一种在线观测海洋天然气水合物生成及破碎的可视化装置的制作方法

本实用新型涉及天然气水合物固态流化开采科研仪器技术领域，具体为一种在线观测海洋天然气水合物生成及破碎的可视化装置。

背景技术：

天然气水合物是继页岩气、煤层气、致密气之后最有潜力的非常规接替能源之一，它是甲烷等烃类气体与水在高压低温条件下相互作用形成的结晶状笼形化合物，俗称“可燃冰”，具有能量密度高、燃烧后无残留等特点。目前，世界上已经实施的水合物试采均在成岩水合物矿体中进行，海洋非成岩水合物开采技术和方法还是空白，固态流化开采是有望解决世界海洋浅层非成岩水合物合理开发科技创新前沿领域和革命性技术之一。为了开展海洋天然气水合物固态流化模拟实验及科学研究，需要对天然气水合物进行室内人工制备。在天然气水合物生成及破碎过程中，为了清晰监测制备釜内天然气水合物的变化情况并安全采集监测记录，迫切需要一种在高压、低温条件下防止起雾结冰的可视化在线观测装置。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种结构简单、性能可靠、操作简单、全自动化控制的在高压低温条件下防止起雾结冰的可视化在线观测装置。

为达到上述目的，本实用新型一种在线观测海洋天然气水合物生成及破碎的可视化装置主要由控制系统、制备及搅拌破碎系统及摄像系统组成。

控制系统主要由控制柜、计算机、计算机与控制柜连接线组成。

制备及搅拌破碎系统主要由液压油缸、旋转电机、破碎支撑架、密封总成、制备釜、破碎刀具、混合浆体、液压油进油管、液压油出油管、液压站电机、液压站、液压站与控制柜连接线、旋转电机连接线、压力传感器连接线、温度传感器连接线、温度传感器及压力传感器组成。

摄像系统主要由冷光源传输线、冷光源发生器、冷光源发生器与控制柜连接线、伴热棒连接线、高清摄像头连接线、冷光源灯、伴热棒、紧固螺栓、可视窗压板密封圈、高清摄像头、蓝宝石玻璃、蓝宝石玻璃密封圈、制备釜可视窗密封圆台、焦距调节螺杆、上锁紧螺母、下锁紧螺母、摄像头支撑架、焦距调节螺杆连接架、紧固螺孔、可视窗压板伴热孔、可视窗压板光源孔及可视窗压板组成。

本实用新型优选的方案中，蓝宝石玻璃装配在制备釜可视窗密封圆台上，密封圈安装在蓝宝石玻璃与制备釜可视窗密封圆台之间，蓝宝石玻璃上加装可视窗压板，可视窗压板用紧固螺栓穿过紧固螺孔与制备釜釜体连接，可视窗压板与制备釜端面中间加装密封圈。

本实用新型优选的方案中，可视窗压板上加工有可视窗压板光源孔和可视窗压板伴热孔，冷光源灯与伴热棒分别插入可视窗压板光源孔和可视窗压板伴热孔里。

本实用新型优选的方案中，冷光源灯与冷光源发生器之间通过冷光源传输线连接，冷光源发生器与冷光源发生器通过控制柜连接线与控制柜连接。伴热棒与控制柜之间通过伴热棒连接线连接。

本实用新型优选的方案中，在可视窗压板上安装摄像头支撑架，摄像头支撑架配有上锁紧螺母和下锁紧螺母，焦距调节螺杆连接架通过上锁紧螺母和下锁紧螺母与摄像头支撑架连接，焦距调节螺杆连接架与高清摄像头连接在一起，高清摄像头通过摄像头支撑架和焦距调节螺杆实现高低位及焦距的调节，高清摄像头连接线与控制柜连接。

本实用新型优选的方案中，旋转电机与液压油缸安装在破碎支撑架上，旋转电机与液压油缸连接在一起，液压油缸上下运动带动旋转电机上下运动，破碎支撑架安装在制备釜端面上，破碎刀具与旋转电机连接，破碎刀具与制备釜通过密封总成密封，旋转电机通过旋转电机连接线与控制柜连接。

本实用新型优选的方案中，液压油进油管与液压油出油管一端安装在液压油缸上，另一端安装在液压站上，液压站电机安装在液压站上，液压站与控制柜通过液压站与控制柜连接线连接。

本实用新型优选的方案中，温度传感器与压力传感器安装在制备釜上，监测制备釜内的压力及温度，温度传感器与压力传感器分别通过温度传感器连接线与压力传感器连接线与控制柜连接。

本实用新型再进一步优选的方案中，计算机与控制柜通过计算机与控制柜连接线连接。

本实用新型的主要优点是：本实用新型利用自动化技术实现了图像采集、控制的自动化。通过自动伴热装置消除蓝宝石玻璃端面上的水珠及冰雾，蓝宝石玻璃具有的良好的透光及耐高压特性，补光装置透过蓝宝石玻璃为制备釜内部补光，由于蓝宝石玻璃在制备釜内的高压环境与外界之间形成一个可视化通道，解决了高清摄像头无法在高压环境拍摄的问题，通过上述技术提高高清摄像系统的拍摄质量，利用拍摄的图像及视频资料，科研人员可以更加清晰、形象、准确地研究整个水合物制备及破碎过程，以便开展水合物制备及破岩机理相关研究。此外，本装置结构简单、性能可靠、操作方便、安装及拆卸便捷。

附图说明

图1为可视窗局部放大图。

图2为可视窗压板剖面图。

图3为天然气水合物制备及破碎装置总图。

图1、图2、图3中编码分别为：1.液压油缸，2.旋转电机，3.破碎支撑架，4.密封总成，5.制备釜，6.破碎刀具，7.混合浆体，8.液压油进油管，9.液压油出油管，10.液压站电机，11.液压站，12.液压站与控制柜连接线，13.冷光源传输线，14.冷光源发生器，15.冷光源发生器与控制柜连接线，16.控制柜，17.旋转电机连接线，18.伴热棒连接线，19.高清摄像头连接线，20.压力传感器连接线，21.温度传感器连接线，22.温度传感器，23.压力传感器，24.计算机，25.计算机与控制柜连接线，26.冷光源灯，27.伴热棒，28.紧固螺栓，29.可视窗压板密封圈，30.高清摄像头，31.蓝宝石玻璃，32.蓝宝石玻璃密封圈，33.制备釜可视窗密封圆台，34.焦距调节螺杆，35.上锁紧螺母，36.下锁紧螺母，37.摄像头支撑架，38.焦距调节螺杆连接架，39.紧固螺孔，40.可视窗压板伴热孔，41.可视窗压板光源孔，42.可视窗压板。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。可根据本实用新型的技术理念与实际情况来适当调整具体的实施方法，不完全受限于本实用新型设计实施方法。

如图1、图2、图3所示，本实用新型专利包括控制系统、制备及搅拌破碎系统、摄像系统组成。

控制系统包括：控制柜16，24.计算机，25.计算机与控制柜连接线；

制备及搅拌破碎系统包括：液压油缸1，旋转电机2，破碎支撑架3，密封总成4，制备釜5，破碎刀具6，混合浆体7，液压油进油管8，液压油出油管9，液压站电机10，液压站11，液压站与控制柜连接线12，旋转电机连接线17，压力传感器连接线20，温度传感器连接线21，温度传感器22，压力传感器23；

摄像系统包括：冷光源传输线13，冷光源发生器14，冷光源发生器与控制柜连接线15，伴热棒连接线18，高清摄像头连接线19，冷光源灯26，伴热棒27，紧固螺栓28，可视窗压板密封圈29，高清摄像头30，蓝宝石玻璃31，蓝宝石玻璃密封圈32，制备釜可视窗密封圆台33，焦距调节螺杆34，上锁紧螺母35，下锁紧螺母36，摄像头支撑架37，焦距调节螺杆连接架38，紧固螺孔39，可视窗压板伴热孔40，可视窗压板光源孔41，可视窗压板42。

其中：蓝宝石玻璃31装配在制备釜可视窗密封圆台33上，密封圈32安装在蓝宝石玻璃31与制备釜可视窗密封圆台33之间，蓝宝石玻璃(31)上加装可视窗压板42，可视窗压板42用紧固螺栓28穿过紧固螺孔39与制备釜5釜体连接，可视窗压板42与制备釜5端面中间加装密封圈29。可视窗压板42上加工有可视窗压板光源孔41和可视窗压板伴热孔40，冷光源灯26与伴热棒27分别插入可视窗压板光源孔41和可视窗压板伴热孔40里。冷光源灯26与冷光源发生器14之间通过冷光源传输线13连接，冷光源发生器14通过控制柜连接线15与控制柜16连接。伴热棒27与控制柜16之间通过伴热棒连接线18连接。在可视窗压板42上安装摄像头支撑架37，摄像头支撑架(37)配有上锁紧螺母35和下锁紧螺母36，焦距调节螺杆连接架38通过上锁紧螺母35和下锁紧螺母36与摄像头支撑架37连接，焦距调节螺杆连接架38与高清摄像头30连接在一起，高清摄像头30通过摄像头支撑架37和焦距调节螺杆34实现高低位及焦距的调节，高清摄像头连接线19与控制柜16连接。旋转电机2与液压油缸1安装在破碎支撑架3上，旋转电机2与液压油缸1连接在一起，液压油缸1上下运动带动旋转电机2上下运动，破碎支撑架3安装在制备釜5端面上，破碎刀具6与旋转电机2连接，破碎刀具6与制备釜5通过密封总成4密封，旋转电机2通过旋转电机连接线17与控制柜16连接。液压油进油管8与液压油出油管9一端安装在液压油缸1上，另一端安装在液压站11上，液压站电机10安装在液压站11上，液压站11与控制柜16通过液压站与控制柜连接线12连接。温度传感器22与压力传感器23安装在制备釜5上，监测制备釜5内的压力及温度，温度传感器22与压力传感器23分别通过温度传感器连接线21与压力传感器连接线20与控制柜16连接。计算机24与控制柜16通过计算机与控制柜连接线25连接。

本实用新型的实施过程如下：

水合物制备实验过程图像监测：水合物是在高压、低温环境下生成的，由于制备釜5内的低温、高压环境会在蓝宝石玻璃31端面产生水珠或冰雾，高清摄像头30要透过蓝宝石玻璃31拍摄制备釜5内实验图像及视频，产生水珠或冰雾将严重影响拍摄效果，严重时无法拍摄到制备釜5内的实验场景。目前市场上的高清摄像头30都无法承受水合物制备所需的高压环境，然而蓝宝石玻璃31有耐高压且透明的特性，通过把蓝宝石玻璃31安装在制备釜5的端面上，可解决既耐高压又要透明的矛盾，实现常规高清摄像头30清晰观测及拍摄制备釜5内实验图像及视频的目的。

水合物制备实验准备完成后，首先由操作人员给计算机24下达启动摄像系统指令，计算机24把该指令通过计算机与控制柜连接线25传达至控制柜16，控制柜16接通伴热棒连接线18，伴热棒27开始加热，伴热棒27持续加热产生的热量使可视窗压板42温度升高，可视窗压板42增加的热量传递给蓝宝石玻璃31，从而使蓝宝石玻璃31温度升高，在蓝宝石玻璃31周围产生一个局部较高温度环境，随着局部较高温度环境的出现，低温在蓝宝石玻璃31上产生的水珠、冰雾在局部较高温度环境作用下将逐渐消失，从而不再影响高清摄像头30的拍摄图像及视频的效果。

同时，控制柜16给冷光源发生器下达开启冷光源发生器14的指令，冷光源发生器14接到指令后开启，并经冷光源传输线13传给冷光源灯26，冷光源灯26发出的冷光向制备釜5内照射，以便为高清摄像头30补光。同时，控制柜16通过高清摄像头连接线19给高清摄像头30下达拍摄指令，高清摄像头30接到指令后开始拍摄工作。高清摄像头30正常工作后，通过焦距调节螺杆34实现对高清摄像头30焦距调节，焦距调节完成后通过上锁紧螺母35和下锁紧螺母36锁紧焦距调节螺杆34，焦距调节完成后，高清摄像头30源源不断地把制备釜5内的实验高清画面经高清摄像头连接线19传输至控制柜16，再经计算机与控制柜连接线25传输至计算机24，操作人员可在第一时间观测到水合物生成情况，为科学研究提供更形象、更准确的监测数据。

水合物制备过程中，为了加快水合物的生成速率，可通过搅拌破碎系统给混合浆体7搅拌，为了达到此目的，操作人员给计算机24下达启动制备及搅拌破碎系统的指令，该指令通过计算机与控制柜连接线25传达至控制柜16，控制柜16通过旋转电机连接线17把该指令下达给旋转电机2，旋转电机2开始带动破碎刀具6旋转搅拌。同时，控制柜16通过液压站与控制柜连接线12控制液压站11及液压站电机10来实现液压油缸1的上下运动，液压站11通过液压油进油管8与液压油出油管9液压油流动方向的改变实现液压油缸1的上下方向改变，使破碎刀具6持续搅拌混合浆体7，以便于促进水合物的制备。

水合物破碎实验过程图像监测：水合物制备完成后，为了开展破岩机理的相关研究，需要对制备的水合物矿体进行破碎，为了达到此目的，操作人员给计算机24下达启动制备及搅拌破碎系统的指令，该指令通过计算机与控制柜连接线25传达至控制柜16，控制柜16通过旋转电机连接线17把该指令下达给旋转电机2，旋转电机2开始带动破碎刀具6旋转。同时，控制柜16通过液压站与控制柜连接线12控制液压站11及液压站电机10来实现液压油缸1的向下运动，使破碎刀具6持续破碎制备的水合物矿体，破碎刀具6破碎水合物矿体的破岩过程，被高清摄像头30源源不断地把破岩的实验高清画面经高清摄像头连接线19传输至控制柜16，再经计算机与控制柜连接线25传输至计算机24，操作人员可观测、记录、存储、分析高清摄像头30拍摄的高清破岩图像，根据拍摄的制备釜5内部破岩画面，更加清晰、形象、准确地研究整个破岩过程，以便开展水合物的破岩机理相关研究。