1.本发明涉及深海气体检测技术领域，具体涉及一种深海痕量气体原位测量仪用进出样装置。
背景技术：
2.目前，基于膜脱气技术的深海原位气体测量仪器，其配套的气水分离装置存在以下的不足：(1)渗透膜为片状结构，与海水的有效接触面积小，气体提取效率低，以美国的lgr公司的某款深海原位甲烷腔衰荡光谱检测仪为例，单次测量时间4～5分钟，渗透膜工作寿命仅4～7个小时，需频繁开仓换膜，而频繁开仓维护会影响气密性导致进水的可能性，降低仪器安全性；(2)渗透膜直接作为仪器内外连接通道，为了保证渗透效率，渗透膜厚度一般在微米量级，在外力的作用下很容易发生破损，一旦渗透膜发生破损，海水会直接进入仪器内部，使仪器损坏；(3)深海原位气体测量仪器在检测过程中会产生废气(包括检测完的气体或新产生的气体)，采用直接排气的方式，为克服深海静水压力，则前级增压装置需要将废气增压到与之相当的压力，对于长期连续观测，仪器的供电是通过储蓄电池供电的，超高增压泵排除废气将加速电量的损耗，随着海水深度的增加，增压泵的压力越大将导致损耗增大，电池的消耗将导致仪器的使用时间变短。如果采用储气回收的方法，即将废气存储，待仪器回收后于空气中排气，废气池容量的大小也显然会限制深海原位气体连续检测时间。因此，常规的增压排气或者回收至水面排气方式均无法满足深海痕量气体的长期连续观测。
技术实现要素：
3.针对现有技术的不足，本发明提供一种深海痕量气体原位测量仪用进出样装置，可极大缩短气水分离时间，实现深海痕量气体的快速检测，同时，利用水中气体含量不同其渗透压变化的原理，将气水分离和废气排出同步进行，满足了深海痕量气体长期连续测量的需求。
4.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
5.一种深海痕量气体原位测量仪用进出样装置，包括
6.壳体，其中部设置隔板，将壳体分隔成用于脱气的桶体一和用于排气的桶体二，隔板上设置有使桶体一单向连通至桶体二的单向阀；
7.气液分离棒，数量为两个，分别安装在桶体一和桶体二上，其包括端盖、支撑棒、气液分离膜和螺旋片；
8.端盖与桶体端部密闭连接，以封闭桶体，支撑棒采用多孔疏松材料制成，中心设置有腔体，支撑棒一端固定在端盖上，另一端封闭，气液分离膜包裹在支撑棒外侧壁上，螺旋片套设在气液分离膜外侧，当气液分离棒固定在桶体上时，壳体、螺旋片、气液分离膜构成供液体流动的螺旋流道；
9.与桶体一连接的端盖，中心设置有与支撑棒的腔体连通的气体出口，外沿设置有
与螺旋流道连通的液体入口，与桶体二连接的端盖，中心设置有与支撑棒的腔体连通的气体入口，外沿设置有与螺旋流道连通的液体出口。
10.进一步地，所述的液体入口连接有滤芯棒。用滤芯棒对待测海水进行初级过滤，减少大颗粒和生物体的引入所带来的对装置的污染。
11.进一步地，所述的液体出口连接有水泵。提供驱动力，使海水在桶体内部进行螺旋流动以与气液分离膜充分接触。
12.进一步地，所述的液体入口和液体出口均设置有铜网。铜网的设置，可防止微生物生长以堵塞管道。
13.进一步地，所述多孔疏松材料为滤气石。在提高气液分离膜承压能力的同时，尽量缩小支撑棒的腔体的大小，以提高气体渗透率。
14.进一步地，所述的气体出口连接有进气泵。在进气泵的作用下，分离的气体可及时输送到气体测量仓，使得腔体处于负压状态，从而保证气液分离膜两侧最大的气体分压差，实现气体最大的渗透率。
15.进一步地，所述的气体入口连接有排气泵。在排气泵的作用下，将测量后的废气及时输送到腔体中，增大腔体的气体分压，保证与排气后海水的气体分压具有足够的压差，实现废气的快速扩散。
16.进一步地，所述的桶体一中的支撑棒的腔体中填充有干燥剂。尽量吸收分离气体中的水分，降低水汽的光谱吸收干扰效应。
17.进一步地，所述的气体出口连接的管道内填充有干燥剂。可进一步吸收分离气体中的水分，降低水汽的光谱吸收干扰效应。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
19.1、通过圆柱形气液分离膜与螺旋流道的组合设计，增大海水与膜的接触比，接触面积比传统方法提高了80至200倍，极大地缩短水气分离的时间，实现深海痕量气体快速测量的需求。
20.2、气水分离和废气扩散排出一体设计，经过桶体一提取气体后的水体，气体含量减少，属于“饥饿”状态，这样的水体流到桶体二时，由于气体渗透压的增大，能更好地将废气渗透并携带走，因此，水气分离与废气扩散排除可无干扰同步进行，两次测量无需等待，实现深海痕量气体连续测量的需求。
21.由于海水在桶体一11中脱气后处于“饥饿”状态，因此，进入到桶体二12后更容易吸收废气，废气可及时扩散排出，保证了气水分离和废气扩散排出的同步进行，实现两次测量之间无需等待。
22.3、承压外壳及膜支撑棒的设计，能有效提高气液分离膜的承压上限，同时气液分离单元采用开放式结构，与海水进行开放联通，不需要采用高强度材料且增加厚度，就可以直接在4000米深海中提取水中溶解气，适用于各种基于气体分压动态平衡原理的深海原位气体检测装置。
附图说明
23.图1是本发明进出样装置的结构示意图；
24.图2是本发明进出样装置的正面剖视图；
25.图3是本发明进出样装置的分解示意图；
26.图4是本发明进出样装置的使用状态示意图；
27.附图标记说明：1-壳体；11-桶体一；12-桶体二；13-隔板；14-单向阀；2-气液分离棒；21-端盖；22-支撑棒；23-气液分离膜；24-螺旋片；25-螺旋流道；26-腔体；3-滤芯棒；4-水泵；5-进气泵；6-排气泵；a-气体出口；b-气体入口；c-液体入口；d-液体出口。
具体实施方式
28.为使本发明的发明目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
29.如图1至图3所示，一种深海痕量气体原位测量仪用进出样装置，主要由壳体1和设置在壳体1两端的气液分离棒2组成。
30.壳体1为圆管状结构，中部设置带通孔的隔板13，将壳体1内部空间分隔成用于脱气的桶体一11和用于排气的桶体二12，隔板13的通孔中设置单向阀14，以使海水只能从桶体一11流向桶体二12，海水在桶体一11中脱气后进入桶体二12，在桶体二12中吸收深海原位气体测量仪检测后产生的废气，如此，气水分离和废气扩散排出可同步进行，实现两次测量之间无需等待，满足了海水痕量气体连续测量的需求。在本申请中，海水中的痕量气体包括但不限于甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氢气、硫化氢、氧化亚氮等，以下的描述中，将以甲烷为待测量气体进行示例。
31.气液分离棒2为两个，结构相同，一个安装在桶体一11中，用于海水中溶解的甲烷等气体的快速提取，另一个安装在桶体二12中，用于深海原位气体测量仪检测后产生的废气的快速扩散排出。
32.由亨利定律可知，在一定温度的密封容器内，气体的分压与该气体溶在溶液内的摩尔浓度成正比，当其中某一侧的气体分压偏大时，该侧的气体便通过渗透膜渗入到另一侧，直到渗透膜两侧的气体分压达到平衡，而待测量气体脱气速率与海水温度、海水压力、海水甲烷分压、海水流速、渗透膜面积、渗透膜厚度、气体仓体积和气体仓甲烷分压等参数相关。为了描述溶解甲烷从海水通过渗透膜进入气体仓的扩散过程，给出以下方程：
[0033][0034]
其中，p
p
(t)是气体仓的甲烷随时间变化的分压，t为扩散时间，p
f
(t,h,q)为海水中甲烷的分压(与海水的温度t、深度h、流速q有关，甲烷的渗透速率随外界海水流速q的增加而增大，当流速达到一定值时，甲烷的渗透速率增加幅度将减小，甚至可看作为恒定值)，r为气体常数，v为气体仓的总体积，a为接触海水渗透膜的面积，l为渗透膜厚度，p
t
为与溶解甲烷边界层阻力相关的渗透系数，一般情况下p
t
/p
f
(t,h,q)近似为1的时候，认为海水与气体仓的甲烷达到了平衡。
[0035]
由上述方程可知，为了实现甲烷快速扩散平衡即减小时间t，可通过减小气体仓体积v、缩小渗透膜厚度l、增大渗透膜面积a、增大渗透系数p
t
等方式实现。对此，气液分离棒2的设计是在尽量减小海水体积的前提下，实现海水与渗透膜材料的最大接触比。
[0036]
具体的，气液分离棒2主要包括端盖21、支撑棒22、气液分离膜23和螺旋片24。端盖21用于与桶体一11或桶体二12的端部密闭连接，以封闭桶体一11或桶体二12。支撑棒22呈圆柱形，一端固定在端盖21中心，另一端封闭，中心设置用作气体仓的腔体26。如此，二个桶体内的腔体26互不相通，桶体一11中的腔体26作为提取甲烷的气体仓，桶体二12中的腔体26则为废气仓。气液分离膜23包裹在支撑棒22的外侧壁上，螺旋片24套在气液分离膜23外侧，当气液分离棒2固定在壳体1上时，桶体一11或桶体二12的内壁、螺旋片24、气液分离膜23外壁构成供液体流动的螺旋流道25。
[0037]
支撑棒22采用多孔疏松材料制成，可以允许液体、气体等介质通过，大颗粒固体无法通过，用于支撑气液分离膜23，提高承压能力，其设计需适应不小于4000米的深海环境，本实施例中，多孔疏松材料采用滤气石，满足一定孔隙率的前提下，达到气液分离棒2的最大抗压。
[0038]
气液分离膜23一般由teflon af 2400、高密度聚乙烯纤维、改性聚丙烯纤维等材料制成的薄膜，具有一定的弹性。由于扩散作用的存在，气液分离膜23可以允许水中的中挥发性及半挥发性溶解气体透过，而水分子无法通过。气液分离膜23提取气体的效率与液体和膜的接触面积呈正相关，圆管状的气液分离膜23相对于常规的片状渗透膜，接触面积从一个圆形底面扩展到整个圆柱面，同时，螺旋流道25的设计，在保证液体的流动均匀性的同时，能够大大增加有效接触面积，相比传统方法提高了80至200倍，极大地缩短水气分离的时间，可将单次测量时间缩小到1分钟之内。
[0039]
为了实现气水分离和废气扩散排出的同步，与桶体一11连接的端盖21，中心设置有与其内的腔体26连通的气体出口a，外沿设置有与其内的螺旋流道25连通的液体入口c；与桶体二12连接的端盖21，中心设置有与其内的腔体26连通的气体入口b，外沿设置有与其内的螺旋流道25连通的液体出口d。
[0040]
外部海水从液体入口c进入到桶体一11的螺旋流道25中后，与气液分离膜23充分接触，海水中溶解的甲烷经气液分离膜23、支撑棒22进入到腔体26中，通过气体出口a进入到深海原位气体测量仪进行检测，脱气后的海水从桶体一11底部的单向阀14流入桶体二12的螺旋流道25中，再次与桶体二12的气液分离膜23充分接触，同时，深海原位气体测量仪检测后产生的废气，通过气体入口b进入到桶体二12的腔体26中，经支撑棒22、气液分离膜23扩散溶入到海水中，最后从液体出口d流出。由于海水在桶体一11中脱气后，气体含量减少，属于“饥饿”状态，因此，这样的水体流到桶体二12时，由于气体渗透压的增大，能更好地将废气渗透并携带走，保证了气水分离和废气扩散排出的同步进行，实现两次测量之间无需等待。
[0041]
如图4所示，为保证仪器的安全性，液体入口c连接有滤芯棒3，通过滤芯棒3对待测海水进行初级过滤，减少大颗粒和生物体的引入所带来的对装置的污染。为了保证海水在螺旋流道25中的流速，提高气体渗透速率，液体出口d连接水泵4，通过水泵4提供海水流动所需的驱动力，使海水从液体入口c流入，依次在桶体一11、桶体二12的螺旋流动后从液体出口d流出。为了满足快速测量的需求，在桶体一11的腔体26外部连接一个进气泵5，气体渗透过程中，进气泵5打开并将分离的气体输送到深海原位气体测量仪的测量仓，直到压强达到设定值时再关闭进气泵5。在此过程中，腔体26一直处于负压状态，从而保证气液分离膜23两侧最大的压差，实现气体最大的渗透率。为了实现废气的快速排放，在桶体二11的腔体
26外部连接一个排气泵6，气体渗透过程中，排气泵6打开将深海原位气体测量仪检测后产生的废气输送到桶体二12的腔体26中，保证与脱气后海水的气体分压具有足够的压差，实现废气的快速扩散排出。
[0042]
进一步地，为了防止微生物生长以堵塞管道，液体入口c和液体出口d均设置铜网。为了降低海水分离气中水汽的光谱吸收干扰效应，在桶体一11对应腔体26及其相连的气体管道中填充一定量的干燥剂。
[0043]
使用时，水泵4开启将海水引入，海水经过滤芯棒3进入桶体一11的螺旋流道25进行螺旋流动，与气液分离膜23充分接触，同时，进气泵5对相应的腔体26进行抽气，使其产生负压，海水中的甲烷分子在压差的作用下，被气液分离膜23提取至支撑棒22的孔隙内，然后穿过支撑棒22进入到腔体26中，在进气泵5的驱动下，进入到深海原位气体测量仪的测量仓进行检测，脱气后的海水从桶体一11底部的单向阀14流入桶体二12的螺旋流道25中，再次与桶体二12的气液分离膜23充分接触，同时，深海原位气体测量仪检测后产生的废气，在排气泵6的驱动下，从气体入口b进入到桶体二12的腔体26中，其中的甲烷分子(废气)在压差的作用下，被气液分离膜23提取至海水与膜的交界面，溶入到流动的海水中，最后经液体出口d排出。
[0044]
综上，本发明的进出样装置，既增大海水与膜的接触比，接触面积比传统方法提高了80至200倍，极大地缩短水气分离的时间，又将气水分离和废气扩散排出同步进行，实现两次测量之间无需等待，满足了深海痕量气体连续测量的需求。
[0045]
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
技术特征：
1.一种深海痕量气体原位测量仪用进出样装置，其特征在于：包括壳体，其中部设置隔板，将壳体分隔成用于脱气的桶体一和用于排气的桶体二，隔板上设置有使桶体一单向连通至桶体二的单向阀；气液分离棒，数量为两个，分别安装在桶体一和桶体二上，其包括端盖、支撑棒、气液分离膜和螺旋片；端盖与桶体端部密闭连接，以封闭桶体，支撑棒采用多孔疏松材料制成，中心设置有腔体，支撑棒一端固定在端盖上，另一端封闭，气液分离膜包裹在支撑棒外侧壁上，螺旋片套设在气液分离膜外侧，当气液分离棒固定在桶体上时，壳体、螺旋片、气液分离膜构成供液体流动的螺旋流道；与桶体一连接的端盖，中心设置有与支撑棒的腔体连通的气体出口，外沿设置有与螺旋流道连通的液体入口，与桶体二连接的端盖，中心设置有与支撑棒的腔体连通的气体入口，外沿设置有与螺旋流道连通的液体出口。2.根据权利要求1所述的一种深海痕量气体原位测量仪用进出样装置，其特征在于：所述的液体入口连接有滤芯棒。3.根据权利要求1所述的一种深海痕量气体原位测量仪用进出样装置，其特征在于：所述的液体出口连接有水泵。4.根据权利要求1所述的一种深海痕量气体原位测量仪用进出样装置，其特征在于：所述的液体入口和液体出口均设置有铜网。5.根据权利要求1所述的一种深海痕量气体原位测量仪用进出样装置，其特征在于：所述多孔疏松材料为滤气石。6.根据权利要求1所述的一种深海痕量气体原位测量仪用进出样装置，其特征在于：所述的气体出口连接有进气泵。7.根据权利要求1所述的一种深海痕量气体原位测量仪用进出样装置，其特征在于：所述的气体入口连接有排气泵。8.根据权利要求1所述的一种深海痕量气体原位测量仪用进出样装置，其特征在于：所述的桶体一中的支撑棒的腔体中填充有干燥剂。9.根据权利要求1所述的一种深海痕量气体原位测量仪用进出样装置，其特征在于：所述的气体出口连接的管道内填充有干燥剂。
技术总结
本发明公开了一种深海痕量气体原位测量仪用进出样装置，包括壳体，其中部设置隔板，将壳体分隔成用于脱气的桶体一和用于排气的桶体二；气液分离棒，数量为两个，分别安装在桶体一和桶体二上，其包括端盖、支撑棒、气液分离膜和螺旋片；端盖与壳体端部密闭连接，以封闭桶体，支撑棒采用多孔疏松材料制成，中心设置有腔体，支撑棒一端固定在端盖上，另一端封闭，气液分离膜包裹在支撑棒外侧壁上，螺旋片套设在气液分离膜外侧。本发明既增大了海水与膜的接触比，极大地缩短水气分离的时间，实现深海痕量气体的快速检测，又将气水分离和废气扩散排出同步进行，实现两次测量之间无需等待，满足了深海痕量气体连续测量的需求。了深海痕量气体连续测量的需求。了深海痕量气体连续测量的需求。
技术开发人、权利持有人：许占堂 徐定一 曹文熙 张宁 杨跃忠 周雯 曾凯
