溶解性气体定量采集进样系统及其使用方法与流程

本发明涉及仪器仪表测试与试验，尤其是一种溶解性气体定量采集进样系统及其使用方法。

背景技术：

1、海水中的溶解性气体，如o2、co2、ch4、n2等，是海洋生物地球化学循环的重要指标，其浓度变化直接反映海洋初级生产力、碳循环、酸化程度及生态系统的健康状况。因此对溶解性气体浓度的准确、快速检测在海洋科学研究、气候变化评估、水产养殖监控及环境应急响应中具有重要意义。

2、现有技术中，主流的溶解性气体检测方法依靠膜渗透法、顶空平衡法、吹扫捕集法等方法将气体从液相中分离，然后采用流量计对气体和液体的体积分别测量，算出气体与液体的体积比，以通过气体体积浓度反演气体在液体浓度。然而，传统的气液分离方法本身依赖气-液两相平衡，需通过气体自然扩散来实现，耗时过长，检测效率低，且在较长的检测周期内，无法保证检测样品的前后成分一致性，影响测量的准确性；此外，流量计在测量气液两相流、微小流量、或压力波动工况时，存在精度低、稳定性差、安装要求高、成本昂贵的问题。因此，亟需一种结构合理的溶解性气体定量采集进样系统，能够实现含溶解性气体溶液的水气高效快速分离，同时实现脱出气体与液体体积快速、准确计量。

技术实现思路

1、本技术人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种溶解性气体定量采集进样系统及其使用方法，通过设置初级分离单元、二级分离单元与气体收集单元，能够实现溶液中气体组分与液体组分的快速高效分离，并且能够对各组分的体积进行快速准确计量。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、一种溶解性气体定量采集进样系统，包括初级分离单元，所述初级分离单元的端口通过第一管组与供液单元的输出端连接，供液单元通过第一管组向初级分离单元内通入溶液，初级分离单元通过调整内部压力从而使得溶液内的气体析出，进行初级分离；

4、所述第一管组上配合安装有第二管组，所述第二管组的端口与二级分离单元的进液口连接，二级分离单元的出液口通过第三管组与废液收集单元的进液口连接，初级分离单元内完成初级分离后的溶液依次经第一管组、第二管组进入二级分离单元内，二级分离单元基于亨利定律通过疏水微孔气液分离膜组件对完成初级分离的溶液，从而进行二级分离，完成二级分离后，溶液的液体组分经第三管组进入废液收集单元内；

5、所述第二管组上配合安装有第四管组，所述第四管组的端口与检测单元的进气口连接，第四管组上配合安装有间隔设置的第五管组、第六管组与第七管组，第五管组与二级分离单元的气体输出端口连接，第六管组的端口与气体收集单元的第一气口连接，第七管组的端口与真空泵的进气口连接，真空泵的排气口配合安装有第八管组，所述第八管组上配合安装有第九管组，所述第九管组的端口与气体收集单元的第二气口连接；

6、完成初级分离后，在真空泵的作用下，初级分离单元内分离出的气体组分依次经第一管组、第二管组、第四管组与第六管组进入气体收集单元内进行收集；

7、完成二级分离后，在真空泵的作用下，二级分离单元内分离出的气体组分依次经第五管组、第四管组、第七管组、第八管组与第九管组进入气体收集单元内进行收集；

8、所述气体收集单元内的气体组分经由第六管组、第四管组进入检测单元内进行检测。

9、作为上述技术方案的进一步改进：

10、所述初级分离单元的结构为：包括第一腔体，所述第一腔体的内部活动密封安装有分离活塞，所述分离活塞与分离电动缸的输出端连接，分离电动缸伸出或缩回，从而驱动分离活塞沿第一腔体的轴向作往复直线运动，进而调整第一腔体内部的容积；

11、所述第一腔体的壁面上配合安装有第一磁栅尺，通过第一磁栅尺检测分离活塞的位移。

12、所述二级分离单元的结构为：包括数个依次间隔排列的第二腔体，单个第二腔体的内部配合安装有疏水微孔气液分离膜组件；

13、第一个第二腔体的进液口与第二管组的端口连接，最后一个第二腔体的出液口与第三管组的端口连接，其余第二腔体的进液口通过第一支管与前一个第二腔体的出液口连接，从而形成二级分离单元中溶液在第二腔体之间的串联流动通路；

14、单个第二腔体的排气口通过第二支管与第五管组连接，从而形成二级分离单元中各第二腔体内气体的并联输出通路。

15、所述疏水微孔气液分离膜组件采用中空纤维膜。

16、所述气体收集单元的结构为：包括第三腔体，所述第三腔体的壁面上配合安装有第二磁栅尺，第三腔体的内部活动密封安装有气体收集活塞，所述气体收集活塞与伺服电动缸的输出端连接。

17、所述第三腔体上配合安装有温度传感器，通过温度传感器检测第三腔体内部环境的温度。

18、所述第一管组上配合安装有截止阀、流量调节阀与减压阀。

19、所述第一管组与第四管组上均配合安装有安全阀。

20、一种利用上述的溶解性气体定量采集进样系统的使用方法，包括如下步骤：

21、第一步，管路初始化抽真空，真空泵启动，对所述溶解性气体定量采集进样系统进行抽真空初始化；

22、第二步，初级分离与计量，初级分离单元内设置有分离活塞，所述分离活塞沿轴向作往复直线运动，从而调整初级分离单元的内部容积，初始时，分离活塞位于上限位置；

23、所述气体收集单元内设置有气体收集活塞，所述气体收集活塞沿轴向作往复直线运动，从而调整气体收集单元的内部容积，初始时，气体收集活塞位于上限位置；

24、通过第一管组将供液单元输出的样品溶液输送至初级分离单元的内部进行进液，分离活塞沿轴向下降至下限位置时，进液完成，记录此时分离活塞的位移值；

25、接着，通过第一管组、第二管组、第四管组与第六管组，使得初级分离单元与气体收集单元连通，气体收集活塞沿轴向下降，使得气体收集单元的内部空间增大，从而使得气体收集单元的内部压力小于完成进液后初级分离单元的内部压力，进而使得初级分离单元内样品溶液中的气体组分析出至气体收集单元内部，同时，分离活塞沿轴向上升，将初级分离单元内的气体组分推出，实现样品溶液的初级分离，初级分离完成后，记录此时分离活塞的位移值；

26、所述初级分离单元的内部空间形成呈圆柱状，设定初级分离单元内部空间的直径为；则，根据（式1）与（式2），可知完成初级分离后的样品溶液的液体组分的体积，以及气体组分的体积；

27、（式1）

28、（式2）

29、第三步：二级分离与计量，所述分离活塞沿轴向上升至上限位置，将完成初级分离的样品溶液通过第一管组、第二管组送入二级分离单元内；

30、所述真空泵启动，使得二级分离单元内形成负压，在二级分离单元内部，完成初级分离的样品溶液通过疏水微孔气液分离膜组件进行二次分离，并且通过真空泵抽取至气体收集单元内部，同时，气体收集活塞沿轴向下降，从而收集二级分离出的气体组分，当气体收集活塞沿轴向下降至下限位置时，二级分离完成，记录此时气体收集活塞的位移值；则，根据（式3）得到气体收集单元内部的气体组分在当前环境下的体积；

31、（式3）

32、根据（式4）将气体收集单元内部的气体组分在当前环境下的体积换算成标况下标准体积，

33、（式4）

34、（式4）中，表示当前环境下的绝对压力；

35、表示当前环境下的热力学温度；

36、表示标况下的绝对压力；

37、表示标况下的热力学温度；

38、根据（式1）、（式3）与（式4）可得：

39、（式5）

40、（式6）

41、则，由（式5）与（式6）可得样品溶液完成气液分离前后的体积比；

42、第四步：气体进样检测，气体收集活塞按照设定速率沿轴向上升，依次通过第六管组、第四管组将气体收集单元内的气体组分送入检测单元内进行检测，并维持气体收集单元的内部压力在设定范围内。

43、作为上述技术方案的进一步改进：

44、进液过程中，通过调整初级分离单元的内部容积与样品溶液的流量，使得初级分离单元的内部压力稳定于0.1mpa。

45、本发明的有益效果如下：

46、本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过设置初级分离单元与气体收集单元，能够对溶液进行气液初级分离，通过设置二级分离单元，能够对溶液进行气液二级分离，并且能够对完成二级分离后的气体组分与液体组分分别进行精确、高效计量，其测量效率与准确性高，能够保证检测样品的前后成分一致性，无需额外设置流量计，其测量精度高、稳定性好、安装要求低、成本低廉。

47、本发明还具有如下优点：

48、（1）本发明中通过设置检测电极，能够实时检测第一腔体顶部的气液分界面，精准判断气体析出完成状态，避免液体误流入气路，保障后续气体收集计量的精度。

49、（2）本发明中通过设置第一上限位开关、第一下限位开关、第二上限位开关与第二下限位开关，能够精准限定对应活塞的最大行程区间，避免超程，提升分离单元的运行安全可靠。

50、（3）本发明中通过设置第一支管，能够使得完成初级分离的溶液在多个第二腔体内串联流动实现递进脱气，避免产生脱气不完全的问题，保障二级分离能够彻底脱出溶液中剩余的溶解性气体；通过设置第二支管，能够使得各第二腔体内析出的气体同步并联输出，提升二次脱气的收集效率，避免气路相互干扰。

51、（4）本发明中通过设置安全阀，能够在管路内压力超限时自动泄压，防止超压泄漏风险，避免高压冲击损坏部件。

52、（5）本发明的使用方法，能够计算得到样品溶液完成气液分离前后的体积比，且气体收集单元收集的气体能够按照一定气体压力注射到到检测单元中，得到气体的体积分数，结合体积比参数，从而得到气体在溶液中的浓度，准确性和精确性高。