一種計量微量氣體的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于有機廢棄物厭氧消化技術領域，涉及一種計量微量氣體的裝置及方法。
【背景技術】
[0002]隨著環境污染壓力與可再生能源需求的持續增加，利用厭氧消化技術處理有機垃圾、畜禽糞便、秸桿、高濃度有機廢水等生產清潔能源沼氣的工藝技術，得到廣泛運用。在厭氧發酵試驗中，氣體的產生量是評價厭氧消化工藝技術及消化裝置優劣的關鍵參數。
[0003]目前，對實驗室厭氧發酵裝置產氣量計量的方法主要有三種:一是濕式氣體流量計，該儀器量程大，分辨率差，在計量實驗室規模的微量氣體時誤差較大，實驗精度差；二是使用排水法計量，排水法一般用發酵裝置中產生氣體擠壓計量瓶中的水流入量筒中，來計量氣體的體積，該方法裝置復雜，需操者定期需向排水容器中補加水，增加了操作者勞動，同時排水過程中收集瓶中的液體的容易發生虹吸作用，且氣體中的二氧化碳等組分易溶解于水中，從而造成氣體體積計量誤差較大，實驗精度低；三是使用市場上銷售的微量氣體流量計直接測量，如瑞典碧普公司(B1process Control SwedenAB)的微量氣體流量計，這種進口儀器價格昂貴，一般無法在實驗室中批量使用。
[0004]根據檢索，發現如下與本申請相關的專利文獻，具體公開內容如下:
[0005]專利文獻CN103674156A —種實驗室微量氣體計量裝置，由氣體凈化單元、計量收集單元和控制單元組成，氣體凈化單元包括進氣管、干燥柱、脫硫柱和進氣電磁閥，干燥柱內填充干燥劑，脫硫柱內填充脫硫劑；計量收集單元包括U型計量管、恒溫水浴槽、出氣電磁閥、出氣電磁閥出口管和氣體收集袋，U型計量管內裝有計量液體，U型計量管置于恒溫水浴槽內；控制單元包括液位控制器、進氣電磁閥控制開關、出氣電磁閥控制開關、電子讀數器和電源。
[0006]專利文獻CN202837140U本實用新型涉及一種微量氣體計量裝置，注水管經瓶塞插入反應燒瓶內，導氣管一端經瓶塞插入反應燒瓶內、另一端依次接通微壓力傳感器、吸氣控制電磁閥、三通、排氣控制電磁閥接入集氣氣囊內、三通的另一端口用另一根導氣管分別與A吸排氣計量栗、B吸排氣計量栗的氣室相通，連桿固定在鎖緊裝置內并兩端分別與A吸排氣計量栗、B吸排氣計量栗的活塞桿固定在一起，同步帶套裝在A同步輪、鎖緊裝置和B同步輪上，A同步輪與B同步輪拉緊同步帶后固定，步進電機與B同步輪連接在一起，微壓力傳感器與控制單元相連。
[0007]上述裝置與本申請的技術特征差異較大，不影響本申請的新穎性和創造性。
【發明內容】
[0008]本發明的目的是針對目前實驗室計量微量氣體中存在的誤差較大、裝置復雜、計量精度低以及成本高等問題，采用壓力轉化法，提供一種結構簡單、制作成本低、安裝方便、易于實施、讀數快速精確的實驗室計量微量氣體的裝置。本發明既可快速、準確測定氣體產生量，又可測定氣體產生的速率，可完全滿足實驗室研究要求。
[0009]本發明解決技術問題所采用的技術方案是:
[0010]一種計量微量氣體的裝置，由氣體收集單元、氣體控制單元、氣體計量單元組成，氣體收集單元負責整個裝置中氣體收集和排出，氣體控制單元負責進、出氣相關開關以及電路的聯調聯控，氣體計量單元負責收集到氣體的體積的計量，具體結構如下:
[0011]氣體收集單元包括進氣管、氣體收集管進氣管路、氣體收集管排氣管、氣體收集管、恒溫水浴夾套、水、恒溫水浴夾套溫度控制器，其中氣體收集管進氣管路與進氣電磁閥出口管連接，氣體收集管排氣管與排氣電磁閥進口管連接，氣體收集管排氣管路端口連接精密氣體壓力表，氣體收集管外壁由恒溫水浴夾套包裹，恒溫水浴夾套地步安裝溫度控制器，控制恒溫水浴溫度；
[0012]氣體控制單元包括進氣電磁閥、排氣電磁閥、進氣電磁閥控制開關、排氣電磁閥控制開關與電源控制器，其中進氣電磁閥進口管與進氣管串聯連接，排氣電磁閥出口管與出氣管串聯連接，進氣電磁閥、出氣電磁閥通過導線分別與進氣電磁閥控制開關、排氣電磁閥排氣控制開關連接，進氣電磁閥控制開關、排氣電磁閥控制開關分別通過導線與電源控制器連接；
[0013]氣體計量單元包括精密氣體壓力表、電子計數器與導線，精密氣體壓力表通過導氣管與氣體收集管上端端口連接，精密氣體壓力通過導線與電源控制器連接，電子計數器通過導線與電源控制器連接。
[0014]而且，所述氣體收集管材質為高硼娃玻璃，內徑2_5cm、壁厚6_10_、高度10-20cm，氣體收集管的進氣端口、排氣端口的外徑均為0.3cm。
[0015]而且，所述進氣管、排氣管、氣體收集管進氣管、氣體收集管排氣管材質均為防腐塑料管，內徑均為0.3cm。
[0016]而且，所述精密氣體壓力計為防腐材質。
[0017]采用的計量微量氣體的裝置計量氣體的方法，方法的步驟如下:
[0018]⑴操作流程:
[0019]初始狀體下，本發明裝置中的進氣電磁閥開啟，排氣電磁閥關閉；由實驗室厭氧發酵反應器產生的氣體順次通過進氣管、進氣電磁閥、氣體收集管進氣管后進入氣體收集管，此時氣體收集管開始存儲氣體；當氣體收集管上端的精密氣體壓力表讀數達到設定值后，精密氣體壓力表中所攜帶的壓力傳感器開始啟動，此時進氣電磁閥關閉，排氣電磁閥開啟，氣體收集管中的氣體從排氣電磁閥排出；帶有數據采集、存儲與傳輸功能的電子計數器開始實時記錄讀數；排氣電磁閥開啟后，氣體收集管中的氣體壓力開始下降，經過10秒中左右的穩定時間，精密氣體壓力表中的氣體壓力穩定在“0”刻度處，此時出氣電磁閥關閉，進氣電磁閥開啟，厭氧發酵反應器產生的氣體開始通過進氣管、進氣電磁閥、氣體收集管進氣管后進入氣體收集管存儲，如此循環；
[0020]氣體收集管置于恒溫水浴夾套中的主要目的是保持氣體收集管中的氣體溫度與厭氧反應器中的一致，防止由于環境溫度變化引起的氣體體積變化，使得計量的氣體體積精確；
[0021]⑵氣體體積計算方法:
[0022]根據氣體收集管的容積與電子計數氣的讀數，結合恒溫水浴夾套設定的溫度，采用標準氣體狀態方程，將記錄到的氣體壓力折算為標準狀況下(0°C，1標準大氣壓)的氣體體積。
[0023]氣體體積計算公式為:
[0024]累計氣體產生量計算公式:公式一
[0025]V = (P+NXPq) XVo+101.325X273+(273+T)
[0026]其中:
[0027]V:表不累積產氣量，單位Nml
[0028]P:表示記錄的氣體收集管中的氣體壓力，單位為kPa ;
[0029]P ;:表示設定的精密氣體壓力表壓力傳感器啟動壓力讀數，單位為kPa ;
[0030]V。:氣體收集管的容積，單位為ml ;
[0031]N:表示電子計數器的讀數；
[0032]101.325:為1標準大氣壓的氣壓數，單位為kPa ；
[0033]T:恒溫水浴夾套溫度控制器設定的溫度，單位為。C ;
[0034]日產氣量計算公式:
[0035]V,= [(P D + CN-N, i) XP0)] XV0^-101.325X273^- (273+T) 公式二
[0036]其中:
[0037]Vi =第i天產生的氣體體積，單位Nml/d
[0038]P1:表示第i次記錄的氣體收集管中的氣體壓力，單位為kPa ;
[0039]Px 1:表示第1-Ι次記錄的氣體收集管中的氣體壓力，單位為kPa ;
[0040]V。:氣體收集管的有效容積，單位為ml ;
[0041]P。:表示設定的精密氣體壓力表壓力傳感器啟動壓力讀數，單位為kPa ；
[0042]N1:表示第i天的電子計數器讀數；
[0043]N, 1:表示第1-Ι天的電子計數器讀數；
[0044]101.325:為1標準大氣壓的氣壓數，單位為kPa ；
[0045]T:恒溫水浴夾套溫度控制器設定的溫度，單位為。C。
[0046]本發明的優點和積極效果是:
[0047]本發明的目的是針對實驗室在以往進行有機廢棄物厭氧發酵試驗中計量氣體體積時存在的問題，提供一種結構簡單、制作安裝方便、成本低、計量精確高、計量過程快速簡便的微量氣體計量裝置與計量方法，對厭氧發酵裝置產生的氣體進行精密計量，從而優化厭氧發酵工藝。
【附圖說明】
[0048]圖1為該裝置結構示意圖。
[0049]圖中:1、進氣管；2、進氣電磁閥；3、氣體收集管進氣管；4、氣體收集管；5、恒溫水浴夾套；6、水；7、恒溫水浴夾套溫度控制器；8、精密氣體壓力表；9、氣體收集管排氣管；10、排氣電磁閥；11、進氣電磁閥控制開關；12、排氣電子閥控制開關；13、電子計數器；14、電源控制器；15、金屬導線；16、出氣管
[0050]圖2為實施例1產沼氣曲線圖。
[0051]圖3為實施例2甲烷產氣速率圖。
【具體實施方式】
[0052]下面結合附圖并通過具體實施例對本發明作進一步詳述，以下實施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本發明的保護范圍。
[0053]實施例1:
[0054]—種計量微量氣體的裝置，由氣體收集單元、氣體控制單元、氣體計量單元組成，氣體收集單元負責整個裝置中氣體收集和排出，氣體控制單元負責進、出氣相關開關以及電路的聯調聯控，氣體計量單元負責收集到氣體的體積的計量，所述三個單元采用的元器件均為現有技術中的元器件，具體連接方式如下:
[0055]其中，氣體收集單元包括進氣管1、出氣管16、氣體收集管進氣管路3、氣體收集管排氣管9、氣體收集管4、恒溫水浴夾套5、水6、恒溫水浴夾套溫度控制器7。其中氣體收集管進氣管路3與進氣電磁閥2出口管連接，氣體收集管排氣管9與排氣電磁閥10進口管連接，氣體收集管排氣管路9端口連接精密氣體壓力表8，氣體收集管4外壁由恒溫水浴夾套5包裹，中間裝有水6，恒溫水浴夾套溫度控制器7位于恒溫水浴夾套底部；
[0056]氣體控制單元包括進氣電磁閥2、排氣電磁閥10、進氣電磁閥控制開關11、排氣電磁閥控制開關12與