模擬海洋環境下的光譜觀測平臺的制作方法

專利名稱：模擬海洋環境下的光譜觀測平臺的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光譜觀測平臺，尤其是一種對模擬海洋環境下物質進行光譜檢測的觀測 平臺。
背景技術：
隨著陸地資源和能源的減少，海洋成為人們能源開發的另一個重要空間，尤其是海底熱 液系統和天然氣水合物的發現更是加速了各國海上調査研究的步伐。但是這些能源或資源一 般存儲于高溫或高壓或者高溫高壓環境中，因此為海上調査研究帶來了很多困難，對上述環 境下異常海水成分的檢測尤其困難。
光譜技術是常溫常壓下物質成分檢測的一種重要手段，然而高溫高壓環境下使用光譜技 術則比較困難，首先光譜儀一般只能在常溫常壓環境下使用，不適用于高溫高壓環境，另一 方面的困難則是來自如何對光譜儀在高溫高壓環境下測量后所得數據進行校正和解釋。廣闊 的海洋并不是一個理想的試驗光譜儀器的場所，因此為了實現對高溫高壓環境下異常海水成 分的檢測，應當建立用于觀測系統試驗和校準的觀測平臺。

發明內容
本發明的目的在于提出了一種對高溫高壓環境下的氣體和液體進行光譜觀測的觀測平 臺，該平臺與光譜儀結合使用，實現了深海高溫高壓環境下光譜系統的試驗和校準，能夠對 海底異常環境如熱液流體中的氣體和液體，尤其是對生命系統具有重要作用的C02、 H2以及CH4 等氣體進行深入研究。
本發明是采用以下的技術方案實現的 一種模擬海洋環境下的光譜觀測平臺，包括光譜 觀測裝置，其中所述的光譜觀測裝置包括模擬艙、光學透鏡組和壓力調控裝置，模擬艙包括 模擬容器和套在模擬容器外側的加熱套管，模擬容器的一側由支撐端蓋密封并固定在支架上， 支撐端蓋上設有伸入模擬容器內的進樣管和出樣管，出樣管與壓力調控裝置連通，模擬容器 的另一側設有藍寶石觀測窗，其設有藍寶石觀測窗的一側通過密封端蓋與光學透鏡組連接， 光譜儀設置于光學透鏡組后端的可調節支架上，所述的光譜觀測平合還包括預增壓制樣及常 壓進樣裝置，光譜觀測裝置通過平流泵與預增壓制樣及常壓進樣裝置連接。所述的加熱套管 由三個獨立溫控的加熱塊組成，加熱塊的外部設有保溫材料。
本發明中，所述的預增壓制樣及常壓進樣裝置包括氣體增壓系統、試樣預制容器和常壓 進樣系統，其中氣體增壓系統包括氣動增壓泵，氣動增壓泵與試樣預制容器連接，試樣預制容器的底部設有磁力攪拌裝置，其上部設有進樣閥，試樣預制容器通過其下部的進樣閥與平 流泵連接，所述的常壓進樣系統包括常壓液槽，常壓液槽通過常壓進液閥與平流泵連接。一 般情況下，常壓液槽中的流體介質通過常壓進液閥和連接管路流入平流泵；當需要進行氣液 混合或需要對觀測介質進行一定初始壓力下的配制時，啟動氣動增壓泵對氣體增壓，加壓后 的氣體在試樣預制容器中通過磁力攪拌裝置與其中的流體介質快速混勻，或使氣體達到飽和， 然后通過進樣閥由平流泵泵入高溫高壓模擬艙。
所述的氣動增壓泵與試樣預制容器的連接管路上設有壓力變送器，其用于測量試樣預制 容器中的壓力；平流泵上設有流量變送器，用于檢測流體介質的流量和流速。
所述模擬容器的一側設有凹槽，凹槽內安裝藍寶石光學觀測窗，藍寶石光學觀測窗呈圓 柱形，且邊緣為弧形倒角，其外部設有密封端蓋，藍寶石光學觀測窗與艙體凹槽底部之間設 有"0"型空心金屬密封圈，與密封端蓋之間夾設環形墊片，密封端蓋的中心且與藍寶石觀 測窗對應處設有觀測通孔。所述的光學透鏡組包括固定套筒和調整套筒，光學透鏡組通過固 定套筒固定在模擬艙的密封端蓋上，固定套筒內裝有調整套筒，調整套筒伸入固定套筒內的 一端裝有石英凸透鏡頭，對應的另一端裝有石英平面鏡頭。
所述的壓力調控裝置包括通過管路并聯連接的三路通道，其中一路通道經電控卸壓閥連 通排空管， 一路通道與爆破片連接，另一路通道為通過管路依次連接的壓力變送器、沖洗閥、 背壓閥和減壓閥，最后引入回收槽。其中壓力變送器用于檢測高溫高壓模擬艙中的壓力值， 并通過背壓閥調節和穩定模擬艙內的壓力，觀測結束時經沖洗閥清洗背壓閥內可能殘留的試 樣或雜質。當需要對觀測介質進行回收時，可以通過減壓閥將待回收液體降壓，并且液體在 管路流動過程中溫度會逐漸降低，因此觀測介質可以安全回收至回收槽中。當通過壓力變送 器檢測到模擬艙中的壓力過高時，可以通過電控卸壓閥人為對模擬艙卸壓；若內部壓力超過 系統預定承受最大壓力時，系統自動通過爆破片卸壓，保證使用安全。
本發明在使用時，通過預增壓制樣及常壓進樣裝置中的氣動增壓泵使觀測介質的工作壓 力達到規定值，待觀測介質通過進樣管進入高溫高壓模擬艙的模擬容器后，通過平流泵和壓 力調控裝置的背壓闊使模擬艙內觀測介質的壓力保持在合理的范圍內，通過壓力調控裝置中 的壓力變送器檢測到模擬容器內壓力過高時，通過爆破片或電控卸放閥及時釋放部分試樣。 模擬容器外側的加熱套管對容器內的觀測介質加熱，并通過溫控設備使其溫度保持為一定值， 觀測介質的溫度壓力滿足要求后，通過艙體上的藍寶石觀測窗，和與艙體連接的光學透鏡組 及光譜儀對其進行光譜觀測。
本發明的有益效果是通過本發明的光譜觀測平臺和光譜儀的結合，將光譜觀測技術應用于對高溫高壓環境下液體和氣體的組分檢測，實現了在深海中使用光譜觀測系統的試驗和 '校準，從而可以對深海異常環境中的各項組分，尤其是對生命系統具有重要作用的C02、 H2 以及CH4等氣體進行深入的研究。


圖l為本發明的結構示意圖2為藍寶石觀測窗口的結構示意圖3為模擬艙的安裝結構示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明包括預增壓制樣及常壓進樣裝置1和高溫高壓光譜觀測裝置2，預 增壓制樣及常壓進樣裝置1和高溫高壓光譜觀測裝置2之間通過平流泵15連接。平流泵15 上設有流量變送器16，用于監控流體介質流入高溫高壓觀測裝置2的流速和流量。預增壓制 樣及常壓進樣裝置1包括氣動增壓泵6、試樣預制容器10和常壓進樣系統，氣動增壓泵6的 預增氣進口 5通過進氣閥8'與氣體鋼瓶4連接，其測試氣出口 7通過進氣閥8與試樣預制 容器10連接，氣動增壓泵6與試樣預制容器10的連接管路上設有壓力變送器9，其用于檢 測試樣預制容器IO內的壓力。試樣預制容器10的底部設有磁力攪拌器11，該攪拌器的作用 是對需要檢測的氣體和液體進行攪拌，促使其快速混勻。試樣預制容器10通過底部出液口與 高壓進樣閥14相通，高壓混勻的試樣再經由平流泵15流入高溫高壓觀測裝置2中；其上部 還設有一進樣閥12,該進樣閥12用于通入需要觀測的其它介質。未經加壓的液體試樣置于 常壓液槽中，通過常壓進液閥13和連接管路流入平流泵15，獲得壓力后經進液閥17由進樣 管18導入高溫高壓模擬艙19中。
高溫高壓光譜觀測裝置2是整個觀測平臺的核心部分，包括高溫高壓模擬艙19、藍寶石 觀測窗23、光學透鏡組25和壓力調控裝置3，其中高溫高壓模擬艙19呈圓柱形，包括模擬 容器191和套于模擬容器191外部的加熱套管21，加熱套管21由三個分別帶有熱電偶22的 電加熱塊組成，其目的是加熱模擬容器191內介質或使容器內溫度保持穩定。如圖1和圖3 所示，模擬容器191的一側通過支撐端蓋35密封并水平固定于安裝支架24上，支撐端蓋35 上設有伸入模擬容器191內的進樣管18和出樣管20，進樣管18經進樣閥17與平流泵15連 接，出樣管20與壓力調控裝置3連接，對應的模擬容器191的另一端設有藍寶石觀測窗23。 如圖2所示，模擬容器191上安裝光學觀測窗口的一側內徑縮小并留有安裝藍寶石光學觀測 窗23的凹槽，藍寶石光學觀測窗23呈圓柱形，表面全部剖光，邊緣呈弧形倒角。藍寶石光 學觀測窗23與凹槽槽底之間設有"0"型空心金屬密封圈231。藍寶石光學觀測窗23的外部設有密封端蓋192,密封端蓋192的中心且與藍寶石光學觀測窗23對應處設有觀測通孔， 密封端蓋192與藍寶石光學觀測窗23之間夾設環形紫銅墊片232，該墊片可以緩解藍寶石光 學觀測窗23的損傷和變形應力。高溫高壓模擬艙19設有藍寶石觀測窗23的一端通過密封端 蓋192與光學透鏡組25連接，光學透鏡組25包括固定套筒251和調整套筒252，光學透鏡 組25通過固定套筒251固定在密封端蓋192上，固定套筒251內裝有位置可調的調整套筒 252，調整套筒252伸入固定套筒251的一端裝有石英凸透鏡頭253，對應的另一端裝有石英 平面鏡頭254。如圖1所示，光學透鏡組25的后端連接有光譜儀26，光譜儀置于可調節支架 27上，通過光譜儀26對模擬容器191中的觀測介質進行光譜觀測。
壓力調控裝置3連接于模擬艙中出樣管20的伸出端，通過轉接頭形成三路通道，其中一 路通道經電控卸壓閥33連通排空管34， 一路通道與爆破片32連接，另一路通道為通過管路 依次連接的壓力變送器9、沖洗閥28、背壓閥29和減壓閥30，之后經管路引入回收槽31。 其中壓力變送器9用于檢測高溫高壓模擬艙19中的壓力值，并通過背壓閥29調節和穩定模 擬艙19內的壓力，觀測結束時經沖洗閥28清洗背壓閥29內可能殘留的試樣或雜質。當需要 對觀測介質進行回收時，可以通過減壓閥30將待回收液體降壓，并且液體在管路流動過程中 溫度會逐漸降低，因此觀測介質可以安全回收至回收槽31中。當通過壓力變送器9檢測到模 擬艙19中的壓力過高時，可以通過電控卸壓閥33人為對模擬艙卸壓；若內部壓力超過系統 預定承受最大壓力時，系統自動通過爆破片32卸壓，保證使用安全。
所述的高溫高壓模擬艙安裝時，如圖3所不，首先將金屬密封圈231、藍寶石光學觀測 窗23和環形紫銅墊片232通過密封端蓋192依次固定在模擬容器191 一側的凹槽內，模擬容 器191另一側安裝支撐端蓋35，其與模擬容器191之間設有"0"形空心金屬密封圈351;然 后，將模擬容器191通過支撐端蓋35固定在安裝支架24上；接下來，將光學透鏡組25固定 在密封端蓋192上；最后將三個設有獨立電偶的加熱塊依次套在模擬容器191上，通過拉緊 套使加熱套管21緊靠模擬容器191的外壁。
使用本發明所述的光譜觀測平臺對高溫高壓氣體或液體進行光譜觀測的工作過程如下所 述將高溫高壓觀測裝置2安裝固定于支架上，并將模擬艙19內充滿初始試樣。常壓下配制 好的溶液樣品可以置于常壓液槽中，開啟常壓進液閥13，關閉高壓進樣閥14，通過連接管路 和常壓進液陶13直接由平流泵15泵入高溫高壓模擬艙19中。泵入過程中旋轉背壓閥29， 使高溫高壓模擬艙19中的試樣控制在光譜觀測所需的壓力。如果需要對液體進行加熱時，啟 動模擬容器191外部的加熱套管21，通過熱電偶22對加熱溫度進行實時檢測，按照設定的 加熱曲線對觀測介質進行加熱，使其達到并保持在所需的溫度。觀測介質的工作溫度和工作壓力達到規定的要求后，即可開始光譜檢測。
當需要進行氣液混合實驗或需要對觀測介質進行一定初始壓力下的配制時，將一定量的 流體介質注入試樣預制容器10中，同時氣體鋼瓶4中的氣體通過氣動增壓閥6加壓，使其壓 力升高到試驗指定的壓力值，加壓后的氣體通過進氣闊8通入試樣預制容器10中，需要加入 的其它介質可以通過進樣閥12同時導入。啟動試樣預制容器10底部的磁力攪拌器11，攪拌 容器內的液體和氣體，使其快速達到混勻或使氣體飽和。通過背壓閥29調控艙內壓力，通過 熱電偶22和加熱塊調控艙內溫度。觀測介質的工作溫度和工作壓力達到規定的要求后，即可 開始光譜檢測。
觀測過程中可通過溫度和壓力控制裝置隨時調控溫度和壓力，也可以釋放部分介質進入 回收槽31中。
觀測結束后，通過高溫高壓模擬艙19上的加熱套管21降溫，通過壓力調控裝置3對艙 體內的觀測介質降壓。
工作溫度在20 — 35(TC之間，工作壓力在l一40MPa之間的觀測介質都可以采用本發明提 供的光譜檢測平臺進行光譜檢測。
權利要求
1、一種模擬海洋環境下的光譜觀測平臺，包括光譜觀測裝置，其特征在于所述的光譜觀測裝置包括模擬艙、光學透鏡組和壓力調控裝置，其中模擬艙包括模擬容器和套在模擬容器外側的加熱套管，模擬容器的一側由支撐端蓋密封并固定在支架上，支撐端蓋上設有伸入模擬容器內的進樣管和出樣管，出樣管與壓力調控裝置連通，模擬容器的另一側設有藍寶石觀測窗，其設有藍寶石觀測窗的一側通過密封端蓋與光學透鏡組連接，光譜儀設置于光學透鏡組后端的可調節支架上，所述的光譜觀測平臺還包括預增壓制樣及常壓進樣裝置，光譜觀測裝置通過平流泵與預增壓制樣及常壓進樣裝置連接。
2、 根據權利要求l所述的模擬海洋環境下的光譜觀測平臺，其特征在于所述的預增壓 制樣及常壓進樣裝置包括氣體增壓系統、試樣預制容器和常壓進樣系統，其中氣體增壓系統 包括氣動增壓泵，氣動增壓泵與試樣預制容器連接，試樣預制容器的底部設有磁力攪拌裝置， 其上部設有進樣閥，試樣預制容器通過其下部的進樣閥與平流泵連接，所述的常壓進樣系統 包括常壓液槽，常壓液槽通過常壓進液閥與平流泵連接。
3、 根據權利要求2所述的模擬海洋環境下的光譜觀測平臺，其特征在于所述的氣動增壓泵與試樣預制容器的連接管路上設有壓力變送器。
4、 根據權利要求2所述的模擬海洋環境下的光譜觀測平臺，其特征在于所述的平流泵上設有流量變送器。
5、 根據權利要求l所述的模擬海洋環境下的光譜觀測平臺，其特征在于所述模擬容器 的一側設有凹槽，凹槽內安裝藍寶石光學觀測窗，藍寶石光學觀測窗呈圓柱形，且邊緣為弧 形倒角，其外部設有密封端蓋，藍寶石光學觀測窗與艙體凹槽底部之間設有"0"型空心金 屬密封圏，與密封端蓋之間夾設環形墊片，密封端蓋的中心且與藍寶石觀測窗對應處設有觀 測通孔。
6、 根據權利要求l所述的模擬海洋環境下的光譜觀測平臺，其特征在于所述的光學透 鏡組包括固定套筒和調整套筒，光學透鏡組通過固定套筒固定在模擬艙的密封端蓋上，固定 套筒內裝有調整套筒，調整套筒伸入固定套筒內的一端裝有石英凸透鏡頭，對應的另一端裝 有石英平面鏡頭。
7、 根據權利要求l所述的模擬海洋環境下的光譜觀測平臺，其特征在于所述的加熱套 管由三個獨立溫控的加熱塊組成，加熱塊的外部設有保溫材料。
8、 根據權利要求l所述的模擬海洋環境下的光譜觀測平臺，其特征在于所述的壓力調 控裝置包括通過管路并聯連接的三路通道，其中一路通道經電控卸壓閥連通排空管， 一路通 道與爆破片連接，另一路通道為通過管路依次連接的壓力變送器、沖洗閥、背壓閥和減壓閥， 最后引入回收槽。
全文摘要
本發明涉及一種光譜觀測平臺，尤其是一種對模擬海洋環境下物質進行光譜檢測的觀測平臺。其包括光譜觀測裝置，該裝置包括模擬艙、光學透鏡組和壓力調控裝置，模擬艙包括模擬容器和套在模擬容器外側的加熱套管，模擬容器的一側由支撐端蓋密封并固定在支架上，其另一側設有藍寶石觀測窗，該側通過密封端蓋與光學透鏡組連接，光譜儀設置于光學透鏡組后端的可調節支架上，該平臺還包括預增壓制樣及常壓進樣裝置，光譜觀測裝置通過平流泵與預增壓制樣及常壓進樣裝置連接。本發明實現了深海高溫高壓環境下光譜系統的實驗和校準，能夠對海底異常環境如熱液流體中的氣體和液體，尤其是對生命系統具有重要作用的CO₂、H₂以及CH₄等氣體進行深入研究。
文檔編號G01N21/17GK101441168SQ20081023786
公開日2009年5月27日 申請日期2008年12月6日 優先權日2008年12月6日
發明者于增慧, 軍 程, 翟世奎, 趙廣濤, 韓宗珠 申請人:中國海洋大學