海水气体检测装置及检测方法与流程

本发明属于气体检测技术领域，具体地说，是涉及一种用于在深海环境下对待测水体中溶解的气体进行原位检测的装置及方法。

背景技术：
在海洋环境中，特别是近海陆架海底，油气渗漏是广泛分布的自然现象。海底渗漏是浅部生物成因气或深部热解成因气在浮力作用下沿沉积层中的孔隙、断层面、泥火山等通道溢出海底的过程。海底油气渗漏的存在预示着海底沉积层中可能蕴藏着丰富的油气资源。因此，对海底油气渗漏的探测有助于经济、快速、有效地圈化油气远景区。海底水体中溶解的甲烷及其他烃类物质是深海油气（水合物）资源的重要指示物，对水体中溶解气体的准确探测是判定油气资源海底渗漏的重要依据。传统的对水体中溶解气体的探测是采用先取水样然后在岸上或船上进行浓度检测的方式，其缺点是：水样在提取的过程中，溶解在水样中的气体会发生各种损失，继而导致测量结果的不准确。通过对比传统测量技术和原位测量技术获得的采样水体中的气体浓度发现，原位测量的测量精度是传统方法无法比拟的，因此，急需开发原位探测技术。在对水体中溶解气体浓度的测量过程中，气液分离是关系到测量结果准确度的前提和关键，气液分离程度越高，测量结果的精度越高。现有的用于气体检测的装置，其气液分离方法通常采用半透膜（透气且不透水膜）来实现。该方法的优点是结构简单、开发成本低；缺点是气液分离不完全、测量精度低，仅限于进行定性测量而不适用于定量测量，并且不适用于深水环境下的水体检测。

技术实现要素：
本发明为了解决现有气体检测装置因气液分离程度低而导致测量结果不准确的问题，提出了一种有助于提高测量精度的海水气体检测装置，通过采用三级气液分离技术，可以对溶解在待测海水中的气体实现充分分离。为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：一种海水气体检测装置，包括水样采集单元、气液分离单元和气体检测单元；其中，水样采集单元用于引入待测水样，并对待测水样进行预处理；气液分离单元用于对预处理后的待测水样进行气液三级分离，其设置有水体加热器、节流器和离心式气液分离器；所述水体加热器用于加热预处理后的待测水样，进行气液一级分离，分离出的气体进入输气管道；所述节流器用于对气液一级分离后的气液混合体进行节流，降低气体的溶解度，实现气液二级分离；所述离心式气液分离器利用离心力对节流后的气液混合体进行气液三级分离，分离出的气体进入所述的输气管道，分离出的液体通过排水口排出；所述抽气装置安装在所述的输气管道中，抽取输气管道中的气体并排放至气体检测单元；所述气体检测单元接收所述抽气装置抽取的气体，并对所述气体进行检测。进一步的，在所述水样采集单元中设置有进水器、减压阀和过滤器；其中，所述进水器用于引入待测水样；所述减压阀连通所述的进水器，对通过进水器引入的待测水样进行降压；所述过滤器用于对降压后的待测水样进行过滤，过滤后的待测水样进入所述的气液分离单元。为了扩大水样采集区域，进一步提高测量结果的准确性，本发明将所述进水器设计成圆筒形结构，筒壁上布满进水孔，筒壁外覆盖有过滤网，利用所述过滤网对海水样品进行一级过滤。又进一步的，在所述气体检测单元中设置有气体检测室和气体检测组件；其中，所述气体检测室接收并容置所述抽气装置抽取的气体；所述气体检测组件对气体检测室中的气体进行检测。为了使所述气体检测装置能够连续进行多次检测，本发明在所述海水气体检测装置中还设置有废气回收单元，通过废气抽气泵连通所述的气体检测室；所述废气抽气泵在气体检测结束后，抽吸气体检测室中的气体，并排放至所述的废气回收单元。为了实现原位检测，以进一步提高测量精度，本发明将所述气液分离单元、气体检测单元和废气回收单元内置于一个耐压壳体中，在所述耐压壳体上开设有进样口和出水口，在所述水样采集单元中，进水器位于耐压壳体的外部，并封堵所述耐压壳体的进样口，水样采集单元中的其余部件位于所述耐压壳体中；所述耐压壳体的出水口通过排水管路连接所述离心式气液分离器的排水口，在所述排水管路中设置有增压阀，通过所述增压阀封堵所述耐压壳体的出水口，使所述耐压壳体中形成密闭腔室。为了对待测水样的引入量和加热温度实现控制，本发明在所述水体加热器中设置有液位传感器、温度传感器和加热管，在所述水体加热器的内壁上设置有保温层；在水体加热器与节流器的连接管路中设置有流量控制阀。进一步的，在所述海水气体检测装置中还设置有控制器，连接所述的液位传感器、温度传感器和加热管，并对所述减压阀、流量控制阀、离心式气液分离器、抽气装置、气体检测组件、废气抽气泵以及增压阀的工作时序进行控制，并接收气体检测组件反馈的检测信号，经处理后上传至监控中心。基于上述海水气体检测装置，本发明还提出了一种海水气体检测方法，包括以下步骤：a、对待测水样进行加热，进行气液一级分离，并将分离出的气体输送至输气管道；b、对气液一级分离后的气液混合体进行节流，降低气体的溶解度，实现气液的二级分离；c、对节流后的气液混合体进行离心分离，在离心力的作用下实现气液的三级分离，并将分离出的气体输送至所述的输气管道；d、将所述输气管道中的气体全部输送至气体检测室，利用气体检测组件对气体检测室中的待测气体进行检测。为了进一步提高检测精度，在所述步骤a之前还包括在待测海域原位采集待测水样，然后对采集到的待测水样进行预处理，滤除掉其中的固体杂质，并对待测水样进行降压处理的步骤。为了达到长期、连续、多次检测的目的，在所述步骤d之后还可以包括在检测结束后将气体检测室中的全部气体排放至废气吸附室的步骤，以为下次测量任务做好准备。与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的海水气体检测装置，利用气体在液体中的溶解度随温度上升和压力下降而降低的特点，通过水体加热器、节流器和离心式气液分离器对待测水样进行气液三级分离，由此不仅提高了气液分离的程度，使得溶解在液体水样中的气体分离得更加彻底，分离效率更高，而且水样流通速度快，且具有深海耐高压的能力，便于在深海环境下执行长期、连续、原位测量的任务。基于该装置设计的海水气体检测方法操作简单，效率高，有利于实现海水中气体类型、浓度等参数的精确测量。结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。附图说明图1是本发明所提出的海水气体检测装置的一种实施例的整体结构示意图；图2是图1中水体加热器的一种实施例的内部结构示意图；图3是图1所示海水气体检测装置的控制电路部分的原理框图；图4是本发明所提出的气体检测方法的一种实施例的工作流程图。具体实施方式下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细地描述。本实施例的海水气体检测装置主要包括水样采集单元、气液分离单元和气体检测单元等组成部分。其中，水样采集单元用于将待测海域的海水引入到检测装置中，并对待测水样进行过滤、降压等预处理，以保证后续检测过程的顺利进行。气液分离单元接收水样采集单元采集输出的待测水样，并对待测水样进行气液分离，将溶解在水样中的气体分离出来，以用于后续对气体类型、浓度或者其它参数的检测。为了提高气液分离程度，本实施例在所述气液分离单元中设计了三级分离结构，分别为：加热分离、节流分离、离心分离，以使溶解在待测水样中的气体能够更加彻底地分离出来，提高检测精度。将通过气液分离单元分离出来的待测气体传输至气体检测单元，利用气体检测单元中设置的气体检测组件对待测气体进行检测，以获得所需的相关参数。为了使本实施例的海水气体检测装置在投放到待测海域后，能够连续执行多次检测作业，本实施例在所述海水气体检测装置中还进一步设计了废气回收单元，连接所述的气体检测单元。所述气体检测单元在对待测气体完成检测后，将检测完的废气排放至废气回收单元，为后续执行的气体检测试验做好准备。为了使所述海水气体检测装置能够适应深海作业环境，本实施例在所述海水气体检测装置中还设计了耐压壳体104，参见图1所示，用于容纳并保护所述的水样采集单元、气液分离单元、气体检测单元和废气回收单元，以便于执行原位检测任务。下面结合图1，对所述海水气体检测装置中的各功能单元的具体结构设计以及工作原理进行详细地说明。如图1所示，本实施例在水样采集单元中主要设置有进水器101、减压阀102、过滤器103等部件。其中，进水器101位于耐压壳体104的外部，用于将待测水样引入到耐压壳体104中。将进水器101的出水口伸入到耐压壳体104上开设的进样口中，并对所述进样口进行封堵，以保证耐压壳体104内部腔室的密闭性。本实施例优选将所述进水器101设计成圆筒形结构，筒壁上均匀开设有进水孔，且最好布满整个筒壁，以扩大采水量和采水区域。在筒壁的外侧优选再覆盖一层不锈钢过滤网，对待测水样进行一次过滤。将进水器101的出水口通过不锈钢管连接至减压阀102，利用所述减压阀102降低待测水样的压力，通常降低至一个大气压，以平衡检测装置舱体内外的压力。将过滤器103安装在减压阀102的输出端，对降压后的待测水样进行二级过滤，以进一步滤除掉待测水样中的固体杂质，避免对装置的管路造成堵塞。在所述气液分离单元中设置有水体加热器201、节流器204、离心式气液分离器205和抽气装置206等主要部件。其中，水体加热器201连通所述的过滤器103，接收经由过滤器103进行二级过滤后输出的待测水样，通过对待测水样进行加热，以实现气液一级分离。由于在压力不变的情况下，水体中气体的溶解度随温度的升高而降低，因此，对待测水样进行加热处理有利于使溶解在待测水样中的气体溢出。为了对待测水样的引入量和加热温度进行控制，本实施例在所述水体加热器201中设置了温度传感器2011、液位传感器2012和加热管2013，如图2所示。在水体加热器201的内壁上还贴附有一层保温层2014，以保持加热后的水体温度。通过液位传感器2012检测注入到水体加热器201内部的待测水样的液位高度，并生成检测信号输出至一控制器U1，结合图3所示。所述控制器可以采用单片机等具有数据处理能力的集成芯片实现，当控制器检测到注入到水体加热器201内部的待测水样的液位高度到达设定高度时，输出控制信号至减压阀102，控制减压阀102关闭，停止进样。然后，通过控制器U1开启加热管2013对水体加热器201中的待测水样进行加热，并实时接收温度传感器2011反馈的温度检测信号，在待测水样的加热温度到达设定值时，控制器U1控制加热管2013关闭，停止加热。待测水样在加热的过程中，溶解在其中的气体会逐渐溢出，通过开设在水体加热器201顶部的出气孔进入输气管道202，实现气液一级分离。对于加热管2013的启停控制，可以采用在加热器2013的供电回路中增设一可控开关，通过控制器U1控制所述可控开关通断，以控制所述加热管2013开启或者关闭。将水体加热器201的出水管通过流量控制阀203与节流器204连通，当待测水样在水体加热器201中完成气液一级分离后，通过控制器U1开启流量控制阀203，将完成气液一级分离后的气液混合体输送至节流器204，并通过流量控制阀203控制进入节流器204的水量。由于在温度不变的情况下，水体中气体的溶解度会随着压力的降低而减小，因此，当水样通过节流器204时，水体流速的增加导致静压减小，使得水体中的溶解气体被二级分离。作为节流器的一种优选结构设计，本实施例将所述节流器204设计成筒形结构，筒内设置两层进水隔栅，通过两层进水隔栅增加水体的流速，继而降低气体的溶解度。将节流器204的出水管与离心式气液分离器205的进液口连通，通过节流器204进行气液二级分离后形成的气液混合体流入离心式气液分离器205，通过控制器U1启动离心式气液分离器205运行，在离心力的作用下，对所述气液混合体进行气液三级分离。本实施例在所述离心式气液分离器205中设计有轴流叶片和排水叶片，将气液分离器205的排气口设置在正对轴流叶片的传动轴的位置处，由于离心力的作用，轴流叶片边缘处的气体含量小于其驱动轴处的气体含量，因此通过轴流叶片可以实现气液的三级分离。分离出的气体通过排气口进入所述的输气通道206，通过轴流叶片分离出的液体经排水叶片转移至气液分离器205的排水口，进而通过开设在耐压壳体104上的出水口403排出到海水气体检测装置的外部。为了使通过所述气液分离器205排出的液体能够顺利地排放到耐压壳体104的外部，本实施例在连接所述排水口和出水口403的管路中增设了一增压阀402，在气液分离器205对气液混合体进行气液三级分离的过程中，通过控制器U1控制所述增压阀402开启，将排出液体的压力升高到高于外部海水压力的水平，进而实现液体向外界的顺利排放。同时，利用所述增压阀402还可以起到对所述出水口403进行封堵的作用，以确保耐压壳体104形成一个密闭的腔体。作为本实施例的一种优选设计方案，优选将所述节流器204和离心式气液分离器205内置于一个单独为其形成的密闭腔体内，例如由壳体207围成的一个密闭腔体，以隔绝轴流叶片和排水叶片工作时由摩擦力和介质阻力产生的叶片振动，减小离心式气液分离器205工作时，叶片振动对装置中的其它部件造成的影响。待测水样在经过三级气液分离处理后，溶解在待测水样中的气体从液体中分离出来，汇聚在输气管道202中，本实施例在输气管道中安装抽气装置206，例如抽气泵等，连接所述的控制器U1，在待测水样完成气液三级分离处理后，控制器U1输出控制信号，控制抽气装置206启动，抽吸输气管道202中的气体，并通过排气管208排放至气体检测单元，进行气体参数的测量工作。在所述气体检测单元中设置有气体检测室301和气体检测组件302，所述气体检测室301连接所述排气管208，接收通过抽气装置206抽取的待测气体，并进行封存。所述气体检测组件302可以根据需要检测的气体参数类型进行选择配置。例如，当需要对待测气体的类型和浓度进行检测时，可以采用吸光度测量法。此时，在所述气体检测组件302中可以设置发光部件和光接收部件，将发光部件和光接收部件分设在气体检测室301的相对两侧，利用发光部件发射特定波长的光线照射气体检测室301中的待测气体；然后，利用光接收部件接收穿过待测气体射出的光线。所述光接收部件根据接收到的光线强度生成与之对应的检测信号输出至控制器U1，以用于待测气体类型的判断以及气体浓度的计算。在本实施例中，可以通过所述控制器U1直接生成能谱图，分析计算出待测气体的类型和/或浓度。当然，也可以设计控制器U1仅用于执行检测信号的接收和预处理工作，即，通过控制器U1接收光接收部件反馈的检测信号，并对所述检测信号进行放大、滤波、模数转换等处理后，采用有线或者无线通信方式上传至船上或者岸边的监控中心，通过监控中心的数据处理终端完成待测气体类型的判断以及气体浓度的计算工作。为了防止由排气管208进入到气体检测室301的气体中含有水蒸气，影响检测结果的准确性，本实施例在所述排气管208中或者气体检测室301连接所述排气管208的进气口中还设置有一透气不透水的半透膜303，通过抽气装置206抽取的待测气体经过所述半透膜303隔离掉其中的水蒸气后，再进入到所述的气体检测室301。在所述废气回收单元中设置有废气吸附室401和废气抽气泵402，所述废气抽气泵402连接在气体检测室301与废气吸附室401之间，在气体检测组件302完成检测工作后，通过控制器U1启动废气抽气泵402运行，抽取气体检测室301中的废气，并排放至所述废气吸附室401。在所述废气吸附室401中填充有吸附材料，例如活性炭和沸石分子筛等，用于对废气进行吸附处理。为了保证下一次气体检测结果的准确性，在开启废气抽气泵402抽吸气体检测室301中的废气时，应保证抽吸完全，即，将气体检测室301抽成真空状态，以避免前一次的废气残留对下一次的气体检测结果造成影响。待气体检测室301抽成真空状态后，控制器U1控制废气抽气泵402停止运行。此时，可以通过控制器U1控制减压阀102再次开启，重新引入待测水样，执行下一轮检测工作。下面结合图1所示的海水气体检测装置，对海水中溶解气体的具体检测方法进行详细阐述。如图4所示，包括以下步骤：S401、将图1所示的海水气体检测装置投放到待测海域，待所述海水气体检测装置稳定后，启动装置开始运行。在本实施例中，可以通过船舶携带所述海水气体检测装置到达待测海域并进行投放。待海水气体检测装置下放到预设深度并稳定后，通过船上的监控中心向装置中的控制器U1下发启动指令，控制装置启动运行。S402、开启水样采集单元，采集待测水样。在本实施例中，通过控制器U1首先控制减压阀102开启，对进水器101引入的待测水样进行降压，以平衡舱体内外的压力。降压后的待测水样经由过滤器103过滤后，进入水体加热器201。S403、根据液位传感器2012反馈的检测信号判断进水量，当检测到水体加热器201中的液位高度到达设定高度时，控制减压阀102关闭，停止进样。S404、启动加热管2013对水体加热器201中的待测水样进行加热，采用加热的方式对待测水样进行气液一级分离，分离出的气体上升进入与水体加热器201连通的输气管道202。S405、采集温度传感器2011反馈的温度检测信号，当水体加热器201中的水体温度到达设定值时，控制加热管2013关闭，停止加热。S406、打开流量控制阀203，将经过气液一级分离后形成的气液混合体输送至节流器204，通过节流器204增加水体的流速，以降低所述气液混合体的气体溶解度，实现气液二级分离。S407、待气液混合体通过节流器204全部进入到离心式气液分离器205中后，启动离心式气液分离器205运行，在离心力的作用下对所述气液混合体进行气液三级分离，分离出的气体进入与气液分离器205连通的输气管道202。在本实施例中，可以设定节流器204和离心式气液分离器205的运行时间，当节流器204的运行时间到达时，判定气液混合体已经全部通过节流器204进入到气液分离器205中；当离心式气液分离器205的运行时间到达时，判定气液三级分离结束。S408、启动抽气装置206抽取输气管道202中的待测气体，并输送至气体检测室301。同时，可以打开增压阀402，将通过离心式气液分离器205分离出来的液体排放到舱体外，即耐压壳体104外，从而为下次的检测工作做好准备。在本实施例中，可以设定排水时间，当增压阀402持续工作的时间到达设定的排水时间时，判定离心式气液分离器205中的液体已排放干净，此时，控制增压阀402关闭。S409、开启气体检测组件302，对气体检测室301中的待测气体进行检测，并接收气体检测组件302反馈的检测信号。S410、若气体检测组件302反馈的检测信号稳定，则控制抽气装置206关闭，打开废气抽气泵402将检测结束后的废气排放至废气吸附室401。S411、待气体检测室301被抽吸成真空状态后，控制废气抽气泵402关闭，结束本次检测过程。在本实施例中，可以通过气体检测组件302反馈的检测信号来判断气体检测室301中的气体是否抽吸干净。例如，可以通过判断气体检测室301中的气体浓度是否为零，来判断气体检测室301是否已被抽吸成真空状态。本实施例的海水气体检测装置和检测方法，测量精度高、气液分离完全、且具有原位测量的能力，适合在深海环境中长期、连续作业。当然，以上所述仅是本发明的一种优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。