Устройство для отбора проб газа

Изобретение может быть использовано при испытании проб газа на их химический состав, концентрацию газа в изучаемом объекте грунта, снега, воды и т.д. при поисковых наземных работах на нефть и газ, при отборе изучаемого керна с заданной глубины его залегания. Устройство для отбора проб газа включает банку с изучаемой пробой, герметично закрытую крышкой, дырокол с надетым на его противоположный конец вакуумным шлангом, подсоединенным к газохроматографу, и систему уплотнений, включающую уплотнительный кожух, надетый на нижнюю часть дырокола и имеющий форму усеченного конуса с утолщенным по периметру тороидальным нижним краем с поперечным сечением в виде круга или усеченной трапеции. Кожух уплотнен на крышке банки с помощью конусной шайбы и нажимной гайки. Устройство содержит жесткую раму, имеющую верхнюю и нижнюю траверсы, скрепленные между собой по их краям двумя штангами. Рама предназначена для размещения на нижней траверсе стандартной банки с испытуемой пробой и их нагревателя. Верхняя траверса рамы шарнирно связана с ее штангами в горизонтальной плоскости замковым соединением. В верхней траверсе рамы размещен винтовой упор пуансона с боковым проемом, связанного с размещенным в нем дыроколом. Банка с испытуемой пробой выполнена из термопластичного материала и вложена в повторяющую ее внешнюю геометрию металлическую емкость, состоящую из стакана и крышки к нему с осевым отверстием с возможностью вертикального перемещения в нем дырокола. Кольцевая окрестность отверстия герметично уплотнена тороидальной кромкой уплотнительного кожуха в виде усеченного конуса с помощью конусной шайбы и нажимной гайки, ввернутой в крышку металлической емкости. Между нижней горизонтальной опорной поверхностью металлической крышки и соответствующей ей верхней горизонтальной поверхностью крышки банки из термопластичного материала размещено уплотнительное кольцо из упругого эластичного материала. Отверстие герметично уплотнено. Между нижней поверхностью и верхней поверхностью крышки банки размещено уплотнительное кольцо из упругого эластичного материала. Краевой зазор банки, образуемый ее стаканом и крышкой, расположен между конической поверхностью крышки металлической емкости и фигурным уплотнительным кольцом. Фигурное кольцо уплотняет зазор посредством некомпенсированной площади под действием сжимающего усилия, передаваемого снизу опорным стаканом с радиальными отверстиями, шарнирно связанным с крышкой металлической емкости, и нижней втулкой. Нижняя втулка опирается на нижнюю траверсу рамы и охватывающий шарнирно подпружиненный стакан металлической емкости и сверху - верхней втулкой с боковым проемом и осевым верхним отверстием, шарнирно связанной с верхней частью пуансона, с надетой шарнирно на ее верхнюю часть опорой с осевым отверстием под винтовой упор дырокола, связанной с другим винтовым упором большего диаметра. Винтовой упор большего диаметра шарнирно скреплен с верхней траверсой рамы и содержит соосно с ним винтовой упор дырокола для первоначального обеспечения надежного уплотнения зазоров смежных поверхностей крышек металлической емкости и банки из термопластичного материала и последующего вертикального перемещения дырокола в крышке банки с пробой и связи ее с газохроматографом. Изобретение обеспечивает точность измерения газосодержания в изучаемой среде за счет надежности уплотнения банки перед ее проколом, вакуумирования замкнутого объема над крышкой и последующего прокола крышки в условиях вакуума. 1 ил.

 

Устройство 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 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. Такой же принцип применяется и в современных газохроматографах.

Основным недостатком устройств по отбору газа из закрытых емкостей является подсос окружающего воздуха при создании разрежения в объеме емкости.

Аналогичные замечания и недостатки относятся к известному дегазатору 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), в котором сосуд (в качестве которого обычно используется стандартная стеклянная банка вместимостью 0,5 л) с дегазируемым образцом и герметично закрытый крышкой, прокалываемой полой иглой-дыроколом, соединенным вакуумным шлангом с установкой ПДП, помещают в термостат под уровень раствора NaCl и начинают под действием создаваемого вакуума дегазировать образец и улавливать отбираемый при этом газ.

Известно устройство для отбора проб газа (см. патент РФ №2217728 С2 МПК7 G 01 N 1/22, опубликован 27.11.2003. Бюл. №33 по заявке №2002103646/12 от 08.02.2002 г.), 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, которое 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 верхней 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 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 (прототип).

Недостатком этого устройства является то, что его нельзя использовать при испытании проб, помещенных в стандартные банки емкостью 0,5 л из термопластичного материала с толщиной стенки и крышки в 0,1-0,5 мм, которые в массовом порядке начинают поступать для исследований от заинтересованных организаций. Эти емкости в пустом виде практически невесомы, это их главное достоинство при транспортировке. Но наряду с достоинством в этих емкостях есть и недостатки, которые кроются в ненадежной герметичности при прокалывании их крышек дыроколом и последующем вакуумировании содержимого емкости, в результате чего возникает интенсивный подсос атмосферного воздуха через крышку, которая при использовании дырокола с надетым на него упомянутым уплотнительным кожухом испытывает прорыв под действием наружного атмосферного давления. Кроме этого, слабого места в этих емкостях есть и другое - ненадежный краевой зазор, образуемый при стыке крышки и стакана емкости. При перевозке отобранных проб этот стык работает удовлетворительно, т.к. проба обычно находится под уровнем залитой в емкость воды, которая при транспортировке не выливается через указанный выше зазор. Но при прокалывании крышки дыроколом и последующем вакуумировании содержимого емкости с использованием упомянутого уплотнительного кожуха начинается интенсивный подсос атмосферного воздуха через краевой стык крышки и стакана емкости, что также недопустимо.

Задачей изобретения является расширение арсенала устройств, предназначенных для отбора проб газа, а именно разработка устройства для отбора газа, позволяющего использование банок с изучаемой пробой, выполненных из термопластичного материала.

Техническим результатом изобретения является создание устройства для отбора газа, позволяющего использование банок с изучаемой пробой из термопластичного материала, с одновременным обеспечением необходимой точности измерения газосодержания в изучаемой среде за счет обеспечения надежности уплотнения перед прокалыванием крышки стандартной банки из термопластичного материала 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 банку с изучаемой пробой, герметично закрытую крышкой, дырокол с надетым на его противоположный конец вакуумным шлангом, подсоединенным к газохроматографу, систему уплотнений, включающую уплотнительный кожух, надетый на нижнюю часть дырокола и имеющий форму усеченного конуса с утолщенным по периметру тороидальным нижним краем с поперечным сечением в виде круга или усеченной трапеции, уплотняемым на крышке банки с помощью конусной шайбы и нажимной гайки, жесткую раму, содержащую верхнюю и нижнюю траверсы, скрепленные между собой по их краям двумя штангами, предназначенную для размещения на нижней траверсе стандартной банки с испытуемой пробой и их нагревателя, а в верхней траверсе рамы, шарнирно связанной с ее штангами в горизонтальной плоскости замковым соединением, размещен винтовой упор пуансона с боковым проемом, связанного с размещенным в нем дыроколом, в котором дополнительно стандартная банка из термопластичного материала с испытуемой пробой вложена в металлическую емкость, внутренняя геометрия которой повторяет внешнюю геометрию первой, состоящую из стакана и крышки к нему с осевым отверстием с возможностью вертикального перемещения в нем дырокола, кольцевая окрестность отверстия герметично уплотнена тороидальной кромкой уплотнительного кожуха в виде усеченного конуса с помощью конусной шайбы и нажимной гайки, ввернутой в крышку металлической емкости, между нижней горизонтальной опорной поверхностью металлической крышки и соответствующей ей верхней горизонтальной поверхностью крышки стандартной банки из термопластичного материала размещено уплотнительное кольцо из упругого эластичного материала, краевой зазор банки из термопластичного материала, образуемый ее стаканом и крышкой к нему, расположен между конической поверхностью крышки металлической емкости и фигурным уплотнительным кольцом, уплотняющим его с помощью образования некомпенсированной площади под действием сжимающего усилия, передаваемого ему снизу опорным стаканом с радиальными отверстиями, шарнирно связанным с крышкой металлической емкости, и нижней втулкой, опирающейся на нижнюю траверсу рамы и охватывающей шарнирно подпружиненный стакан металлической емкости, и сверху - верхней втулкой с боковым проемом и осевым верхним отверстием, шарнирно связанной с верхней частью пуансона, с надетой шарнирно на ее верхнюю часть опорой с осевым отверстием под винтовой упор дырокола, связанной с другим винтовым упором большего диаметра, шарнирно скрепленным с верхней траверсой рамы и содержащим соосно с ним винтовой упор дырокола для первоначального обеспечения надежного уплотнения зазоров смежных поверхностей крышек металлической емкости и банки из термопластичного материала и последующего вертикального перемещения дырокола в крышке банки с пробой для связи ее с газохроматографом.

Отличительными признаками устройства являются:

- стандартная банка из термопластичного материала с испытуемой пробой вложена в металлическую емкость, внутренняя геометрия которой повторяет внешнюю геометрию первой, состоящую из стакана и крышки к нему с осевым отверстием с возможностью вертикального перемещения в нем дырокола;

- кольцевая окрестность отверстия уплотнена тороидальной кромкой уплотнительного кожуха в виде усеченного конуса с помощью конусной шайбы и нажимной гайки, ввернутой в крышку металлической емкости;

- между нижней горизонтальной опорной поверхностью металлической крышки и соответствующей ей верхней горизонтальной поверхностью крышки стандартной банки из термопластичного материала размещено уплотнительное кольцо из упругого эластичного материала;

- краевой зазор банки из термопластичного материала, образуемый ее стаканом и крышкой к нему, расположен между конической поверхностью крышки металлической емкости и фигурным уплотнительным кольцом, уплотняющим его с помощью образования некомпенсированной площади под действием сжимающего усилия, передаваемого ему снизу опорным стаканом с радиальными отверстиями, шарнирно связанным с крышкой металлической емкости, и нижней втулкой, опирающейся на нижнюю траверсу рамы и охватывающей шарнирно стакан металлической емкости, и сверху - верхней втулкой с боковым проемом и осевым верхним отверстием с надетой шарнирно на ее верхнюю часть опорой с осевым отверстием под винтовой упор дырокола, связанной с другим винтовым упором большего диаметра, шарнирно скрепленным с верхней траверсой рамы;

- винтовой упор большего диаметра содержит соосно с ним винтовой упор дырокола для первоначального обеспечения надежного уплотнения зазоров смежных поверхностей крышек металлической емкости и банки из термопластичного материала и последующего вертикального перемещения дырокола в крышке банки с пробой и связи ее с газохроматографом;

- верхнее осевое отверстие верхней втулки шарнирно связано с верхней частью пуансона, содержащего верхнюю часть дырокола, и предназначено для его вертикального перемещения.

На чертеже представлен продольный разрез устройства для отбора проб газа.

Устройство для отбора проб газа 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 замковым соединением, как было показано в прототипе. К нижней траверсе 2 крепится нагреватель 4 с регулируемой подачей тепла. В верхней траверсе 1 шарнирно установлен винтовой упор 5 большего диаметра и соосно с ним винтовой упор 6 дырокола меньшего диаметра. Стакан 7 и крышка 8 к нему стандартной банки емкостью 0,5 л из термопластичного материала размещены соответственно в стакане 9 и под крышкой 10 металлической емкости, внутренняя геометрия которой повторяет внешнюю геометрию стандартной банки из термопластичного материала. Стакан 9 металлической емкости снизу подпружинен. Пружина 11 опирается нижним краем на верхний край нижней траверсы 2, а верхним краем на нижний торец стакана 9. Крышка 10 металлической емкости снабжена осевым отверстием 12. Между опорными поверхностями крышек 10 и 8 металлической емкости и стандартной банки из термопластичного материала размещено уплотнительное кольцо 13 из упругого эластичного материала. Краевой зазор между крышкой 8 и стаканом 7 стандартной банки из термопластичного материала размещен между конической поверхностью крышки 10 и фигурным уплотнительным кольцом 14 из упругого эластичного материала.

Ниже фигурного уплотнительного кольца 14 размещен опорный стакан 15, верхняя цилиндрическая часть которого имеет радиальные отверстия 16 и шарнирно связана с внешней цилиндрической поверхностью крышки 10. Верхний опорный край стакана 15 служит опорой нижнему краю фигурного уплотнительного кольца 14. Нижний край опорного стакана 15 служит опорой верхнему краю нижней втулки 17, опирающейся на верхний край нижней траверсы 2. Положение нижней втулки 17 на нижней траверсе 2 фиксируется с помощью штифтов 18. Средняя часть устройства содержит дырокол 19, уплотнительный кожух 20 в форме усеченного конуса, верхняя часть которого надета на нижнюю часть дырокола 19 и зафиксирована на выступе дырокола втулкой 21. Нижний опорный край уплотнительного кожуха 20 по периметру выполнен в форме тора с поперечным сечением в виде усеченной трапеции и предназначен для уплотнения кольцевой окрестности осевого отверстия 12 верхней поверхности крышки 10 с помощью конусной шайбы 22 и нажимной гайки 23 с резьбовым соединением с крышкой 10. Выше верхних краев уплотнительного кожуха 20 и втулки 21 на корпусе дырокола 19 размещены буферная втулка 24 из вакуумного шланга и втулка 25, верхний край которой служит опорой полому пуансону 26 с выполненным боковым проемом, размещенным между параллельными друг другу плоскостями и оси пуансона на равном расстоянии от нее. Боковой проем в пуансоне можно выполнить путем его среза одной плоскостью.

На верхний край дырокола 19 надет вакуумный шланг 27 для сообщаемости канала 28 дырокола 19 и канала 29 вакуумного шланга 27 с газохроматографом. Верхняя цилиндрическая часть пуансона 26 размещена в осевом отверстии верхней части верхней втулки 30 с боковым проемом с возможностью опорного контакта через шайбу 31 с винтовым упором 6 дырокола 19. На верхней части верхней втулки 30 шарнирно размещена опора 32 с осевым отверстием под винтовой упор 6 и сферической опорной поверхностью под винтовой упор 5 большего диаметра. Внутри стандартной банки из термопластичного материала размещена под уровнем 33 воды изучаемая проба 34.

Устройство работает следующим образом. Устанавливают нижнюю втулку 17 с помощью штифтов 18 на верхний край нижней траверсы 2 и стакан 7, внутри которого размещена изучаемая проба 34 под уровнем воды 33, накрытый крышкой 8, в подпружиненный стакан 9, используя уплотнительные кольца 13, 14, опорный стакан 15 с радиальными каналами 16, и накрывают металлическую емкость (стакан) 9 крышкой 10. Затем на крышке 10 устанавливают предварительно собранный дырокол 19 вместе с уплотнительным кожухом 20, втулкой 21, буферной втулкой 24, втулкой 25, надетым на свободный конец дырокола вакуумным шлангом 27 для сообщаемости каналов 28 и 29, полым пуансоном 26, опирающимся своим нижним краем на верхний край втулки 25, и уплотняют тороидальный нижний край уплотнительного кожуха 20 на кольцевой окрестности отверстия 12 с помощью конусного кольца 22 и нажимной гайки 23, вворачиваемой по внутренней резьбе крышки 10 металлической емкости. После этого устанавливают верхнюю втулку 30, надевая ее нижним краем на крышку 10 и одновременно пропуская через верхнее осевое отверстие верхнюю цилиндрическую часть пуансона 26 с шайбой 31. Затем на верхнюю часть верхней втулки 30 размещают опору 32 и устанавливают верхнюю траверсу 2 на штанги 3 с помощью замкового соединения с вывернутыми в крайнее верхнее положение винтовыми упорами 5 и 6 и далее перемещают винтовой упор 5 вниз, передавая усилие сжатия на уплотнительные кольца 13, 14 с помощью опоры 32, верхней 30 и нижней втулок 17, опорного стакана 15, надежно герметизируя возможные зазоры. Включают обогрев с помощью нагревателя 4, пока температура пробы не достигнет 60-65°С. Включают вакуум-насос газохроматографа и отсасывают воздух из пространства, заключенного между уплотнительным кожухом 20 и крышкой 8 банки из термопластичного материала по отверстию 12 и далее по сообщающимся каналам 28, 29. После отсасывания этого объема воздуха путем вертикального перемещения вниз винтового упора 6 до упора в шайбу 31 верхней части пуансона 26 начинают плавно перемещать вниз дырокол 19 через живое сечение отверстия 12 до тех пор, пока горизонтальный канал дырокола не окажется ниже нижнего горизонтального края крышки 8, продолжая последующее вакуумирование и улавливая отсасываемые объемы газа с помощью газохроматографа. После проведения полного цикла отсасывания газа из пробы 34 нагреватель 4 отключают, и приступают в обратном порядке к разборке устройства, и извлекают испытанную пробу вместе с банкой из термопластичного материала, и заряжают новую банку с пробой, и все операции повторяют.

Устройство для отбора проб газа, включающее банку с изучаемой пробой, герметично закрытую крышкой, дырокол с надетым на его противоположный конец вакуумным шлангом, подсоединенным к газохроматографу, систему уплотнений, включающую уплотнительный кожух, надетый на нижнюю часть дырокола и имеющий форму усеченного конуса с утолщенным по периметру тороидальным нижним краем с поперечным сечением в виде круга или усеченной трапеции, уплотняемым на крышке банки с помощью конусной шайбы и нажимной гайки, жесткую раму, содержащую верхнюю и нижнюю траверсы, скрепленные между собой по их краям двумя штангами, предназначенную для размещения на нижней траверсе банки с испытуемой пробой и их нагревателя, а в верхней траверсе рамы, шарнирно связанной с ее штангами в горизонтальной плоскости замковым соединением, размещен винтовой упор пуансона с боковым проемом, связанного с размещенным в нем дыроколом, отличающееся тем, что банка с испытуемой пробой выполнена из термопластичного материала и вложена в повторяющую ее внешнюю геометрию металлическую емкость, состоящую из стакана и крышки к нему с осевым отверстием с возможностью вертикального перемещения в нем дырокола, кольцевая окрестность отверстия герметично уплотнена тороидальной кромкой уплотнительного кожуха в виде усеченного конуса с помощью конусной шайбы и нажимной гайки, ввернутой в крышку металлической емкости, между нижней горизонтальной опорной поверхностью металлической крышки и соответствующей ей верхней горизонтальной поверхностью крышки банки из термопластичного материала размещено уплотнительное кольцо из упругого эластичного материала, краевой зазор банки из термопластичного материала, образуемый ее стаканом и крышкой к нему, расположен между конической поверхностью крышки металлической емкости и фигурным уплотнительным кольцом, уплотняющим его с помощью образования некомпенсированной площади под действием сжимающего усилия, передаваемого ему снизу опорным стаканом с радиальными отверстиями, шарнирно связанным с крышкой металлической емкости, и нижней втулкой опирающейся на нижнюю траверсу рамы и охватывающей шарнирно подпружиненный стакан металлической емкости, и сверху - верхней втулкой с боковым проемом и осевым верхним отверстием, шарнирно связанной с верхней частью пуансона, с надетой шарнирно на ее верхнюю часть опорой с осевым отверстием под винтовой упор дырокола, связанной с другим винтовым упором большего диаметра, шарнирно скрепленным с верхней траверсой рамы и содержащим соосно с ним винтовой упор дырокола для первоначального обеспечения надежного уплотнения зазоров смежных поверхностей крышек металлической емкости и банки из термопластичного материала и последующего вертикального перемещения дырокола в крышке банки с пробой и связи ее с газохроматографом.