устройство и способ отбора проб материала

Формула изобретения

1. Устройство для отбора проб такого материала, как жидкость, вязкая текучая среда или хрупкий, рыхлый, твердый материал, содержащее полый цилиндр для отбора проб, открытый в основании и ограничивающий открытую полость, сообщающуюся со средством, образующим вытяжной канал, надуваемые средства для перекрытия отобранного материала, установленные у основания полого цилиндра, смонтированного с возможностью вертикального перемещения во внешнем цилиндре, открытом со стороны поршня, средство для подачи и отвода текучей среды в средства для перекрытия отобранного материала, которые выполнены в виде эластичных мембран, по меньшей мере один полый шток, соединенный с верхней части с внешним цилиндром и на уровне верхней части внешнего цилиндра - с вытяжным каналом и соединенный в своей нижней части с неподвижным поршнем, выполненным в виде средства остановки полого цилиндра для отбора проб в нижнем положении и уплотняющего средства при перемещении полого цилиндра для отбора проб, образованную внешним цилиндром и неподвижным поршнем камеру давления, в которой установлен с возможностью перемещения цилиндр для отбора проб и по меньшей мере одно отверстие, выполненное в полом штоке в его нижней части, сообщающееся с полостью цилиндра для отбора проб, отличающееся тем, что оно снабжено расположенными в верхней части внешнего цилиндра средствами, соединенными с одной стороны с источником питания и с другой стороны с выходом наружу для подачи текучей среды под давлением в камеру давления для обеспечения перемещения полого цилиндра для отбора проб в позицию отбора и отвода текучей среды при опускании внешнего цилиндра на полый цилиндр для обора проб, а средства для подачи и отвода текучей среды в средства для перекрытия отобранного материала снабжены капиллярной трубкой для соединения мембраны, выполненной резиновой, с гибким шлангом, расположенным в верхней части внешнего цилиндра и соединенным с источником питания текучей среды под давлением.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что полый шток выполнен центральным.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внешняя поверхность цилиндра для отбора проб и внутренняя поверхность внешнего цилиндра снабжены установленными по меньшей мере на частях их высоты средствами для предотвращения вращения одного из цилиндров.

4. Устройство по одному из пп.1 - 3, отличающееся тем, что поршень снабжен в своей верхней части электрическим контактом для сигнализации о нахождении цилиндра для отбора проб в позиции для отбора проб.

5. Устройство по любому из пп.1 - 4, отличающееся тем, что поршень выполнен из двух частей, соединенных между собой через уплотнение, расположенное между частями и с одной стороны обеспечивающее герметичность между полостью для отбора проб и камерой давления в процессе перемещения цилиндра для отбора проб сверху вниз и с другой стороны обеспечивающее роль скребка при опускании внешнего цилиндра на цилиндр для отбора проб.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что полый шток соединен в своей верхней части на уровне верхней части внешнего цилиндра со средством для подачи жидкости под давлением для очистки цилиндра для отбора проб во время опускания внешнего цилиндра на него, причем в верхней части цилиндра для отбора проб образован кольцевой желобок для выхода в него жидкости через отверстие или отверстия в полом штоке во время расположения цилиндра для отбора проб в нижней позиции отбора проб и расположения внешнего цилиндра в нижнем положении при расположении эластичного уплотнения между двумя частями поршня.

7. Устройство по любому из пп.1 - 6, отличающееся тем, что нижний конец цилиндра отбора проб имеет профиль, наиболее оптимальный для нормального проникновения отбираемого материала.

8. Способ для отбора проб такого материала, как жидкость, вязкая текучая среда или хрупкий рыхлый, твердый материал, при котором в материал вводят цилиндр устройства для отбора проб под действием нагнетаемой в камеру давления текучую среду до тех пор, пока цилиндр не обопрется на поршень, осуществляют заполнение материалом цилиндра, нагнетают текучую среду под давлением в средства для перекрытия удерживаемого в цилиндре материала, извлекают из цилиндра отобранный материал, сдувают средства для перекрытия удерживаемого в цилиндре материала и опускают внешний цилиндр на цилиндр для отбора проб, отличающийся тем, что для отбора проб используют устройство по любому из пп. 1 - 7.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что в качестве текучей среды, нагнетаемой в камеру давления для перемещения цилиндра для отбора проб в материал и нагнетаемой в средство для перекрытия удерживаемого в цилиндре материала, используют газ под давлением, преимущественно сжатый воздух.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройству и способу для отбора проб материала, такого, как жидкость, вязкая текучая среда или хрупкий, рыхлый твердый материал.

В качестве жидкости могут быть использованы раствор или суспензия, в качестве вязкой текучей среды, например, шламы, в качестве рыхлого хрупкого материала - твердое тело, имеющее очень низкую твердость, например песок или крепкое твердое тело, предварительно дробленное.

В настоящее время для отбора проб твердых материалов применяют колонковые трубы (грунтоносы). Эти устройства в основном состоят из полой трубы, смонтированной на конце буровой колонны, нижний конец которой является режущим, для отбора жидкостей обычно используют шприцы или насосы.

Известно устройство для отбора проб такого материала, как жидкость, вязкая текучая среда или хрупкий, рыхлый, твердый материал, содержащее полый цилиндр для отбора проб, открытый в основании и ограничивающий открытую полость, сообщающуюся со средством, образующим вытяжной канал, надуваемые средства для перекрытия отобранного материала, установленные у основания полого цилиндра, смонтированного с возможностью вертикального перемещения во внешнем цилиндре, открытом со стороны поршня. Устройство имеет средство для подачи и отвода текучей среды в средства для перекрытия отобранного материала, которые выполнены в виде эластичных мембран, по меньшей мере один полый шток, соединенный в верхней части с внешним цилиндром и на уровне верхней части внешнего цилиндра - с вытяжным каналом и соединенный в своей нижней части с неподвижным поршнем, выполненным в виде средства остановки полого цилиндра для отбора проб в нижнем положении и уплотняющего средства при перемещении полого цилиндра для отбора проб, образованную внешним цилиндром и неподвижным поршнем камеру давления. В камере давления установлен с возможностью перемещения цилиндр для отбора проб. По меньшей мере одно отверстие выполнено в полом штоке в его нижней части, сообщающейся с полостью цилиндра для отбора проб [1].

В этом устройстве осуществляется способ для отбора проб такого материала, как жидкость, вязкая текучая среда или хрупкий, рыхлый, твердый материал, при котором в материал вводят цилиндр устройства для отбора проб, под действием нагнетаемой в камеру давления текучей среды до тех пор, пока цилиндр не обопрется на поршень, осуществляют заполнение материалом цилиндра, нагнетают текучую среду под давлением в средства для перекрытия удерживаемого в цилиндре материала, извлекают из цилиндра отобранный материала, сдувают средства для перекрытия удерживаемого в цилиндре материала и опускают внешний цилиндр на цилиндр для отбора проб.

В вышеописанных устройстве, и способе используется единственный канал для единственной текучей среды, которая вначале приводит цилиндр для отбора проб в его нижнее положение отбора проб, а затем автоматически открывает канал для циркуляции упомянутой текучей среды к мембране и для наддува мембраны. В этом устройстве невозможно свободно устанавливать время его открытия. Это создает реальную проблему, когда для пробы отбирается весьма вязкая текучая среда.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение эффективности устройства и способа для отбора проб такого материала, как жидкость, вязкая текучая среда или хрупкий, рыхлый, твердый материал.

Этот технический результат достигается тем, что в устройстве для отбора проб такого материала, как жидкость, вязкая текучая среда или хрупкий, рыхлый, твердый материал, содержащем полый цилиндр для отбора проб, открытый в основании и ограничивающий открытую полость, сообщающуюся со средством, образующим вытяжной канал, надуваемые средства для перекрытия отобранного материала, установленные у основания полого цилиндра, смонтированного с возможностью вертикального перемещения во внешнем цилиндре, открытом со стороны поршня, средство для подачи и отвода текучей среды в средства для перекрытия отобранного материала, которые выполнены в виде эластичных мембран, по меньшей мере один полый шток, соединенный в верхней части с внешним цилиндром и на уровне верхней части внешнего цилиндра - с вытяжным каналом и соединенный в своей нижней части с неподвижным поршнем, выполненным в виде средства остановки полого цилиндра для отбора проб в нижнем положении и уплотняющего средства при перемещении полого цилиндра для отбора проб, образованную внешним цилиндром и неподвижным поршнем камеру давления, в которой установлен с возможностью перемещения цилиндр для отбора проб и по меньшей мере одно отверстие, выполненное в полом штоке в его нижней части, сообщающейся с полостью цилиндра для отбора проб, согласно изобретению, имеются расположенные в верхней части внешнего цилиндра средства, соединенные, с одной стороны, с источником питания и, с другой стороны - с выходом наружу для подачи текучей среды под давлением в камеру давления для обеспечения перемещения полого цилиндра для отбора проб в позицию отбора и отвода текучей среды при опускании внешнего цилиндра на полый цилиндр для отбора проб, а средства для подачи и отвода текучей среды в средства для перекрытия отобранного материала снабжены капиллярной трубкой для соединения мембраны, выполненной резиновой, с гибким шлангом, расположенным в верхней части внешнего цилиндра и соединенным с источником питания текучей среды под давлением.

В вышеописанном устройстве обеспечивается полная независимость операций по опусканию цилиндра для отбора проб для его установки, размещению в глубине материала и надуванием раздуваемых средств перекрытия. Эти две операции осуществляются различными средствами.

Предпочтительно, чтобы полый шток был выполнен центральным.

Целесообразно, чтобы внешняя поверхность цилиндра для отбора проб и внутренняя поверхность внешнего цилиндра были снабжены установленными по меньшей мере на частях их высоты средствами для предотвращения вращения одного из цилиндров относительно другого.

Предпочтительно, чтобы поршень был снабжен в своей верхней части электрическим контактом для сигнализации о нахождении цилиндра для отбора проб в позиции для отбора проб.

Можно выполнить поршень из двух частей, соединенных между собой через уплотнение, распложенное между частями и, с одной стороны, обеспечивающее герметичность между полостью для отбора проб и камерой давления в процессе перемещения цилиндра для отбора проб сверху вниз, и, с другой стороны, обеспечивающее роль скребка при опускании внешнего цилиндра на цилиндр для отбора проб.

Целесообразно, чтобы полый шток был соединен в своей верхней части на уровне верхней части внешнего цилиндра со средствами для подачи жидкости под давлением для очистки цилиндра для отбора проб во время опускания внешнего цилиндра на него, причем в верхней части цилиндра для отбора проб был образован кольцевой желобок для выхода в него жидкости через отверстие или отверстия в полом штоке во время расположения цилиндра для отбора проб в нижней позиции отбора проб и расположения внешнего цилиндра в нижнем положении при расположении эластичного уплотнения между двумя частями поршня.

Желательно, чтобы нижний конец цилиндра для отбора проб имел профиль, наиболее оптимальный для нормального проникновения отбираемого материала.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в способе для отбора проб такого материала, как жидкость, вязкая текучая среда или хрупкий, рыхлый, твердый материал, при котором в материал вводят цилиндр устройства для отбора проб, под действием нагнетаемой в камеру давления текучей среды до тех пор, пока цилиндр не обопрется на поршень, осуществляют заполнение материалом цилиндра, нагнетают текучую среду под давлением в средства для перекрытия удерживаемого в цилиндре материала, извлекают из цилиндра отобранный материал, сдувают средства для перекрытия удерживаемого в цилиндре материала и опускают внешний цилиндр на цилиндр для отбора проб, согласно изобретению, для отбора проб используют вышеописанное устройство.

Предпочтительно, чтобы в качестве текучей среды, нагнетаемой в камеру давления для перемещения цилиндра для отбора проб в материал и нагнетаемой в средства для перекрытия удерживаемого в цилиндре материала, используют газ под давлением, преимущественно сжатый воздух.

На фиг. 1-4 изображен в схематичном виде способ отбора проб материала; на фиг. 5 - вертикальный разрез устройства для отбора проб материала, согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения; на фиг. 6 - вид сверху в сечении по линии VI-VI устройства, показанного на фиг. 5; на фиг. 7 - вид в сечении по линии VII-VII устройства, показанного на фиг. 5; на фиг. 8 - вид в сечении по линии VIII-VIII устройства, показанного на фиг. 6; на фиг. 9 - вид в сечении по линии IX-IX устройства, показанного на фиг. 6.

Показанное на фиг. 1-4 устройство для отбора проб содержит цилиндр 1 для отбора проб, открытый в своем основании и снабженный у своего основания надуваемой эластичной мембраной 2, способной к раздуванию, чтобы перекрыть указанное основание. Цилиндр 1 для отбора проб выполнен с возможностью вертикального перемещения во внешнем цилиндре 3. Кроме того, он дополнительно направляется во время этого перемещения посредством центрального полого штока 4, жестко соединенного своим нижним конусом с неподвижным поршнем 5 и своим верхним конусом с верхней частью внешнего цилиндра 3.

Устройство включает также образованную внешним цилиндром 3 и поршнем 5 камеру давления, в которой перемещается под давлением воздуха цилиндр 1 или набор взятых проб. На фиг. 1-4 не представлено средство, образующее вытяжной канал.

Указанное устройство применяют следующим образом.

Устройство подводится так, как представлено на фиг. 2, к месту отбора пробы материала M и размещается своим основанием ниже уровня поверхности отбираемого материала M. Затем цилиндр 1 для отбора проб погружается в указанный материал под действием текучей среды, нагнетаемой в камеру давления, ограниченную внешним цилиндром 3 и неподвижным поршнем 5 до тех пор, пока цилиндр 1 для отбора проб не начинает опираться на поршень 5 и наполняться материалом M. Надуваемая мембрана 2 при этом убрана внутри. Нижний конец цилиндра 1 для отбора проб скошен для облегчения проникновения цилиндра 1 в материал M. Нижний конец внешнего цилиндра 3 также скошен.

Когда цилиндр 1 для отбора проб наполнен материалом M, надувают указанную мембрану 2, оказывая давление соответствующим газом, например азотом, для осуществления перекрывания цилиндра 1 для отбора проб, заполненного пробой материала M. Мембрана 2 способна образовывать утолщение, валик. Она должна обладать гибкостью и соответствующей прочностью для обеспечения своих функций. Эта мембрана 2 для перекрывания основания цилиндра 1 в надутом состоянии будет иметь форму внутреннего валика - кольцевого и периферического. Мембрана 2 должна выдерживать соответствующее внутреннее давление для герметичного закрытия отобранной пробы.

Таким образом, определенное количество материала M находится закрытым во внутреннем объеме цилиндра 1 для отбора проб (фиг. 2).

Когда отбор пробы произведен, заполненный материалом цилиндр 1 для отбора проб, находящийся в нижнем положении, поднимается и располагается над емкостью 6 (фиг. 3), предназначенной для хранения или дальнейшего анализа пробы отобранного материала.

Надутая мембрана 2 затем убирается внутрь посредством внутренней депрессии валика.

Проба материала M после отбора вытекает одновременно под действием силы тяжести и под действием поршня 5 путем опускания внешнего цилиндра 3 на цилиндр 1 отбора проб до упора на емкость 6. Во время этого опускания поршень 5 скребет внутренние стенки цилиндра 1 отбора проб и таким образом обеспечивает их очистку. Устройство при этом находится в положении, которое схематично показано на фиг. 4.

На фиг. 5-9 показан более подробно предпочтительный вариант устройства согласно изобретению.

Согласно этому варианту выполнения устройства цилиндр 7 для отбора проб не является моноблоком. Он состоит из четырех частей 8, 9, 10, 11, составляющих набор для отбора проб. Верхняя часть 8 представляет собой подвижный поршень, жестко соединенный с частями 9, 10, 11 с помощью винта 12 без головки. Нижняя часть 11 является скошенным башмаком, который, с одной стороны, облегчает проникновение цилиндра 7 для отбора проб в отбираемый материал, и который, с другой стороны, участвует в блокировке нижней части надуваемой мембраны 13.

Цилиндр 7 для отбора проб приводится в вертикальное перемещение внутри внешнего цилиндра 14. В процессе этого движения он направляется центральным полым штоком 15. Центральный шток 15 жестко соединен в своей нижней части посредством винта 16 с неподвижным поршнем 17.

Поршень 17 имеет верхнюю часть 18, представляющую собой гайку и нижнюю часть 19 - шайбу зажима, объединенные между собой, между которыми удерживается уплотнение 20. Уплотнение 20 - изгибаемо, деформируемо. Во время опускания цилиндра 7 для отбора проб уплотнение 20 обеспечивает герметичность между полостью, освобожденной для отбора проб, и камерой 21 давления, закрывая материалу доступ между верхней частью 18 поршня 17 и верхний частью 8 цилиндра 7. Во время опускания внешнего цилиндра 14 на цилиндр 7 он очищает путем соскребания внутренние стенки этого цилиндра 7.

Верхняя часть 18 поршня 17 включает подвижный электрический контакт 22, установленный на пружине 23 сжатия, воспринимающей погрешности вертикального размещения верхней части 8. Контакт 22, установленный в корпусе, изолированном от массы, обеспечивает ее непрерывность, приходя в контакт с гнездом 24. Он предназначен для сигнализации о расположении цилиндра 7 для отбора проб в нижней позиции для отбора проб. Указанная позиция соответствует соприкосновению контакта 22 с верхней частью 8 цилиндра 7 отбора проб. Перемещение цилиндра 7 во внешний цилиндр 14 направляется, кроме того, благодаря взаимодействию средств, расположенных соответственно на внешней поверхности цилиндра 7 и внутренней поверхности цилиндра 14 и препятствующих любому вращению цилиндра 7, 14 относительно друг друга. Одно средство состоит из продольного желобка 25, другое средство - выступа (пальца) 26, закрепленного винтом. Палец 26 проскальзывает в продольный желобок 25 во время перемещений одного цилиндра относительно другого.

Надуваемая мембрана 13 предназначена путем надувания перекрыть полость для отбора проб, когда цилиндр 7 для отбора наполнен и находится в нижней позиции. С этой целью она соединена с источником питания текучей среды под давлением. Средства для подачи и отбора текучей среды в мембрану 14 включают патрубок 27, гибкий шланг 28 и капиллярную трубку 29. Гибкий шланг 28 намотан спиралеобразно в камере 21 давления. Он раскручивается во время опускания цилиндра 7 в нижнее положение для взятия проб.

Для опускания цилиндра 7 в позицию для отбора проб применяют текучую среду под давлением в камере 21 давления. Эта текучая среда подается снаружи трубой 30 (фиг. 8). Когда внешний цилиндр 14 опустился на цилиндр 7 для отбора проб в нижней позиции, текучая среда должна быть удалена. Для этого используют трубу 30, которая должна выйти на вытяжной канал.

Во время опускания цилиндра 7 в позицию отбора проб воздух, содержащийся в полости для отбора проб, должен выводиться. Для этого в нижней части центрального полого штока 15 поблизости от верхней части 18 поршня 17 выполнены два отверстия 31, сообщающиеся с полостью цилиндра 7 для отбора проб. Шток 15 соединен в верхней части с внешним цилиндром 14 и на уровне верхней части внешнего цилиндра 14 - с вытяжным каналом 32 (фиг. 9).

Полый шток 15 успешно используется для улучшения очистки путем соскребания посредством уплотнения 20 внутренних стенок цилиндра 7 для отбора проб, когда внешний цилиндр 14 опускается на цилиндр 7 для отбора проб, очищенный от содержимого и находящийся в нижней позиции. Жидкость для очистки нагнетается в вытяжной канал 32 под давлением с помощью установленного на отверстии вытяжного канала средства нагнетания. Жидкость для очистки постепенно проходит в средство 33 промывки, которое сообщается со штоком 15. Жидкость через отверстие 31 поступает в кольцевой желобок 34, выполненный в верхней части 8 цилиндра 7 для отбора проб. Под давлением этой жидкости и, учитывая относительное движение двух цилиндров 14, уплотнение 20 не обеспечивает больше герметичность и жидкость для очистки может быть выведена вниз, при этом цилиндр 7 для отбора проб находится в нижней позиции.

Устройство работает следующим образом.

Устройство помещено так, что оно контактирует с материалом, предназначенным для отбора пробы. Поршень 17 по крайней мере частично погружен в этом материал. В камеру 21 под давлением нагнетают через трубу 30 текучую среду. Под действием этой текучей среды цилиндр 7 для отбора проб опускается. Его опускание направляется элементами 14, 15, 25, 26. По мере опускания воздух, первоначально присутствующий в полости для отбора проб, выводится через отверстие 31, поднимается вдоль полого штока 15 и выходит наружу через вытяжной канал 32, как только цилиндр 7 касается контакта 22, подача текучей среды прекращается. Цилиндр 7 затем опирается на неподвижный поршень 17.

Когда цилиндр 7 заполнен отбираемым материалом, надувают мембрану 13, нагнетая в патрубок 27 текучую среду под давлением.

Цилиндр 7 для отбора проб находится в нижней позиции, наполненный материалом, и затем поднимается и размещается над приемником отобранного материала (фиг. 3).

Мембрана 13 опадает путем депрессии. Цилиндр 7 для отбора проб освобождается таким образом от своего содержимого и остается в нижней позиции, внешний цилиндр 14 расположен над ним. Затем осуществляется опускание внешнего цилиндра 14 на пустой цилиндр 7. Во время этого опускания нагнетает под давлением в вытяжной канал 32 очищающую жидкость с помощью средства нагнетания, установленного на отверстии вытяжного канала. Указанная жидкость циркулирует внутри полого штока 15, проходит через отверстие 31, циркулирует в кольцевом желобке 34 и выводится вниз благодаря деформации уплотнения 20. Уплотнение 20 является герметичным во время опускания цилиндра 7 для отбора проб, но оно не является герметичным во время опускания внешнего цилиндра 14.

Во время опускания внешнего цилиндра 14 на цилиндр 7 в нижней позиции камера 21 вновь находится под избыточным давлением. Патрубок 30 во время этой фазы выходит на вытяжной канал.

Устройство, представленное на фиг. 5-9, может обеспечить полезный объем отбора проб порядка литра, что абсолютно подходит для отбора проб шламов, имеющих вязкость от 1 сП до 120 П (вязкости, измеренные с визкозометром Брукфилд LVT, модели 1983 года, оборудованным диском N 2, вращающимся с 60 об/мин).

Для основных элементов устройства использовалась нержавеющая сталь. Неподвижный поршень 17 выполнен из бронзы. Мембрана 13, составляющая раздуваемые средства перекрытия, выполнена из резины и получена отливкой. Она надуется под давлением воздуха или азота с давлением от 1,2 до 2 бар. При таких давлениях она может герметично удержать жидкости.

Для опускания цилиндра 7 для отбора проб применяют сжатый воздух или азот. Опускание внешнего цилиндра 14 на цилиндр 7 для отбора проб в нижней позиции производится вручную.