[發明專利]一種可實現海水中H2、CH4等氣體原位測試的水下氣相色譜系統及其操作方法

在審

• 申請號: 201610095995.3
• 申請日: 2016-02-22
• 公開（公告）號: CN105588897A
• 公開（公告）日: 2016-05-18
• 發明（設計）人: 楊群慧;季福武;王虎;米智楠;周懷陽;金璐;韋婧
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G01N30/02
• 分類號: G01N30/02
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 張磊

1.一種可實現海水中H₂、CH₄等氣體原位測試的水下氣相色譜系統，其特征在于包括海水自動進樣及氣體膜提取單元、多組分氣體自動檢測和自校正單元以及廢氣回收單元，其中：多組分氣體自動檢測和自校正單元、廢氣回收單元均封裝于高壓密封儀器艙中，海水自動進樣及氣體膜提取單元安裝于儀器艙端蓋上；

海水自動進樣及氣體膜提取單元由進水過濾器(1)、膜進樣裝置、水泵(3)、出水過濾器(4)組成，膜進樣裝置內設有海水樣品倉(2)和氣體倉(6)，海水樣品倉(2)和氣體倉(6)之間設置半透膜(5)，所述半透膜(5)為透氣不透水的膜，通過耐壓封裝，可自動將海水樣品倉(2)中的氣體分離提取到氣體倉(6)中；進水過濾器(1)通過管道連接海水樣品倉(2)，海水樣品倉(2)通過管道和水泵(3)連接出水過濾器(4)；

多組分氣體自動檢測和自校正單元包括進樣模塊、色譜柱和柱箱(24a)、脈沖氦離子化檢測器(24b)、減壓閥(15)、標氣瓶(16)、氣體凈化器(17)和載氣瓶(18)，其中：進樣模塊由第一電磁閥(7)、防漏閥(8)、漏水檢測傳感器(9)、注射泵(19)、兩位六通膜閥(10)、定量環(12)和多流路選擇膜閥(13)組成；氣體倉(6)通過管道和防漏閥(8)連接漏水檢測傳感器(9)，漏水檢測傳感器(9)通過管道連接兩位六通膜閥(10)的3口，兩位六通膜閥(10)的2口通過管道連接多流路選擇膜閥(13)的Ｃ口，兩位六通膜閥(10)的１口通過管道連接色譜柱和柱箱(24a)，兩位六通膜閥(10)的４口通過管道連接氣體凈化器(17)，氣體凈化器(17)通過管道和閥門連接載氣瓶(18)；兩位六通膜閥(10)依次通過第二電磁閥(11)、減壓閥(15)和管道連接標氣瓶(16)；多流路選擇膜閥(13)的4口通過管道和減壓閥(15)和管道連接標氣瓶(16)；多流路選擇膜閥(13)的2口通過管道連接注射泵(19)，多流路選擇膜閥(13)的３口通過管道連接氣體凈化器(17)，多流路選擇膜閥(13)的Ｐ口通過管道連接兩位六通膜閥(10)，定量環(12)位于兩位六通膜閥(10)上;脈沖氦離子化檢測器(24b)連接第四電磁閥(14b)；

廢氣回收單元由廢氣泵(20a)、壓力傳感器(20b)、第一兩位二通閥(21a)、第二兩位二通閥(21b)、單向閥(22)和廢氣瓶(23)組成，壓力傳感器(20b)連接廢氣泵(20)a，廢氣泵(20)a的出氣口分為兩路，一路通過管道連接第一兩位二通閥(21a)，另一路通過管道連接第二兩位二通閥(21b)，第二兩位二通閥(21b)通過單向閥(22)和管道連接廢氣瓶(23)；

第一電磁閥(7)、防漏閥(8)、漏水檢測傳感器(9)、兩位六通膜閥(10)、第二電磁閥(11)、定量環(12)、多流路選擇膜閥(13)、第三電磁閥、第四電磁閥、減壓閥(15)、標氣瓶(16)、氣體凈化器(17)、載氣瓶(18)、注射泵(19)、廢氣泵(20a)、壓力傳感器(20b)、第一兩位二通閥(21a)、第二兩位二通閥(21b)、單向閥(22)、廢氣瓶(23)，色譜柱和柱箱(24a)、脈沖氦離子化檢測器(24b)分別連接中央控制單元(25)。

2.根據權利要求１所述的一種可實現海水中H₂、CH₄等氣體原位測試的水下氣相色譜系統，其特征在于載氣為高純氦氣，從載氣瓶(18)流經氣體氣體凈化器(17)后得到99.9999%的高純氦氣；標氣瓶底氣為高純氦氣，提供一定濃度的H₂、CH₄混合標準氣體。

3.根據權利要求１所述的一種可實現海水中H₂、CH₄等氣體原位測試的水下氣相色譜系統，其特征在于為防止環境中的氣體對膜閥造成污染，兩位六通膜閥(10)和多流路選擇膜閥(13)均為帶自吹掃功能的膜閥，吹掃氣為99.9999%的高純氦氣，驅動氣則為標氣瓶中的標準氣體。

4.根據權利要求１所述的一種可實現海水中H₂、CH₄等氣體原位測試的水下氣相色譜系統，其特征在于一旦漏水檢測傳感器(9)檢測到漏水，截止閥(8)立刻處于斷開狀態，防止海水泄露進入儀器艙；喚醒過程中，系統檢測到壓力過高，則廢氣泵(20a)立即工作，將廢氣抽出到廢氣瓶(23)中。

5.一種如權利要求１所述的水下氣相色譜系統在電源通電后系統的操作方法，其特征在于當系統處于待機狀態時，5A分子篩柱(24a)流量為50ml/min，30℃/min升溫至180℃，保持2小時，降至60℃，保持不變，PDHID(24b)迅速升溫到150℃，保持不變；具體工作流程包括：①喚醒、②清洗、③標定氣體或者提取膜分離氣體、④測試、⑤自校正、⑥待機；

①喚醒：喚醒系統，壓力傳感器(20b)對環境壓力進行檢測，當高于1.2bar時，廢氣泵(20a)啟動工作，第一兩位二通閥(21a)打開，以緩解壓力對廢氣泵(20a)啟動瞬間的沖擊，隨后，關閉第一兩位二通閥(21a)，打開第二兩位二通閥(21b)，廢氣通過第二兩位二通閥(21b)和單向閥(22)排出，進入廢氣瓶(23)中，直到艙體內壓力重新回到1bar，廢氣泵(20a)停止工作；

當系統環境壓力檢測正常后，第三電磁閥(14a)和第四電磁閥(14b)打開，載氣瓶(18)中的氦氣經氣體凈化器(17)凈化后變為99.9999%的高純氦氣，高純氦氣分成兩路：一路通過電磁閥(14a)對兩位六通膜閥(10)和多流路選擇膜閥(13)進行吹掃，另一路作為載氣依次通過兩位六通膜閥(10)的4口和1口依次進入色譜柱(24a)及PDHID檢測器(24b)，并通過第四電磁閥(14b)排出到艙體中；標氣瓶(16)中的標準氣體分為兩種：一路直接通入多流路選擇膜閥(13)的4口，另一路作為驅動氣驅動多流路選擇膜閥(13)工作；

②清洗：對系統流路進行清洗，第一電磁閥(7)打開，多流路選擇膜閥(13)切換使其C口與3口連通，載氣依次通過多流路選擇膜閥(13)的3口和C口、兩位六通膜閥(10)的2口、定量環(12)、兩位六通膜閥(10)的3口、氣體倉(6)，最后經第一電磁閥(7)排出到艙體內，實現定量環(12)和氣體倉(6)的清洗；

③標定氣體或者提取膜分離氣體：系統流路清洗完成后，可根據需要進入標定氣體流程或者是提取膜分離氣體流程；

若進入標定氣體流程，多流路選擇膜閥(13)切換使C口與4口連通，標準氣體經標氣瓶(16)出來后，依次進入多流路選擇膜閥(13)的4口和C口、兩位六通膜閥(10)的2口、定量環(12)、兩位六通膜閥(10)的3口、氣體倉(6)、通過電磁閥(7)排出到艙體內，使定量環中充滿標準氣體，然后關閉電磁閥(7)，系統進行下述的測試流程，載氣帶著定量環(12)中的標準氣體經色譜柱(24)a分離后進入PDHID(24b)進行檢測，確定H₂、CH₄等不同氣體組分的出峰時間、峰高和峰面積，為后期的待測氣體定量檢測提供依據；

若進入膜分離提取氣體流程，電磁閥(7)關閉，海水自動進樣及氣體膜提取單元中的水泵(3)工作，海水從進水過濾器(1)被抽進海水樣品倉(2)，然后從出水過濾器(4)排出，抽水結束并平衡等待一段時間后，海水樣品倉(2)水體中的氣體會透過半透膜滲透進另一側的氣體倉(6)存儲；隨后，多流路選擇膜閥(13)切換C口與2口相通，注射泵(19)對氣體倉中氣體進行抽取，氣體從氣體倉(6)依次經過兩位六通膜閥(10)的3口、定量環(12)、兩位六通膜閥(10)的2口、多流路選擇膜閥(13)的C口和2口進入注射泵(19)，使定量環(12)中充滿從海水中提取的氣體；

④測試：上述流程結束后，系統切換為進樣測試狀態，打開電磁閥(11)，使標氣瓶(16)中的標準氣體得以驅動兩位六通膜閥(10)工作，兩位六通膜閥(10)立刻切換為4口和1口與定量環(12)相通，多流路選擇膜閥(13)的C口與任何一口不通，載氣依次流經兩位六通膜閥(10)的4口、定量環(12)、兩位六通膜閥(10)的1口，將存儲在定量環(12)中的氣體帶入色譜柱(24a)分離后進入脈沖氦離子化檢測器PDHID(24b)進行檢測分析，并將檢測結果顯示于顯示屏；

⑤自校正：系統還具有自校正功能，每檢測完一定數量的樣品后會根據事前的設定自動進入自校正流程；該流程發生在流路清洗結束后，通過對標準氣體進行測試比對來實現自校正，具體步驟與標定氣體流程一致；

⑥待機：測試流程結束后，第二電磁閥(11)、第三電磁閥(14)a和第四電磁閥(14b)斷開，兩位六通膜閥(10)切換為3口和2口與定量環(12)相通，打開第一電磁閥(7)，注射泵(19)復位；最后，關閉第一電磁閥(7)，系統進入待機狀態，等待下一個循環。