一种可连续监测的混合气体气液相平衡转变检测系统

技术领域

本发明涉及气液相平衡检测技术领域，具体涉及到一种可连续监测的混合气体气液相平衡转变检测系统。

背景技术

六氟化硫(SF

新型绝缘气体C

同时，黑龙江、新疆等低温高寒地区，冬天时温度低至-50℃，电气设备内SF

绝缘气体气液相态转变是一个多因素影响下的瞬态过程。低温环境中，电气设备中SF

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于如何提供一种能够模拟混合气体相态转变的过程、实现混合气体气液相平衡转变检测的检测系统。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种可连续监测的混合气体气液相平衡转变检测系统，包括固定平台、电动推杆、真空腔体、样品池、制冷装置和抽真空装置，所述真空腔体的底部通过电动推杆铰接所述固定平台，驱动所述电动推杆带动真空腔体一端向上移动，所述真空腔体内设置有样品池，所述样品池包括内腔体、外腔体、进样管和出样管，所述内腔体设置在外腔体内部，所述内腔体上设置有依次贯穿外腔体和真空腔体的进样管和出样管，所述制冷装置的制冷端伸入真空腔体连接所述外腔体，所述抽真空装置的抽真空端分别连通真空腔体和内腔体。

本发明能够模拟混合气体相态转变的过程，实现混合气体气液相平衡转变检测，并且通过样品池采用双层腔体的设置，使得内腔体的温度均匀，保证制冷效果，提高检测结果的准确性。

优选地，所述样品池上设有能够观察内腔体的第一观察窗，所述真空腔体上设置有与第一观察窗位置对应的第二观察窗，方便对观察内腔体内的待测样品液化过程；同时由于本发明采用真空腔体作为保温腔，当对真空腔体进行抽真空后，真空腔体内与外界可视为基本不进行热交换，不仅保证样品池所处环境温度的稳定，还防止了热量散失且温度不会传导至真空腔体上的第二观察窗上，从而避免第二观察窗结霜，有利于观测样品池内待测样品液化情况。

优选地，所述第二观察窗上设置有摄像模块；通过摄像模块的设置，可以拍摄清晰的图像便于实验人员观察，基于气体相变后，其液滴特点，通过液滴边沿的灰度梯度识别，判断气体液化的液滴，并结合此时的温度，判断气体液化的温度。

优选地，所述制冷装置包括制冷机、冷却液输入管、冷却液输出管和冷却液，所述制冷机的输出端连接冷却液输入管一端，所述冷却液输入管另一端贯穿真空腔体与外腔体连通，所述制冷机的输入端连接冷却液输出管一端，所述冷却液输出管另一端贯穿真空腔体与外腔体连通，所述冷却液设置在外腔体内。

优选地，所述制冷装置还包括加热组件，所述加热组件包括加热器、温度传感器和温度采集仪，所述加热器用于加热冷却液输入管，所述外腔体和内腔体内均设有温度传感器，所述温度采集仪电连接加热器和温度传感器，通过获取温度传感器的温度控制加热器加热来调整冷却液的温度。

通过冷却液存储于外腔体内，冷却液在外腔体内采用下进上出的方式，保证了冷却液能够完全充满外腔体，使得内腔体所接触到冷却液更均匀，保证制冷效果，并且搭配外部的制冷机，能够很好的实现温度的控制，且在外腔体和内腔体内安装有多个温度传感器，可以实时检测样品池内温度变化，通过温度采集仪的反馈以及与外部的制冷机的配合实现了对样品池内温度的精准控制。

优选地，所述抽真空装置包括真空泵组、第一真空管和第二真空管，所述真空泵组通过第一真空管与真空腔体连通，所述真空泵组通过第二真空管与内腔体连通。

优选地，还包括压力传感器，所述压力传感器的检测端设置在内腔体内。

优选地，所述内腔体和外腔体均采用316不锈钢管焊接而成，所述内腔体的壁厚为3.5mm。

优选地，所述外腔体的通过支架固定在真空腔体内部，所述支架采用热传导率低的材料制成。

优选地，还包括计算机，所述计算机电连接制冷装置和抽真空装置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明能够模拟混合气体相态转变的过程，实现混合气体气液相平衡转变检测，并且通过样品池采用双层腔体的设置，使得内腔体的温度均匀，保证制冷效果，提高检测结果的准确性。

2、通过在真空腔体上设置第二观察窗，方便对观察内腔体内的待测样品液化过程；同时由于本发明采用真空腔体作为保温腔，当对真空腔体进行抽真空后，真空腔体内与外界可视为基本不进行热交换，不仅保证样品池所处环境温度的稳定，还防止了热量散失且温度不会传导至真空腔体上的第二观察窗上，从而避免第二观察窗结霜，有利于观测样品池内待测样品液化情况。

3、通过摄像模块的设置，可以拍摄清晰的图像便于实验人员观察，基于气体相变后，其液滴特点，通过液滴边沿的灰度梯度识别，判断气体液化的液滴，并结合此时的温度，判断气体液化的温度。

4、通过冷却液存储于外腔体内，冷却液在外腔体内采用下进上出的方式，保证了冷却液能够完全充满外腔体，使得内腔体所接触到冷却液更均匀，保证制冷效果，并且搭配外部的制冷机，能够很好的实现温度的控制，且在外腔体和内腔体内安装有多个温度传感器，可以实时检测样品池内温度变化，通过温度采集仪的反馈以及与外部的制冷机的配合实现了对样品池内温度的精准控制。

5、将样品池朝出样管的设置方向向下倾斜设置，保证了内腔体内气体液化后的液体能够最大程度从出样管排出。

附图说明

图1为本发明实施例的一种可连续监测的混合气体气液相平衡转变检测系统的工作原理示意图；

图2为本发明实施例的结构示意图；

图3为本发明实施例局部结构示意图；

图4为本发明实施例另一局部结构示意图；

图5为本发明实施例样品池与冷却装置的配合结构示意图；

图6为本发明实施例样品池的结构示意图；

图7为本发明实施例真空腔体的剖视图；

图8为本发明实施例样品池的剖视图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明技术方案，现结合说明书附图对本发明技术方案做进一步的说明。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

参阅图1至图8，本实施例公开了一种可连续监测的混合气体气液相平衡转变检测系统，包括真空腔体1、样品池2、制冷装置3、抽真空装置4和计算机5。

参阅图3和图4，所述真空腔体1内设置有样品池2，所述真空腔体1上设置有样品进口11、样品出口12、制冷进口13、制冷出口14、抽真空口(图中未标注)。

参阅图7和图8，所述样品池2包括支架21、内腔体22、外腔体23、进样管24和出样管25，所述内腔体22和外腔体23为同中心轴设置的筒体，所述内腔体22和外腔体23的中心轴呈水平设置，所述外腔体23的通过支架21固定在真空腔体1内部，所述内腔体22设置在外腔体23内部，所述内腔体22外壁与外腔体23内壁之间有间距，所述外腔体23的两端部设置有密封盖(图中未标注)，所述密封盖向内腔体22凸出，致使所述内腔体22端部与密封盖密封连接，进而使得内腔体22的内腔与外腔体23的内腔不连通；所述内腔体22上设置有贯穿外腔体23和真空腔体1的进样管24和出样管25；具体的，进样管24一端设置在内腔体22顶部，进样管24远离内腔体22的一端贯穿样品进口11伸出真空腔体1，伸出真空腔体1的进样管24分出三个支管道，分别为第一支管道、第二支管道和第三支管道，所述第一支管道连接待测样品容器6，第二支管道连接气相色谱仪(图中未示)，第三支管道连接抽真空装置4，每个支管道上均设置有电磁阀，所述电磁阀均电连接能够控制电磁阀启闭的计算机5，通过将进样管24分出三个支管道，实现内腔体22的进样、内腔体22的抽气以及内腔体22的抽真空于一体，减少管路的设置，方便安装。所述出样管25一端设置在内腔体22的底部。

伸出真空腔体1的进样管24上还设置有与计算机5电连接的压力传感器7，具体的，所述压力传感器7的压力检测端设置在内腔体22与进样管24连接位置，用于测量内腔体22的压力。

进一步的，所述出样管25上设置有与计算机5电连接的加热设备(图中未示)，具体在出样管25上的电磁阀后端管道上，或者在真空腔体1外壁与电磁阀之间的管道上，或者真空腔体1内外的出样管25上同时包裹加热设备，在本实施例中，所述加热设备采用加热丝，通过计算机5控制加热丝的启闭以及加热温度。

需要说明的是，在对待测样品的液体状态进行取样时由于液体未取出时处于零下状态，当液体取出后外部管道处于室温，此时管内液体便会气化，但是液化的样品可能不完全气化，还有部分处于液化状态附着在管路的管壁上：一方面，由于本身液样量就较少，检测到的样品量大大减少后从而影响气相色谱仪的检测结果；另一方面，残留在管路中的样品会对后续取样检测造成影响。因此，为了防止管道内液体不能完全气化会有部分液体附着在管路的管壁上，在本发明中设置加热设备对出样管25进行加热，使得出样管25上附着的液体样品完全气化，进而使得取出的液样能够完全进入到气相色谱仪中且不会对后续取样效果造成影响，提高检测的准确性。

进一步的，参阅图2和图3，该检测系统还包括固定平台9，所述真空腔体1的底部远离出样管25的一端通过电动推杆10铰接所述固定平台9，驱动所述电动推杆10，真空腔体1一端向上移动，使真空腔体1内的样品池2朝出样管25的设置方向向下倾斜设置，具体的可以使得样品池2倾斜5～10°，保证了内腔体22内气体液化后的液体能够最大程度从出样管25排出；取样结束后，电动推杆10恢复到初始位置，该检测系统进行下次检测工作。

在本实施例中，所述支架21采用热传导率低的材料制成，例如聚氨酯发泡板，所述内腔体22和外腔体23均采用316不锈钢管焊接而成。由于待测样品具有腐蚀性且充入的样品也有2MPa的压力，为了满足以上两者需求，将内腔体22的壁厚设置为3.5mm，具体的计算壁厚过程如下：

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进一步的，所述样品池2两端设有能够观察内腔体22的第一观察窗26，在本实施例中，参阅图5和图6，在样品池2的一端设有第一观察窗26，具体的，在外腔体23的一端密封盖上设置第一观察窗26，所述真空腔体1上设置有与第一观察窗26位置对应的第二观察窗15，用于在真空腔体1外部观察内腔体22内的待测样品液化过程。

所述第二观察窗15上设置有摄像模块8，在本实施例中，所述摄像模块8为高速相机，所述摄像模块8电连接计算机5。通过摄像模块8实时清晰的观测内腔体22内气体液化情况；当摄像模块8检测到第一观察窗26上出现液化液珠时，此时会对其进行拍照记录并将拍摄结果反馈给计算机5，并记录此时的温度、压力等数值，并发出指令对测试人员做出提示。需要说明的是，由于气体相态转变可能是瞬时过程，样品采集后再检测不能及时监测到这一过程，通过与高速相机相结合的方法，抓拍到相态转变瞬间，指导试验人员制定采样检测的周期，可以更好地监控气体相变转变过程。

当实验人员对其进行第一次取样后高速相机拍下此时第一观察窗26上液化图片并记录温度压力时间等相关参数。在对后续取样时同样会记录相关参数以及取样的时间间隔。

通过摄像模块8的设置，可以拍摄清晰的图像便于实验人员观察，基于气体相变后，其液滴特点，通过液滴边沿的灰度梯度识别，判断气体液化的液滴，并结合此时的压力变化趋势，判断气体液化的温度。

具体拍照过程为：

步骤1：高速相机从第一观察窗26处拍摄记录样品池2内气体液化的过程，形成一张张高清图片并传输至计算机5，图片中记载了气体液化的过程；

步骤2：计算机5将高速相机采集到的液化图片进行处理：

采集图片的原始数据为二维数组，分别处理X、Y方向。采用循环方式分别计算出X、Y方向当前像素与下一个像素的差值，形成新的二维数组，该数组为图像的梯度变化数据，再通过循环方式分别计算出二维数组每一行的最大值，即梯度变化最大位置，最后将计算的位置带入到原图片中，得到水滴的轮廓数据：

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式中：x，y是图像的横纵坐标；

f(x,y)为x，y横纵坐标对应位置的强度数据；

gx为x方向梯度值；

gy为y方向梯度值；

步骤3：计算机5根据水滴的轮廓数据与设定值比较，判断样品池内凝结的样品液体是否满足取样要求，当水滴的轮廓数据达到或者超过设定值后，计算机5发出提示取样信号通知实验人员进行取样操作。

需要说明的是，传统对样品池2的保温做法是将样品池2整体侵入在盛有制冷液的恒温槽内，恒温槽两侧壁开有观察窗来观测样品池2内部，由于恒温槽窗口处没法做保温，再快速降温的时候由于温差较大的原因导致恒温槽窗口处容易结霜，不利于观测内部样品池情况。本发明采用真空腔体1作为保温腔，将样品池2完全放置在真空腔体1内，且真空腔体1的样品池2不与真空腔体1的侧壁直接接触，当对真空腔体1进行抽真空后，真空腔体1内与外界可视为基本不进行热交换，不仅保证样品池2所处环境温度的稳定，还防止了热量散失且温度不会传导至真空腔体1上的第二观察窗15上，从而避免第二观察窗15结霜，有利于观测样品池2内待测样品液化情况。

参阅图1，所述制冷装置3包括制冷机31、冷却液输入管32、冷却液输出管33、冷却液34和加热组件35，所述制冷机31设置在真空腔体1的外部，制冷机31的输出端连接冷却液输入管32一端，所述冷却液输入管32另一端贯穿制冷进口13与外腔体23底部连通，所述制冷机31的输入端连接冷却液输出管33一端，所述冷却液输出管33另一端贯穿制冷出口14与外腔体23顶部连通，所述冷却液34设置在外腔体23内用于包裹内腔体22，进而使得冷却液34在外腔体23内是下进上出的方式流动。

所述加热组件35包括加热器351、温度传感器352和温度采集仪353，所述加热器包裹在所述加热冷却液输入管32上，用于加热冷却液输入管32，多个温度传感器352设在外腔体23内并贴合在内腔体22外壁上，能够准确采集内腔体22的温度，所述温度采集仪353电连接加热器351、温度传感器352和计算机5，通过温度采集仪353获取温度传感器351的采集的温度，进而控制加热器351的加热来调整冷却液34的温度，使得内腔体22处于稳定的温度状态下。通过加热器351与温度传感器352的配合，起到辅助温控的作用，从而使得调温时相应更快更精准。在本实施例中通过PID控制程序控制加热器351的加热，实现对内腔体22的温度控制，使其温度稳定在设定温度，温控误差小于0.05℃；在本实施例中所述温度传感器352为PT100温度传感器。

需要说明的是，现有的温控方式是在样品腔外部缠绕螺旋形的循环管道，此种方式虽然节约成本，但是接触不充分，控温效果不均匀，温控效果不好，使得制冷效果差，达不到本发明中要求的制冷均匀、温度变化幅度小的制冷效果，也不能够满足快速控制温度变化的要求，难以实现对温度的精准控制。在本发明中，通过样品池2采用双层腔体的设置，内腔体22用于储存待测样品，外腔体23用于储存冷却液34，冷却液34在外腔体23内采用下进上出的方式，保证了冷却液34能够完全充满外腔体23，使得内腔体22所接触到冷却液34更均匀，保证制冷效果。并且搭配外部的制冷机31，能够很好的实现温度的控制，且在内腔体22外壁上贴合安装有多个PT100温度传感器，可以实时检测样品池2内温度变化，通过温度采集仪353的反馈以及与外部的制冷机31的配合实现了对样品池2内温度的精准控制。

进一步的，在内腔体22远离第一观察窗26的一端设置有一组温度传感器，用于检测内腔体22的温度，同时，所述出样管25与内腔体22的连接口也设置有一组温度传感器，不仅能够实时且快速检测内腔体22内的温度，保证温度检测的准确性，还能验证加热组件35中的温度传感器352以及内腔体22一端的温度传感器检侧的温度的偏差，进而调整加热器351的温度来保证内腔体22内的温度满足设计需求。

在本实施例中，制冷机31的温控范围-75℃-250℃，真空腔体1内部的冷却液输入管32和冷却液输出管33采用1/4英寸的管道与制冷机31内部水冷管连接，真空腔体1外部的冷却液输入管32和冷却液输出管33通过波纹管与制冷机31管道外部接口对接，通过波纹管对冷却液输入管32和冷却液输出管33起到密封隔绝真空的作用，从而较少冷却液输入管32和冷却液输出管33中冷却液的温度散失；且有温度传感器352和加热器351共同组成温控系统，通过使用内部温控系统与外部的制冷机31共同作用，从而实现对内腔体22温度的精准调控。

所述抽真空装置4包括真空泵组41、第一真空管42和第二真空管43，所述真空泵组41通过第一真空管42与真空腔体1的抽真空口连通，所述真空泵组42通过第二真空管43与进样管24连通，进而与内腔体22连通，所述第一真空管42和第二真空管43均设置有与计算机5电连接的电磁阀。

本发明还提供一种可连续监测的混合气体气液相平衡转变检测系统的测试方法：包括如下步骤：

步骤1：通过计算机5控制第一真空管42和第二真空管43的电磁阀开启和，启动真空泵组41，对真空腔体1和内腔体22进行抽真空。

步骤2：待步骤1中的真空腔体1和内腔体22达到高真空状态后，通过计算机5控制进样管24上的电磁阀开启，将待测样品容器6内的待测样品通过进样管24向内腔体22注入，对内腔体22进行润洗，润洗完成后对内腔体22再次进行抽真空，并重复润洗抽真空3-5次，保证内腔体22内没有其他气体残留。

步骤3：通过计算机5控制进样管24上的电磁阀开启，待测样品容器6内的待测样品通过进样管24向内腔体22注入，待测样品注入后，通过计算机5控制制冷机31和加热器351的运作，通过冷却液34对内腔体22进行降温，并通过压力传感器7检测不同温度下内腔体22内对应的压力，同时在降温过程中摄像模块8监测内腔体22内待测样品的状态变化。

具体降温过程：通过温度传感器352采集冷却液34的温度并将数据发送至温度采集仪353，温度采集仪353将信号发送至计算机5，当采集的温度低于设计温度时，再通过计算机5控制加热器351，提高加热温度，直至采集的温度满足设计温度；同样的，当采集的温度高于设计温度时，降低加热器351的加热温度，直至采集的温度满足设计温度。

步骤4：待外腔体23的温度达到设计温度后，再维持两小时左右，直至内腔体22内样品达到气液相平衡状态后记录此时的温度值和压力值。

步骤5：样品达到气液相平衡状态后打开进样管24上的电磁阀，将内腔体22内待测样品中未液化的气体排出并进入外部的气相色谱仪中，记录色谱仪分析的峰面积占比，分析出对应状态下混合物各组分的摩尔数。

步骤6：样品达到气液相平衡状态后打开出样管25上的电磁阀，将内腔

体22内待测样品中液化的液体排至外部的气相色谱仪中，记录色谱仪分析的峰面积占比，分析出对应状态下混合物各组分的摩尔数。

步骤7：重复上述步骤取样3-5次，取平均值作为最终测得的气相摩尔数Vi和液相摩尔数Xi。

步骤8：改变设定温度，重复上述步骤以完成对待测样品在不同温度下的气液相平衡性质的测量，再加入待测样品调节混合物的配比并重复上述步骤。

上述步骤中可以由压力的变化趋势、气液相组分和摄像模块8三者共同监测、多级联控来确定相态转变温度，当然也可以由压力的变化趋势、气液相组分和摄像模块8中任意一项监测来确定相态转变温度。

本发明通过该检测系统的设置，能够模拟混合气体相态转变的过程，实现混合气体气液相平衡转变检测，并且检测结果的准确性高。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

以上所述实施例仅表示发明的实施方式，本发明的保护范围不仅局限于上述实施例，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。