一种活塞式的自动化定气配液装置及其实验方法

1.本发明涉及气液平衡配液装置领域，具体涉及一种活塞式的自动化定气配液装置。
2.本发明还涉及一种活塞式的自动化定气配液装置的实验方法。


背景技术：

3.本发明所公开的主题涉及到的定气配液装置的相关技术公开于：地球学报，加标/顶空平衡法测定实验水中甲烷亨利常数。
4.现有的气液平衡配液装置包括仓体和盖体，仓体内部设置了充气可膨胀的气球，仓体的底部配置有用于进出实验水的水阀，仓体的侧面配置有用于甲烷气进出的微量给样阀，盖体的顶部配置有单向排气阀、通止阀和注气阀，单向排气阀用于保证控制仓体内部的压力始终为1个大气压，通止阀连接气袋或者真空泵，注气阀连接气球。
5.其使用方法是：配液之前先用高纯氩气清洗配液装置，并用真空泵将配液装置内部抽成真空负压，通过仓体底部的水阀吸入预先处理好的实验水，从通止阀向配液装置仓内注入高纯氩气，至仓内压力为1个大气压，通过微量给样阀将甲烷气注入实验水中，将气液平衡配液装置振荡，然后置于恒温水槽中静置，使之达到气液平衡，最后将通止阀连接真空气袋，同时向气球内注入空气，将仓内顶空气体转移至气袋，连接气袋至分析仪的进样口，测量混合气中的甲烷含量。
6.现有的气液平衡配液装置为了消除其内部残留的气体对实验的影响，需要反复使用氩气清洗装置的内部，消耗了大量昂贵的氩气，期间还要对装置的内部抽真空，装置需要高气密性，才能够实现真空环境的密封，一系列的需求使得现有的气液平衡配液装置的价格和使用成本高昂，如何改进气液平衡配液装置以降低其采购成本和使用成本是人们一直想要解决的问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种活塞式的自动化定气配液装置及其实验方法，以解决现有的气液平衡配液装置因其自身的高气密性、高精密度和高使用需求导致采购成本和使用成本高昂的技术问题。
8.为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：
9.本技术提供一种活塞式自动化定气配液装置，包括：缸体、活塞和提升机；所述缸体包括底板和环绕所述底板的边缘竖直向上延伸的周板，所述活塞安装在所述缸体的内部，所述活塞、所述底板和所述周板构成了腔室；所述活塞可沿着垂直于所述底板的方向滑动，并且所述活塞与所述周板的内壁始终气密接触，所述活塞的重量满足无外力作用时始终朝向所述底板移动的条件；所述提升机连接所述缸体和所述活塞，所述提升机用于向上提升所述活塞，以改变所述腔室的容积；所述底板上安装有连通外界和所述腔室内部的注气阀、注水阀和微量给样阀，所述注气阀用于连接氩气源，所述注水阀用于连接实验水源，
所述微量给样阀用于注入实验气；所述活塞上安装有连通外界和所述腔室内部的排气阀。
10.进一步地，所述排气阀是单向的，所述腔室内部的压力大于101325pa时所述排气阀开启，气体从所述腔室排向大气。
11.进一步地，所述提升机的执行部通过拉力传感器连接所述活塞。
12.进一步地，所述缸体包括盖板，所述盖板罩盖在所述周板的顶部，所述盖板上设置有第一过孔和第二过孔，所述第一过孔用于避让所述提升机的执行部，所述第二过孔用于暴露出所述排气阀。
13.进一步地，所述提升机与所述盖板固定连接。
14.进一步地，所述活塞上安装有连接所述腔室和所述排气阀的排气管，所述排气管穿过所述第二过孔并且延伸至所述缸体的外部。
15.进一步地，所述缸体包括导柱，所述导柱竖直设置并且连接所述盖板和所述底板，所述活塞与所述导柱滑动连接，并且所述活塞与所述导柱的外壁始终气密接触。
16.进一步地，所述周板的轴向长度与所述底板的直径的比例大于10:1。
17.进一步地，所述提升机是卷扬机。
18.本技术还提供一种活塞式自动化定气配液装置的实验方法，使用活塞式自动化定气配液装置，所述实验方法包括以下步骤：s1，打开排气阀，连接外界和腔室，然后提升机释放活塞，活塞在自身的重力作用中下降并且靠近底板，直至活塞与底板之间的距离达到规定的数值，腔室内部的空气通过排气阀排出；s2，打开注气阀，连接氩气源和腔室，通过氩气反复清洗腔室；s3，打开注水阀，连接实验水源和腔室，同时关闭排气阀，提升机向上提升活塞，以使得腔室内部出现真空，实验水和氩气同时填充腔室的内部；s4，腔室内部的实验水达到规定的体积时，关闭注水阀和注气阀，通过提升机调整活塞的高度，使得腔室内部的气压大于1个大气压，同时打开排气阀，排出腔室内部的气体，并且在腔室内部的气压等于1个大气压时，关闭排气阀；s5，通过微量给样阀向腔室的内部注入实验气；s6，振荡缸体规定的时间,然后置于恒温水槽中静置,使之达到气液平衡。
19.本技术与现有技术相比较具有如下有益效果：
20.提供一种活塞式自动化定气配液装置，其通过活塞、底板和周板构成用于气液平衡配液的腔室，通过提升机控制活塞升降以改变腔室的容积，从而只需要较少的氩气就能够清洗腔室的内部，并且无需使用真空泵将腔室内部抽真空，活塞的高度可以根据腔室内部充入的氩气和实验水的体积自适应地改变，以避免腔室的内外出现较大的气压差，从而使得装置无需高气密性。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
22.图1为本发明实施例的第一种工况的结构简图，图中展示了移动活塞以排空腔室内部空气的工况；
23.图2为本发明实施例的第二种工况的结构简图，图中展示了使用氩气清洗腔室内
部的工况；
24.图3为本发明实施例的第三种工况的结构简图，图中展示了使用实验水和氩气填充腔室的内部，同时移动活塞以平衡腔室内外气压的工况；
25.图4为本发明实施例的第四种工况的结构简图，图中展示了向腔室内部注入实验气的工况；
26.图5为本发明实施例的第五种工况的结构简图，图中展示了将装置置入恒温水槽中静置的工况；
27.图6为本发明实施例的第六种工况的结构简图，图中展示了将排气阀连接分析仪的进样口，同时移动活塞以将腔室内部的气体挤向分析仪的工况；
28.图中的标号分别表示如下：
29.1-缸体；11-底板；111-注气阀；112-注水阀；113-微量给样阀；12-周板；13-盖板；131-第一过孔；132-第二过孔；14-导柱；2-活塞；21-排气阀；22-排气管；23-第一密封圈；24-第二密封圈；3-腔室；4-提升机；41-拉力传感器；5-恒温水槽；6-氩气源；7-实验水源。
具体实施方式
30.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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.一种活塞式自动化定气配液装置的实施例，请参照图1-6。
32.包括：缸体1、活塞2和提升机4；
33.缸体1包括底板11和环绕底板11的边缘竖直向上延伸的周板12，活塞2安装在缸体1的内部，活塞2、底板11和周板12构成了腔室3；
34.活塞2可沿着垂直于底板11的方向滑动，并且活塞2与周板12的内壁始终气密接触，活塞2的重量满足无外力作用时始终朝向底板11移动的条件；
35.提升机4连接缸体1和活塞2，提升机4用于向上提升活塞2，以改变腔室3的容积；
36.底板11上安装有连通外界和腔室3内部的注气阀111、注水阀112和微量给样阀113，注气阀111用于连接氩气源6，注水阀112用于连接实验水源7，微量给样阀113用于连接实验气源；
37.活塞2上安装有连通外界和腔室3内部的排气阀21。
38.实验方法如下所述：
39.s1，请参照图1，打开排气阀21，连接外界和腔室3，然后提升机4释放活塞2，活塞2在自身的重力作用中下降并且靠近底板11，直至活塞2与底板11之间仅具有微小的间隙，腔室3内部的空气通过排气阀21排出；
40.s2，请参照图2，打开注气阀111，连接氩气源6和腔室3，通过氩气反复清洗腔室3，由于腔室3的容积接近最小值，因此仅需要较少的氩气即可将腔室3内部的空气排空，多余的空气和氩气通过排气阀21排出；
41.s3，请参照图3，打开注水阀112，连接实验水源7和腔室3，同时关闭排气阀21，提升机4向上提升活塞2，以使得腔室3内部出现真空，实验水和氩气同时填充腔室3的内部；
42.s4，腔室3内部的实验水达到2.5l时，关闭注水阀112和注气阀111，通过提升机4调整活塞2的高度，使得腔室3内部的气压大于1个大气压，同时打开排气阀21，排出腔室3内部的气体，并且在腔室3内部的气压等于1个大气压时，关闭排气阀21；
43.s5，请参照图4，通过微量给样阀113向腔室3的内部注入微量的实验气，例如50μl、100μl、150μl和200μl的体积浓度为10％的甲烷标气；
44.s6，请参照图5，将缸体1振荡30min,然后置于25℃的恒温水槽5中静置,使之达到气液平衡；
45.s7，请参照图6，连接排气阀21至分析仪的进样口，然后提升机4释放活塞2，活塞2在自身的重力作用中下降并且靠近底板11，腔室3内部的气体被挤至分析仪的内部，通过分析仪测量混合气中的甲烷含量。
46.实施例与现有的气液平衡配液装置相比：整体实验过程中，腔室3内外的气压差较小，因此不需要高气密性。
47.还需要说明的是：
48.活塞2与周板12之间安装有第一密封圈23。
49.注水阀112、注气阀111均为通止阀。
50.微量给样阀113是可用于微量进样器进出的密封垫,当填充有甲烷标气的微量进样器进出时，该密封垫能自动密封。
51.进一步地：
52.排气阀21是单向的，腔室3内部的压力大于101325pa时排气阀21开启，气体从腔室3排向大气。
53.由于精确到1pa的电子气压计的价格高昂，为此，在步骤s4中，需要调整活塞2的高度使得腔室3内部的气压略大于1个大气压，但是如何不使用电子气压计检测腔室3内部的气压是一个问题。
54.为了解决这个问题：
55.提升机4的执行部通过拉力传感器41连接活塞2。
56.在步骤s1之后，活塞2通过提升机4的拉力悬置在底板11的上方，此时腔室3内部的气压等于1个大气压，拉力传感器41检测此时的拉力为f1。
57.在步骤s3中，“提升机4向上提升活塞2，以使得腔室3内部出现真空，实验水和氩气同时填充腔室3的内部”需要注意的是：拉力传感器41检测到的拉力不能远大于f1，否则腔室3的真空度较大，而本装置不具有高度气密性，容易导致大气通过第一密封圈23进入到腔室3的内部。
58.在步骤s4中，“通过提升机4调整活塞2的高度，使得腔室3内部的气压大于1个大气压”是指：提升机4上下移动活塞2，然后将活塞2悬置在一定的高度；若拉力传感器41检测的拉力大于f1，则说明腔室3内部的气压小于1个大气压；反之，若拉力传感器41检测的拉力小于f1，则说明腔室3内部的气压大于1个大气压。
59.提升机4的工作步骤如下：
60.步骤一、排气阀21开启时，悬置活塞2，并且记录拉力f1；
61.步骤二、上提活塞2规定的距离，然后悬置活塞2；
62.步骤三、检测拉力f3，若f3小于f1，则执行步骤二，若f3大于f1，则执行步骤四；
63.步骤四、下放活塞2规定的距离，然后悬置活塞2，排气阀21自动开启，此时腔室3内部的气压等于1个大气压。
64.在实施例1和实施例2中：
65.缸体1包括盖板13，盖板13罩盖在周板12的顶部，盖板13上设置有第一过孔131和第二过孔132，第一过孔131用于避让提升机4的执行部，第二过孔132用于暴露出排气阀21。
66.盖板13用于增加缸体1的结构强度。
67.可选的：
68.提升机4与盖板13固定连接。
69.进一步地：
70.缸体1包括导柱14，导柱14竖直设置并且连接盖板13和底板11，活塞2与导柱14滑动连接，并且活塞2与导柱14的外壁始终气密接触。
71.导柱14用于提高活塞2升降时的稳定性，避免活塞2翻转导致漏气，活塞2与导柱14之间安装有第二密封圈24。
72.活塞2上安装有连接腔室3和排气阀21的排气管22，排气管22穿过第二过孔132并且延伸至缸体1的外部。
73.排气管22用于将排气阀21延伸至缸体1的外部，排气管22内只有氩气和实验气，避免工作人员使用较长的管路连接排气阀21和分析仪，进而避免管路内部的空气影响分析结果。
74.进一步地：
75.调整活塞2的高度以改变腔室3内部的气压是一个重要的步骤，因此，需要降低腔室3内部气压的对活塞2的高度的灵敏度，以免提升机4启动时的微小振动造成腔室3内部气压的剧烈波动。
76.周板12的轴向长度与底板11的直径的比例大于10:1。
77.腔室3被设计成细长的圆柱体，以使得腔室3的轴向高度的变化不会显著地作用于其容积。
78.进一步地：
79.由于缸体1的轴向长度远大于其直径，因此，活塞2的行程较长，若提升机4采用电动推杆，则需要行程很长的电动推杆；若将电动推杆安装在缸体1的内部，则电动推杆运行时散发的油气会污染实验气；若将电动推杆安装在缸体1的外部，则会显著增加装置的轴向高度，影响装置摆放在恒温水槽5中的稳定性。
80.提升机4是卷扬机。
81.卷扬机的执行部的行程基本上不影响卷扬机的体积，因此不会显著增加缸体1的体积。
82.以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为本发明实施例的落在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种活塞式自动化定气配液装置，其特征在于，包括：缸体(1)、活塞(2)和提升机(4)；所述缸体(1)包括底板(11)和环绕所述底板(11)的边缘竖直向上延伸的周板(12)，所述活塞(2)安装在所述缸体(1)的内部，所述活塞(2)、所述底板(11)和所述周板(12)构成了腔室(3)；所述活塞(2)可沿着垂直于所述底板(11)的方向滑动，并且所述活塞(2)与所述周板(12)的内壁始终气密接触，所述活塞(2)的重量满足无外力作用时始终朝向所述底板(11)移动的条件；所述提升机(4)连接所述缸体(1)和所述活塞(2)，所述提升机(4)用于向上提升所述活塞(2)，以改变所述腔室(3)的容积；所述底板(11)上安装有连通外界和所述腔室(3)内部的注气阀(111)、注水阀(112)和微量给样阀(113)，所述注气阀(111)用于连接氩气源(6)，所述注水阀(112)用于连接实验水源(7)，所述微量给样阀(113)用于注入实验气；所述活塞(2)上安装有连通外界和所述腔室(3)内部的排气阀(21)。2.根据权利要求1所述的一种活塞式自动化定气配液装置，其特征在于，所述排气阀(21)是单向的，所述腔室(3)内部的压力大于101325pa时所述排气阀(21)开启，气体从所述腔室(3)排向大气。3.根据权利要求1所述的一种活塞式自动化定气配液装置，其特征在于，所述提升机(4)的执行部通过拉力传感器(41)连接所述活塞(2)。4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种活塞式自动化定气配液装置，其特征在于，所述缸体(1)包括盖板(13)，所述盖板(13)罩盖在所述周板(12)的顶部，所述盖板(13)上设置有第一过孔(131)和第二过孔(132)，所述第一过孔(131)用于避让所述提升机(4)的执行部，所述第二过孔(132)用于暴露出所述排气阀(21)。5.根据权利要求4所述的一种活塞式自动化定气配液装置，其特征在于，所述提升机(4)与所述盖板(13)固定连接。6.根据权利要求4所述的一种活塞式自动化定气配液装置，其特征在于，所述活塞(2)上安装有连接所述腔室(3)和所述排气阀(21)的排气管(22)，所述排气管(22)穿过所述第二过孔(132)并且延伸至所述缸体(1)的外部。7.根据权利要求4所述的一种活塞式自动化定气配液装置，其特征在于，所述缸体(1)包括导柱(14)，所述导柱(14)竖直设置并且连接所述盖板(13)和所述底板(11)，所述活塞(2)与所述导柱(14)滑动连接，并且所述活塞(2)与所述导柱(14)的外壁始终气密接触。8.根据权利要求1所述的一种活塞式自动化定气配液装置，其特征在于，所述周板(12)的轴向长度与所述底板(11)的直径的比例大于10:1。9.根据权利要求8所述的一种活塞式自动化定气配液装置，其特征在于，所述提升机(4)是卷扬机。10.一种活塞式自动化定气配液装置的实验方法，其特征在于，使用如权利要求1-9中任一项所述的活塞式自动化定气配液装置，所述实验方法包括以下步骤：
s1，打开排气阀，连接外界和腔室，然后提升机释放活塞，活塞在自身的重力作用中下降并且靠近底板，直至活塞与底板之间的距离达到规定的数值，腔室内部的空气通过排气阀排出；s2，打开注气阀，连接氩气源和腔室，通过氩气反复清洗腔室；s3，打开注水阀，连接实验水源和腔室，同时关闭排气阀，提升机向上提升活塞，以使得腔室内部出现真空，实验水和氩气同时填充腔室的内部；s4，腔室内部的实验水达到规定的体积时，关闭注水阀和注气阀，通过提升机调整活塞的高度，使得腔室内部的气压大于1个大气压，同时打开排气阀，排出腔室内部的气体，并且在腔室内部的气压等于1个大气压时，关闭排气阀；s5，通过微量给样阀向腔室的内部注入实验气；s6，振荡缸体规定的时间,然后置于恒温水槽中静置,使之达到气液平衡。

技术总结
本发明公开了一种活塞式的自动化定气配液装置及其实验方法，装置包括：缸体、活塞和提升机，缸体包括底板和周板，活塞安装在缸体的内部，活塞可沿着垂直于底板的方向滑动，活塞的重量满足无外力作用时始终朝向底板移动的条件，提升机连接缸体和活塞，底板上安装有连通外界和腔室内部的注气阀、注水阀和微量给样阀，活塞上安装有排气阀。活塞、底板和周板构成用于气液平衡配液的腔室，通过提升机控制活塞升降以改变腔室的容积，从而只需要较少的氩气就能够清洗腔室的内部，并且无需使用真空泵将腔室内部抽真空，活塞的高度可以根据腔室内部充入的氩气和实验水的体积自适应地改变，以避免腔室的内外出现较大的气压差，从而使得装置无需高气密性。无需高气密性。无需高气密性。


技术研发人员：黄静宜 刘广虎
受保护的技术使用者：防灾科技学院
技术研发日：2023.04.17
技术公布日：2023/7/21