一种具有气相色谱分析功能的气体传感器的制作方法

本发明涉及气体检测领域，特别涉及一种具有气相色谱分析功能的气体传感器。

背景技术

油气勘探的主要任务之一是发现油气。通过对上返钻井液中所携带的气体的分析，得到烃组分和非烃类气体组分的含量，据此进行储层油气的识别。目前，气相色谱仪是工程作业中应用最广泛的气体检测仪器。其可以对上返钻井液所携地层流体中的气体进行连续测量，在几十秒或者几分钟内提供烃类和非烃类等有限气体组分特征样品的含量分析，帮助现场人员及时发现含油气层位。

把钻井液中的气体分离出来的装置叫脱气器。然后再由气相色谱仪对这些被分离出来的气体进行分析测试。

现有的脱气器技术一般采用的是搅拌脱气，需要大功率电机和一个集气筒加上安装支架等导致体积庞大而沉重，安装调整清洗等作业非常困难，是作业人员的一个巨大负担，对现场资源要求较高。

同时，现有技术中，所采用的气相色谱仪都体积较大附属设备多，必须设置在仪器房内，通过近百米的样品气传输管线与上述的钻井液脱气器相连。裸露的气管线在冬天往往需要加热。这个远距离输送导致整体气测的时间滞后，不能及时反映地层流体信息。

现有的气相色谱仪一般有恒温箱、色谱柱、分析气路、探测器、控制板等组成。钻井液脱气器负责把泥浆中的气体脱离出来，上述远距离输送到色谱仪经过色谱柱把各单个组分气体分离开，然后各组分逐一进入探测器转换成可供分析的电信号，导致检测周期长。检测原理要求助燃气、可燃气、载气等导致了辅助设备多，比如空压机、氢气发生器、氮气发生器等，占据了大量的宝贵的空间，增加了成本。

有以上所述内容可知，现有的脱气器以及气相色谱分析设备对于工作现场的安装、维护以及实用都有较高的要求，不但占据里宝贵的空间，同时也增加了作业成本。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种具有气相色谱分析功能的气体传感器，该传感器占用空间小，使用简便，能够降低作业成本。

为了实现上述技术目的，本发明提供了以下技术方案：

一种具有气相色谱分析功能的气体传感器，包括用于分离钻井液中气体的脱气装置、与脱气装置连接并用于进行气相色谱分析的气体检测装置、以及用于驱动脱气装置内的气体进入气体检测装置的气路驱动装置，所述脱气装置包括由半透膜闭合形成的气液分离腔，所述气体检测装置包括空心光纤以及位于空心光纤端部的红外光源和波长扫描探测器，所述空心光纤内部与所述气液分离腔通过连通管连通。

通过采用上述技术方案，当需要探测油气时，首先将半透膜组合而成的气液分离腔沉入钻井液中，从而使得钻井液中的气体通过半透膜进入到气液分离腔中，气液分离腔内的气体在气路驱动装置的作用下被移送到空心光纤内，通过红外光源输出红外光，进入到空心光纤内的气体吸收红外光，光纤气体中的各组分在各波长对光的吸收率各不相同，通过波长扫描探测器检测各波长的吸收率即可得到样品气中各组分的含量。气体吸收遵循比尔-朗伯(beer-lalnbert)定律。由于该传感器仅通过半透膜与空心光纤即可实现气液分离以及气相色谱分析，相比于现有技术中脱气器、气相色谱仪等，其体积小巧、效率稳定，进而重量轻、携带和安装方便，从而降低了作业的成本。

作为本发明的改进，所述气液分离腔与所述空心光纤之间设置有样品干燥装置。

通过采用上述技术方案，由于通过半透膜进入到气液分离腔中的气体会掺杂一些水分，这些水分在通过空心光纤时会影响到气体在空心光纤内的传输，同时也会影响到气体检测装置对气体的检测效果，样品干燥装置可实现对进入到空心光纤内的气体的干燥，从而提高气体检测装置对气体的检测效果。

作为本发明的改进，所述样品干燥装置包括接通在连通管上的干燥内管以及包裹干燥内管的干燥外管，干燥内管与干燥外管之间形成干燥空间，所述干燥外管两端分别连接有干燥进气管和干燥出气管，所述干燥进气管连接有进气干燥装置，所述干燥出气管连接所述气路驱动装置，所述干燥内管设置为渗水管。

通过采用上述技术方案，由于干燥内管设置为渗水管，干燥内管内的水汽可通过干燥内管渗透到干燥内管的管壁中或直接进入干燥内管与干燥外管之间，当外部气体通过干燥进气管和干燥出气管告诉流过干燥内管与干燥外管之间时，可实现将干燥内管以及干燥内管与干燥外管之间的水汽吹出的效果，从而减少了通过干燥内管的气体中的水汽，实现了对待检测气体的干燥。

作为本发明的改进，所述气路驱动装置包括设置在所述干燥出气管上的隔膜泵、与所述干燥出气管端部连接的三通管以及连通三通管与所述气液分离腔的连接管。

通过采用上述技术方案，将隔膜泵设置在干燥出气管，不但实现了将通过干燥进气管进入样品干燥装置的气体吸出，同时也通过连接管将部分被吸出的气体输送到气液分离腔，从而将气液分离腔中的气体吹送到空心光纤中，实现了对传感器内气路的驱动，三通管的设置实现了对多余气体的排放。

作为本发明的改进，所述连接管设置有质量流量控制器。

通过采用上述技术方案，质量流量控制器的设置实现了对连接管内气体流量的调节，从而使得进入到气液分离腔的外界气体流量得到调节。

作为本发明的改进，所述三通管另一端口连接有气阻。

作为本发明的改进，所述红外光源为2.0-12微米的中红外光源。

作为本发明的改进，所述空心光纤的安装状态呈直线型。

作为本发明的改进，所述空心光纤与所述波长扫描探测器连接的位置设置有进气缺口并包裹有进气密封罩，空芯光纤与所述红外光源连接的位置设置有出气缺口并包裹有出气密封罩，所述出气密封罩连接有废气管，所述连通管连通进气密封罩。

通过采用上述技术方案，进气密封罩实现了空心光纤与波长扫描探测器紧密连接的同时，能够使得进入到测光密封罩的样品气体进入到空心光纤中，同时出气密封罩的设置实现了空心光纤与红外光源紧密连接的同时，使得空心光纤内的气体能够流出空心光纤。

作为本发明的改进，所述空芯光纤外设有直管外壳，所述气体检测装置和气路驱动装置外设有接口外壳，所述脱气装置外设有脱气外壳，所述接口外壳、直管外壳和脱气外壳依次连接组成哑铃型壳体。

通过采用上述技术方案，由于接口外壳、直管外壳和脱气外壳依次连接组成哑铃型壳体，当需要进行钻井液检测时，只需要手持或通过机械臂固定移动直管外壳机壳实现对传感器整体的移动，对于复杂的工作现场来说，哑铃型结构不但安装、携带方便，同时占用的现场空间较小，方便现场的作业。

综上所述，本申请具有以下优点：

一、利用半透膜代替搅拌脱气，设备小巧轻便，效率稳定。整个设备小巧，辅助设备少，脱气(即取得样品)和检测样品之间空间距离短，加快了检测响应速度，也减少了样品被污染或者变质的可能。样品气的质量得到根本改善，更准确的代表了待检测的地层气体更从而符合工程的需要；

二、空心光纤作为气室使得气体样品需求量减少，更新速度加快；需求量的减少使得更科学的半透膜脱气方法的使用得以成为可能；空心光纤对光源/准直/探测器的要求降低，大幅度简化了设备的复杂程度，降低了成本；而且也使整个设备的外形尺寸大幅减少。

附图说明

图1为具有气相色谱分析功能的气体传感器的原理结构图。

附图标记：1、接口外壳；11、气体检测装置；111、波长扫描探测器；12、控制板；2、直管外壳；21、空心光纤；211、进气缺口；212、出气缺口；213、进气密封罩；214、出气密封罩；2141、废气管；22、红外光源；23、样品干燥装置；231、干燥外管；232、干燥内管；233、干燥出气管；234、干燥进气管；2341、干燥进气装置；3、脱气外壳；31、气液分离腔；311、连通管；4、隔膜泵；5、三通管；6、气阻；7、连接管；8、质量流量控制器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明，其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”、“底面”和“顶面”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

一种具有气相色谱分析功能的气体传感器，如图1所示，包括用于分离钻井液中气体的脱气装置、与脱气装置连接并用于进行气相色谱分析的气体检测装置11、以及用于驱动脱气装置内的气体进入气体检测装置11的气路驱动装置。其中，脱气装置设置为由油气分离半透膜闭合而成的气液分离腔31，气体检测装置11包括空心光纤21以及位于空心光纤21两端的红外光源22和波长扫描探测器111，空心光纤21通过连通管311连通气液分离腔31的内部。油气分离半透膜优选为聚二甲基硅氧烷膜。

如图1所示，气液分离腔31与空心光纤21之间设置有样品干燥装置23。样品干燥装置23包括接通在连通管311上的干燥内管232以及包裹干燥内管232的干燥外管231，干燥内管232与干燥外管231之间形成干燥空间，干燥外管231两端分别连接有干燥进气管234和干燥出气管233。其中，干燥进气管234连接有进气干燥装置2341，干燥进气装置2341设置为连接在干燥进气管234上的硅胶筒，硅胶筒内填充有颗粒状干燥剂；干燥内管232设置为渗水管，优选为nafion管。当外部的空气作为吹扫气高速通过干燥空间时，可将干燥内管232吸收的水分风干，从而实现对经过干燥内管232的气体的干燥。

如图1所示，上述气路驱动装置包括设置在干燥出气管233上的隔膜泵4、与干燥出气管233端部连接的三通管5以及连通三通管5与所述气液分离腔31的连接管7，三通管5的另一端连接有气阻6。当隔膜泵4工作时，可将外部空气作为吹扫气通过进气干燥装置抽入到干燥空间内，在经过干燥空间之后通过三通管5的抽送到到气液分离腔31，并与气液分离腔31内的气体混合为样品气。隔膜泵4的设置不但实现了样品干燥装置23的气路驱动，同时也实现了气液分离腔31内的气路驱动，使得气液分离腔31内的样品气被吹送到空心光纤21内，从而实现了一泵多用的效果。

进一步的连接管7设置有质量流量控制器8，质量流量控制器8可实现对通过连接管7的气体流量的调节和控制，使得被充入气液分离腔31的吹扫气的速率得到控制和调节，此处优选为通过质量流量控制器8控制连接管7内的流量为100ml/min。

如图1所示，空心光纤21为的安装状态包括但不限定于直线型或盘卷状，此处优选为直线型。空心光纤21的顶端固定连接波长扫描探测器111，空心光纤21的底端连接红外光源22。空心光纤21与波长扫描探测器111连接的位置设置有进气缺口211并包裹有进气密封罩213，空芯光纤与红外光源22连接的位置设置有出气缺口212并包裹有出气密封罩214，出气密封罩连接有废气管2141，连通管311连通进气密封罩213。进气密封罩213实现了空心光纤21与波长扫描探测器111紧密连接的同时，能够使得进入到测光密封罩的样品气体进入到空心光纤21中，同时出气密封罩214的设置实现了空心光纤21与红外光源22紧密连接的同时，使得空心光纤21内的气体能够流出空心光纤21。

红外光源22优选为2.0-12微米的中红外光源。

当需要探测油气时，首先将半透膜组合而成的气液分离腔31沉入钻井液中，从而使得钻井液中的气体通过半透膜进入到气液分离腔31中，气液分离腔31内的气体在气路驱动装置的作用下被移送到空心光纤21内，通过红外光源22输出红外光，被空心光纤中的样品气吸收，样品气中的各组分在各波长对光的吸收率各不相同，通过波长探测器检测各波长的吸收率即可得到样品气中各组分的含量。从而通过气体检测装置11对波长的检测实现对气体组分的分析。

进一步的，空芯光纤外设有直管外壳2，气体检测装置11和隔膜泵4外设有接口外壳1，油气分离半透膜闭合而成的气液分离腔31外设有脱气外壳3，接口外壳1、直管外壳2和脱气外壳3依次连接组成哑铃型壳体。为了保证脱气外壳3与直管外壳2连接的牢固性，连接在脱气外壳3与直管外壳2之间的连接管7和连通管311均包裹有保护外壳，此处，保护外壳包括但不限定于硬质一体式保护外壳、硬质分离式保护外壳以及软质保护层。上述红外光源22以及气体检测装置11均通过设置在接口外壳1内的控制板12供电；上述废气管2141由接口外壳1伸出壳体外部。

本发明不需要色谱柱进行物理分离而是仅仅通过扫描控制完成了多气体组分的检测使得检测可以即时完成，提高了地层油气检测的及时性，并且大大的简化了仪器结构，使得整个设备的外形尺寸大幅减少；多组分通过一个探测器检测，减少了检测设备的数量。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，但是所属领域的普通技术人员应当理解：对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。