устройство для отбора проб газа

Формула изобретения

Устройство для отбора проб газа, включающее стандартную стеклянную банку с изучаемой пробой, герметично закрытую крышкой с уплотнительным кольцом, дырокол с надетым на его противоположный конец вакуумным шлангом, подсоединенным к газохроматографу с системой кранов, ловушек, манометров, термостат с жидкой средой для подогревания содержимого банки до заданной температуры, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено уплотнительным кожухом, имеющим форму усеченного конуса с утолщенным верхним краем и утолщенным по периметру тороидальным нижним краем с поперечным сечением в виде круга или усеченной трапеции, верхний край уплотнительного кожуха опирается на кольцевой выступ дырокола и уплотняется на нем с помощью конусной шайбы, кольцевой шайбы и гайки, надетой на дырокол, нижний край уплотнительного кожуха опирается на крышку банки по ее периметру и уплотняется на ней с помощью конического кольца, фигурной шайбы с поперечным Т-образным сечением с выступами, входящими внутрь конического кольца и нажимной гайки с внутренним опорным торцом, предназначенной для его фиксации по внешнему периметру тороидального нижнего края уплотнительного кожуха, своей резьбой присоединяемой к корпусу термостата, на дно которого опирается дно банки, а внутренний опорный торец гайки упирается в верхний торец фигурной шайбы с выступами, прижимая банку к дну термостата и одновременно надежно уплотняя по периметру тороидальный нижней край уплотнительного кожуха с помощью образуемого коническим кольцом, поверхностью крышки и тороидальным нижним краем уплотнительного кожуха клинового затвора, работающего под воздействием атмосферного давления, свободно проникающего через выполненные радиальные отверстия в нажимной гайке с опорным внутренним торцом, свободная верхняя часть корпуса дырокола пропущена через осевое отверстие в перемычке пуансона и жестко связана с ним, цилиндрический край пуансона ниже перемычки упирается в кольцевую шайбу, а часть пуансона выше перемычки срезана двумя плоскостями, параллельными друг другу и оси пуансона на равном расстоянии от нее, или одной плоскостью, верхний край пуансона скреплен с помощью стакана с осевым отверстием с винтовым упором, шарнирно связанным с верхней траверсой рамы и со стаканом при вращательном движении и предназначенным для создания усилия на дырокол при прокалывании крышки банки и для извлечения дырокола за ее пределы, нижний край термостата опирается на верхний край нижней траверсы рамы, верхняя траверса рамы шарнирно связана с ее штангами в горизонтальной плоскости замковым соединением, предназначенным обеспечить быстрый съем уплотнительного кожуха с крышки банки и ее последующего извлечения из термостата с заменой на другую.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к испытателям проб газа на их химический состав, концентрацию газа в изучаемом объеме грунта, снега, воды и т.д. при поисковых наземных работах на нефть и газ, а также при отборе изучаемого керна с заданной глубины его залегания и может быть использовано в геологии, геофизике, горном деле, в химии, при изучении содержания вредных веществ в окружающей среде.

Известно устройство (см. Методическое пособие по отбору и анализу проб природных газов. Коллектив авторов. Л., Недра, 1969, 160 стр., с.85, 86, 87, 122-127) для общего анализа газа, когда определяют наиболее часто встречающиеся компоненты - СО₂, H₂S, O₂ и другие, а также суммарное содержание предельных углеводородов, используя химический волюмометрический метод.

Все приборы для объемного химического анализа газов основаны на том, что берется определенный объем газа, который затем приводится в контакт последовательно с разными реагентами, удаляющими из анализируемой смеси тот или иной компонент.

Измеряя объем оставшегося газа после реакции с каждым из реагентов, можно определить содержание этих компонентов. Реагентами могут служить твердые вещества. Такой же принцип применяется и в современных газохроматографах.

Основным недостатком устройств по отбору проб газа из закрытых емкостей является подсос окружающего воздуха при создании разрежения в объеме емкости. Отбираемые пробы веществ содержат чаще всего в стеклянных банках емкостью 0,5 л, герметично закупоренных крышкой. Устройство М.Н. Воробьева, предназначенное для вскрытия закупоренной емкости с помощью полой иглы, предусматривает использование специальных колб с конусными горлами и применение ртути (см. стр. 86), что не соответствует нормам гигиены и оказывает вредное воздействие на обслуживающий персонал.

Для выделения адсорбированного породой газа и газа из закрытых запечатанных пор применяют метод дробления породы в вакуумной эксцентриковой мельнице вместе с пальцем-дробителем, подсоединенной к вакуум-насосу по схеме ртутного дегазатора (см. стр. 125-128 указанного методического пособия).

Недостатком этого устройства является то, что проба породы или грунта перед помещением в мельницу при ее переносе в камеру дегазируется и если в пробе породы или грунта отсутствуют закрытые поры, то резко снижается достоверность измерения газонасыщенности в единице объема исследуемой среды.

В известном дегазаторе ПДП (см. книгу "Отбор проб и анализ природных газов нефтегазоносных бассейнов" /В.А. Ванюшин, Л.М. Завьялова, Г.С. Коробейник и др.; под ред. И.С. Старобинца, М.К. Калинко М.: Недра, 1985, 239 с.; с. 80-82) сосуд (в качестве которого обычно используется стандартная банка вместимостью 0.5 л) с дегазируемым образцом и герметично закрытый крышкой, прокалываемой полой иглой-дыроколом, соединенным вакуумным шлангом с установкой ПДП, после чего его помещают в термостат под уровень раствора NaCl и начинают под действием создаваемого вакуума дегазировать образец и улавливать отбираемый при этом газ (прототип).

Недостатком этого устройства является то, что после прокалывания отверстия в крышке стандартной банки дыроколом и последующего помещения ее в термостат под уровень раствора NaCl и включения вакуумного насоса происходит подсос этого раствора во внутренний объем стандартной банки, что искажает получаемые результаты и приводит к грубым ошибкам газосодержания относительно содержимой среды в банке.

Техническим результатом, который будет получен при использовании изобретения, является увеличение точности измерения газосодержания в изучаемой среде за счет обеспечения надежности уплотнения перед прокалыванием крышки стандартной банки дыроколом, вакуумирования замкнутого объема над крышкой, последующего прокалывания крышки в условиях достигнутого вакуума и вакуумирования газа из содержимого банки.

Устройство для отбора проб газа, включающее стандартную стеклянную банку с изучаемой пробой, герметично закрытую крышкой с уплотнительным кольцом, дырокол с надетым на его противоположный конец вакуумным шлангом, подсоединенным к газохроматографу с системой кранов, ловушек, манометров, вакуумирования, термостат с жидкой средой для подогревания содержимого банки до заданной температуры, согласно изобретению дополнительно снабжено уплотнительным кожухом, имеющим форму усеченного конуса с утолщенным верхним краем и утолщенным по периметру тороидальным нижним краем с поперечным сечением в виде круга или усеченной трапеции, верхний край уплотнительного кожуха опирается на кольцевой выступ дырокола и уплотняется на нем с помощью конусной шайбы, кольцевой шайбы и гайки, надетой на дырокол, нижний край уплотнительного кожуха опирается на крышку банки по ее периметру и уплотняется с помощью конического кольца, фигурной шайбы с выступами с поперечным Т-образным сечением, входящей своими выступами внутрь конического кольца и нажимной гайки с опорным внутренним торцом, предназначенной для его фиксации по внешнему периметру тороидального нижнего края уплотнительного кожуха, своей резьбой присоединяемой к корпусу термостата, на дно которого опирается дно банки, а внутренний опорный торец нажимной гайки упирается в верхний торец фигурной шайбы с выступами, прижимая банку к дну термостата и одновременно надежно уплотняя по периметру тороидальный нижний край уплотнительного кожуха с помощью образуемого коническим кольцом, поверхностью крышки и тороидальным нижним краем уплотнительного кожуха клинового затвора, работающего под воздействием атмосферного давления, свободно проникающего через выполненные радиальные отверстия в нажимной гайке с опорным внутренним торцом; свободная верхняя часть корпуса дырокола пропущена через осевое отверстие в перемычке пуансона и жестко связана с ним; цилиндрический край пуансона ниже перемычки упирается в кольцевую шайбу, а часть пуансона выше перемычки срезана двумя плоскостями, параллельными друг другу и оси пуансона на равном расстоянии от нее, или одной плоскостью; верхний край пуансона с помощью стакана с осевым отверстием скреплен с винтовым упором, шарнирно связанным с верхней траверсой рамы и со стаканом при вращательном движении и предназначенным для создания усилия на дырокол при прокалывании крышки банки или для извлечения дырокола за ее пределы; нижний край термостата опирается на верхний край нижней траверсы рамы; верхняя траверса рамы связана с ее штангами в горизонтальной плоскости замковым соединением, предназначенным обеспечить быстрый съем уплотнительного кожуха с крышки банки и ее последующего извлечения из термостата с заменой на другую.

Отличительными признаками устройства являются:

- оно снабжено уплотнительным кожухом, имеющим форму усеченного конуса с утолщенным верхним краем и утолщенным по периметру тороидальным нижним краем с поперечным сечением в виде круга или усеченной трапеции;

- верхний край уплотнителыюго кожуха опирается на кольцевой выступ дырокола и уплотняется на нем с помощью конусной шайбы, кольцевой шайбы и гайки, надетой на дырокол;

- нижний край уплотнительного кожуха опирается на крышку банки по ее периметру и уплотняется на ней с помощью конического кольца, фигурной шайбы с выступами с поперечным Т-образным сечением, входящей своими выступами внутрь конического кольца и нажимной гайки с опорным внутренним торцом, предназначенной для его фиксации по внешнему периметру тороидального нижнего края уплотнительного кожуха, своей резьбой присоединяемой к корпусу термостата, на дно которого опирается дно банки, а внутренний опорный торец нажимной гайки упирается в верхний торец фигурной шайбы с выступами, прижимая банку к дну термостата и одновременно надежно уплотняя по периметру тороидальный нижний край уплотнительного кожуха с помощью образуемого коническим кольцом, поверхностью крышки и тороидальным нижним краем уплотнительного кожуха клинового затвора, работающего под воздействием атмосферного давления, свободно проникающего через выполненные радиальные отверстия в нажимной гайке с опорным внутренним торцом;

- свободная верхняя часть корпуса дырокола пропущена через осевое отверстие в перемычке пуансона и жестко связана с ним;

- цилиндрический край пуансона ниже перемычки упирается в кольцевую шайбу, а часть пуансона выше перемычки срезана двумя плоскостями, параллельными друг другу и оси пуансона на равном расстоянии от нее, или одной плоскостью;

- верхний край пуансона скреплен с помощью стакана с осевым отверстием с винтовым упором, шарнирно связанным с верхней траверсой рамы и со стаканом при вращательном движении и предназначенным для создания усилия на дырокол при прокалывании крышки банки или для извлечения дырокола за ее пределы;

- нижний край термостата опирается на верхний край нижней траверсы рамы;

- верхняя траверса рамы шарнирно связана с ее штангами в горизонтальной плоскости замковым соединением, предназначенным обеспечить быстрый съем уплотнительного кожуха с крышки банки и ее последующего извлечения из термостата с заменой на другую.

На фиг.1 представлен продольный разрез устройства для отбора проб газа, на фиг.2 - вид сверху на верхнюю траверсу.

Устройство для отбора проб газа (фиг.1) состоит из рамы, образованной верхней 1, нижней 2 траверсами, скрепленными между собой двумя штангами 3. Для удобства сборки и разборки устройства верхняя траверса 1 в горизонтальной плоскости шарнирно связана со штангами 3 за счет выполнения на ее крайних противоположных частях двух смежных отверстий разного диаметра с убранной между ними перемычкой фрезой диаметром меньшего отверстия, центры указанных отверстий расположены на окружности диаметром, равным межосевому расстоянию двух штанг 3 (фиг.2). К нижней траверсе 2 крепится термостат, содержащий корпус 4, снабженный на его концах резьбой для навинчивания дна 5, представляющего собой цилиндрический стакан, и верхней нажимной гайки 6 с внутренним опорным торцом, предназначенным для создания усилия при навинчивании на корпус 4, вблизи внутреннего опорного торца выполнен по окружности его периметра ряд радиальных отверстий 7, предназначенных для проникновения атмосферного давления.

Термостат содержит нагревательный элемент 8, закрытый снизу и сверху прилегающими друг к другу основанием 9 и крышкой 10. Основание 9 с помощью шпильки и термопрокладки 11 фиксируется на нижней траверсе 2.

Электровыводы нагревательного элемента 8 на чертеже не показаны. На дно 5 термостата укладывают круговую прокладку 12, например, из линолеума. Затем на нее устанавливают стандартную стеклянную банку 13 с размещенной в ней пробой 14, залитой водой 15 и герметично закупоренной крышкой 16. Между внешней боковой поверхностью банки и внутренней поверхностью корпуса 4 термостата заливают дистиллированную воду. Температуру воды в термостате поддерживают в пределах 60-65^oС. Измерения температуры воды в термостате производят с помощью термопарного датчика, ввод которого в термостат на фиг.1 не показан.

Помимо рамы и термостата устройство содержит полый дырокол 17 с внутренним каналом 18, содержащий кольцевой выступ 19, предназначенный для размещения на нем утолщенного верхнего края уплотнительного кожуха 20. Уплотнение утолщенного верхнего края уплотнительного кожуха 20 на кольцевом выступе 19 полого дырокола 17 достигают с помощью конусной шайбы 21, кольцевой шайбы 22 и гайки 23, навинчиваемой на дырокол 17.

Уплотнительный кожух 20 имеет форму усеченного конуса с утолщенным по периметру тороидальным нижним краем 24 с поперечным сечением в виде круга или усеченной трапеции, предназначенным для его надежного уплотнения на крышке 16, обеспечиваемого коническим кольцом 25, фигурной шайбой 26 с выступами с поперечным Т-образным сечением, входящими внутрь конического кольца 25 и нажимной гайки 6, предназначенной для его фиксации по внешнему периметру тороидального нижнего края 24 уплотнительного кожуха 20.

Устройство содержит также пуансон 27 с выполненной в нем перемычкой в поперечном сечении, в которой выполнено осевое отверстие, ниже перемычки пуансон имеет полую цилиндрическую часть, предназначенную для его опоры на кольцевую шайбу 22, часть пуансона выше перемычки срезана двумя плоскостями, параллельными друг другу и оси пуансона на равном расстоянии от нее, или одной плоскостью; верхний край пуансона 27 скреплен с помощью стакана 28, штифтов 29, замковой шайбы 30 с винтовым упором 31, связанным резьбовым соединением с верхней траверсой 1.

Осевое отверстие перемычки пуансона предназначено для пропускания через нее свободной верхней части дырокола 17 и жесткого скрепления с ним с помощью гайки 32 и резьбы дырокола 17.

Верхняя часть дырокола 17 имеет конический прилив, предназначенный для удобного надевания на него вакуумного шланга, связанного с газовым хроматографом. На фиг.1 вакуумный шланг не показан.

Устройство (фиг. 1) работает следующим образом. Сначала устанавливают термостат с уплотненным и привинченным дном 5 на его корпус 4 вместе с нагревательным элементом 8, закрытым снизу и сверху прилегающими друг к другу основанием 9 и крышкой 10, на нижнюю траверсу 2, на которой он фиксируется с помощью шпильки. Между термостатом и нижней траверсой 2 размещают термопрокладку 11, снижающую теплопередачу. Затем в термостате на его дне 5 размещают круговую прокладку 12 и устанавливают на нее стандартную стеклянную банку 13 с размещенной в ней пробой 14, залитой водой 15 и герметично закупоренной крышкой 16. Между внешней боковой поверхностью банки 13 и внутренней поверхностью корпуса 4 термостата заливают дистиллированную воду несколько выше уровня воды в банке 13.

Уплотнительный кожух 20 монтируют на кольцевом выступе 19 дырокола 17, устанавливая верхнюю утолщенную часть кожуха и уплотняя ее с помощью конусной шайбы 21, кольцевой шайбы 22 и гайки 23. Свободную верхнюю часть дырокола 17 пропускают после этого в осевое отверстие перемычки пуансона 27 и жестко скрепляют с ним гайкой 32 по резьбе дырокола 17, при этом скреплении нижний торец цилиндрической части пуансона 27 опирается на верхний край кольцевой шайбы 22. Затем приступают к уплотнению тороидального нижнего края 24 с поперечным сечением в виде круга или усеченной трапеции уплотнительного кожуха 20 на крышке 16 стандартной стеклянной банки 13, опуская сверху вниз коническое кольцо 25, фигурную шайбу 26 с выступами, входящими в коническое кольцо 25 и верхнюю нажимную гайку 6 с внутренним опорным торцом на верхний край фигурной шайбы 26, которую привинчивают к верхней части корпуса 4 термостата, уплотняя по периметру тороидальный нижний край 24 уплотнительного кожуха 20 к крышке 16 стандартной стеклянной банки 13. При этом образуется клиновой затвор внутренней полости между крышкой 16, уплотнительным кожухом 20 по его нижнему тороидальному периметру 24, когда при отсасывании воздуха из указанной полости атмосферное давление проникает через радиальные отверстия 7 верхней нажимной гайки 6 и давит сбоку по периметру тороидального нижнего края 24 уплотнительного кожуха 20, заставляя его вжиматься в суживающийся клиновой зазор, образованный крышкой 16 и коническим кольцом 25, тем самым надежно уплотняя его. После этой сборки на верхний прилив дырокола 17 надевают вакуумный шланг, соединяющий его с газохроматографом с системой вентилей и манометров. Затем на верхний край пуансона 27 надевают стакан 28 и фиксируют его штифтами 29, ввинчивают винтовой упор 31 по резьбе верхней траверсы 1, насаживают траверсу 1 с винтовым упором 31 с помощью замкового соединения (фиг. 2) на штанги 3 и вводят после этого нижний конец винтового упора 31 через осевое отверстие стакана 28 и фиксируют его шарнирно в горизонтальной плоскости с помощью замковой шайбы 30, подготовив устройство для отбора проб газа к работе. Включают обогрев термостата, достигают температуры 60-65^oС среды, окружающей стандартную стеклянную банку 13 в термостате.

В исходном собранном виде устройства для отбора проб газа (фиг.1) дырокол 17 касается своей иглой крышки 16 или может находиться на расстоянии от крышки в пределах 1-2 мм. При включении вакуум-насоса газохроматографа сначала вакууми-руют внутреннее пространство, ограниченное крышкой 16 и уплотнительным кожухом 20 и заполненное воздухом, удаляемым по каналу 18. После достижения требуемого вакуума в указанном внутреннем пространстве, что отмечают по показанию вакуумметра газохроматографа, приступают к прокалыванию дыроколом 17 крышки 16. Для этого с помощью винтового упора 31 опускают вниз пуансон 27, жестко скрепленный с дыроколом 17 с помощью гайки 32, на заданное расстояние, при котором горизонтальный канал 18 дырокола 17 окажется под уровнем нижнего края крышки 16, и включают вакуум-насос газохроматографа для отсасывания газов из пробы, находящейся внутри стандартной стеклянной банки 13, и последующего их улавливания в специальной ловушке газохроматографа. Созданная температура внутри банки 13 порядка 60-65^oС благоприятствует наиболее полной газоотдаче из пробы 14. После полного отсасывания газов из пробы 14 газохроматограф отсоединяют с помощью вентиля от устройства для отбора проб газа и с помощью вакуумного крана запускают в него (фиг.1) по каналу 18 атмосферный воздух, подготовив его к разборке. Разборку устройства ведут в обратном порядке. Сначала винтовым упором 31 извлекают дырокол 17 из банки 13, вывинчивая его вверх из верхней траверсы 1, затем отвинчивают нажимную гайку 6 с корпуса 4 термостата, поворотом в горизонтальной плоскости освобождают верхнюю траверсу 1 от замкового соединения со штангами 3 и поднимают вверх вместе с пуансоном 27, дыроколом 17, уплотнительным кожухом 20, коническим кольцом 25, фигурной шайбой 26 с выступами, нажимной гайкой 6, извлекая использованную банку 13 с пробой 14 и устанавливая следующую банку для проведения анализа, производя установку кожуха и его уплотнение, как это было описано выше, и все операции повторяют.

Использование предлагаемого устройства резко повысит точность измерения отбираемых газов из проб изучаемых территорий при их газовой съемке.