上经过两次反射，再次穿过石英窗口 504入射至双反射凸镜308的另外一侧，以便反射至信号采集装置进行处理。由于在密封结构304内侧设置了双反射凹镜使得装置内为双程光路，光程可达到主腔体301内部长度的两倍，即60-140mm。并且，由于主腔体301内径为26至35毫米，因此主腔体301内光斑直径最大可以为13-15_，可以满足双程光路光斑大小需求。在本发明的另一实施例中，能源气体检测装置300还可以包括抽真空阀306，位于所述的主腔体301的外壁上，用于对所述的主腔体301进行抽真空处理。压力真空表307，位于所述的主腔体301的外壁上，用于测量主腔体301内部的压力值和真空度。本发明实施例提供的能源气体检测装置在不改变设备固定光路的条件下，克服了现在目前主流THz实验设备中检测空间狭小、光路较短、气体腔耐压力弱等问题，对能源气体中非极性分子气体的THz测量提供了技术支持，同时可以提供较大的气体压强，有利于有害气体的实验研究，实验的安全性显著提高。实施例二图6是本发明实施例提供的一种能源气体检测系统的结构图，如图6所示，能源气体检测系统包括能源气体检测装置301、双反射凸镜308、信号源装置601、平移台602、信号采集装置603和数据处理装置604，其中信号源装置601、信号采集装置603和数据处理装置604与现有技术相同，可采用商购THz脉冲试验系统，故在此不再赘述，平移台602、双反射凸镜308以及一系列的光学元件组成了光路装置600，在光路装置600中，双反射凸镜308在实施例中已经描述，其余部分与现有技术相同，故具体光路在此不再赘述。在本发明实施例中，能源气体检测装置301与实施例一中的能源气体检测装置 301相同，故在此不再赘述。本发明实施例提供的能源气体检测系统在不改变设备固定光路的条件下，克服了现在目前主流THz实验设备中检测空间狭小、光路较短、气体腔耐压力弱等问题，对能源气体中非极性分子气体的THz测量提供了技术支持，同时可以提供较大的气体压强，有利于有害气体的实验研究，实验的安全性显著提高。
实施例三图7是本发明实施例提供的一种能源气体检测方法流程图，能源气体检测方法可以利用本发明实施例提供的能源气体检测装置和系统实现，具体可以包括如下步骤S701，对能源气体检测装置进行抽真空处理。在本发明实施例中，结合图3和图6所示，首先要在光路装置600中充入氮气作为保护气体，将能源气体检测装置300的抽真空阀306与外部的抽真空泵相连，对能源气体检测装置300的主腔体301内部进行抽真空处理，并通过压力真空表307对主腔体301内部的真空度进行检测，当主腔体301内部的真空度达到5X 10_2mBar真空度时停止抽真空处理。S702，在所述的能源气体检测装置中充入待检测气体。在本发明实施例中，停止抽真空处理之后，将待检测气体通过进气阀302充入主腔体301内，利用压力真空表307检测主腔体301内部的压力值并对进气阀302进行流量控制，充入气体量值随实验需求而定，压力上限为16MPa。S703，将太赫兹波通过一双反射凸镜的一侧反射至所述的能源气体检测装置中的双反射凹镜，经过双反射凹镜两次反射后反射至所述的双反射凸镜的另一侧。在本发明实施例中，待检测气体充入结束后，将能源气体检测装置300放入能源气体检测系统中，并调整能源气体检测装置300的位置，使得太赫兹波可以通过双反射凸镜308的一侧反射至能源气体检测装置300中的双反射凹镜402，经过双反射凹镜402两次反射后反射至双反射凸镜308的另一侧，换言之，太赫兹波通过双反射凸镜308与双反射凹镜402经过4次反射后沿原光路进入信号采集装置603。S704，对所述的双反射凸镜的另一侧反射出的太赫兹波进行检测，得到所述的待检测气体的吸收系数。在本发明实施例中，图8是本发明实施例提供的步骤S704的流程图，如图8所示，步骤S704还可以包括如下步骤S801，采集双反射凸镜的另一侧反射出的太赫兹波，得到待检测气体的样品信号。在本发明实施例中，信号采集装置603采集双反射凸镜308的一侧反射的透射过待检测气体的太赫兹波，得到待检测气体的样品信号。S802，对所述的样品信号进行处理得到时域谱曲线。在本发明实施例中，数据处理装置604接收信号采集装置603得到的样品信号并进行处理，可得到待检测气体的时域谱曲线。S803，将氮气的太赫兹光谱作为参考信号，根据所述的样品信号和所述的参考信号得到所述待检测气体的折射率n(v)、消光系数k(v)和吸收系数α (V)。在本发明实施例中，可以将氮气的太赫兹光谱作为参考信号，根据参考信号和样品信号通过快速傅里叶变换得到相应的频域值，确定待检测气体的吸收系数频率范围；根据基于菲涅尔公式的数据处理模型计算得到待检测气体在该太赫兹波段的折射率η (V)、消光系数k(v)和吸收系数α (V)，可通过以下公式计算得到的
n(y) = -^- + \
Indv
9
权利要求
1.一种能源气体检测装置，其特征在于，所述的装置包括主腔体，所述的主腔体内部为圆柱形，用于储存待检测气体；进气阀，位于所述的主腔体上，用于将待检测气体充入主腔体中；出气阀，位于所述的主腔体上，用于排出待检测气体；所述的主腔体的两端为密封结构，一端的密封结构内侧设置有一双反射凹镜，另一端的密封结构中部为一石英窗口；所述的双反射凹镜接收通过石英窗口入射的太赫兹波，经过双反射后通过石英窗口输出所述的太赫兹波。
2.根据权利要求I所述的能源气体检测装置，其特征在于，所述的装置还包括抽真空阀,位于所述的主腔体上,用于对所述的主腔体进行抽真空处理。
3.根据权利要求I所述的能源气体检测装置，其特征在于，所述的装置还包括压力真空表,位于所述的主腔体上,用于测量主腔体内部的压力值和真空度。
4.根据权利要求I所述的能源气体检测装置，其特征在于，所述的主腔体的长度为30 至70毫米，所述的主腔体的内径为26至35毫米。
5.根据权利要求I所述的能源气体检测装置，其特征在于，所述的主腔体的厚度为5至 9毫米。
6.根据权利要求I所述的能源气体检测装置，其特征在于，所述的密封结构为密封法
7.根据权利要求I所述的能源气体检测装置，其特征在于，所述的出气阀为细管道结构。
8.一种能源气体检测系统，其特征在于，所述的系统包括如权利要求1-7所述的能源气体检测装置。
9.一种能源气体检测方法，其特征在于，所述的方法包括对能源气体检测装置进行抽真空处理；在所述的能源气体检测装置中充入待检测气体；将太赫兹波通过一双反射凸镜的一侧反射至所述的能源气体检测装置中的双反射凹镜，经过双反射凹镜两次反射后反射至所述的双反射凸镜的另一侧；对所述的双反射凸镜的另一侧反射出的太赫兹波进行检测，得到所述的待检测气体的吸收系数。
10.根据权利要求9所述的能源气体检测方法，其特征在于，所述的对所述的双反射凸镜的另一侧反射出的太赫兹波进行检测，得到所述的待检测气体的吸收系数包括采集双反射凸镜的另一侧反射出的太赫兹波，得到待检测气体的样品信号；对所述的样品信号进行处理得到时域谱曲线；将氮气的太赫兹光谱作为参考信号，根据所述的样品信号和所述的参考信号得到所述待检测气体的折射率n(v)、消光系数k(v)和吸收系数a (V)，
11.根据权利要求9所述的能源气体检测方法，其特征在于，所述的方法还包括根据待检测气体的吸收系数建立所述的待检测气体的吸收谱；根据待检测气体的吸收谱和时域谱建立不同频率下待检测气体的吸收系数与气体分子占混合气体体积分数、气体压强的对应关系建立气体指纹谱库。
全文摘要
本发明是关于一种能源气体检测装置、方法及系统，所述的装置包括主腔体，主腔体内部为圆柱形，用于储存待检测气体；进气阀，位于主腔体上，用于将待检测气体充入主腔体中；出气阀，位于主腔体上，用于排出待检测气体；主腔体的两端为密封结构，一端的密封结构内侧设置有一双反射凹镜，另一端的密封结构中部为一石英窗口；双反射凹镜接收通过石英窗口入射的太赫兹波，经过双反射后通过石英窗口输出太赫兹波。本发明实施例提供的能源气体检测装置、方法及系统在不改变设备固定光路的条件下，克服了现在目前主流THz实验设备中检测空间狭小、光路较短、气体腔耐压力弱等问题，对能源气体中非极性分子气体的THz测量提供了技术支持。
文档编号G01N21/25GK102621076SQ20121006758
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月14日 优先权日2012年3月14日
发明者徐山森, 田璐, 赵昆 申请人:中国石油大学(北京)