一種計(jì)量微量氣體的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于有機(jī)廢棄物厭氧消化技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種計(jì)量微量氣體的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著環(huán)境污染壓力與可再生能源需求的持續(xù)增加，利用厭氧消化技術(shù)處理有機(jī)垃圾、畜禽糞便、秸桿、高濃度有機(jī)廢水等生產(chǎn)清潔能源沼氣的工藝技術(shù)，得到廣泛運(yùn)用。在厭氧發(fā)酵試驗(yàn)中，氣體的產(chǎn)生量是評價(jià)厭氧消化工藝技術(shù)及消化裝置優(yōu)劣的關(guān)鍵參數(shù)。
[0003]目前，對實(shí)驗(yàn)室厭氧發(fā)酵裝置產(chǎn)氣量計(jì)量的方法主要有三種:一是濕式氣體流量計(jì)，該儀器量程大，分辨率差，在計(jì)量實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的微量氣體時(shí)誤差較大，實(shí)驗(yàn)精度差；二是使用排水法計(jì)量，排水法一般用發(fā)酵裝置中產(chǎn)生氣體擠壓計(jì)量瓶中的水流入量筒中，來計(jì)量氣體的體積，該方法裝置復(fù)雜，需操者定期需向排水容器中補(bǔ)加水，增加了操作者勞動(dòng)，同時(shí)排水過程中收集瓶中的液體的容易發(fā)生虹吸作用，且氣體中的二氧化碳等組分易溶解于水中，從而造成氣體體積計(jì)量誤差較大，實(shí)驗(yàn)精度低；三是使用市場上銷售的微量氣體流量計(jì)直接測量，如瑞典碧普公司(B1process Control SwedenAB)的微量氣體流量計(jì)，這種進(jìn)口儀器價(jià)格昂貴，一般無法在實(shí)驗(yàn)室中批量使用。
[0004]根據(jù)檢索，發(fā)現(xiàn)如下與本申請相關(guān)的專利文獻(xiàn)，具體公開內(nèi)容如下:
[0005]專利文獻(xiàn)CN103674156A —種實(shí)驗(yàn)室微量氣體計(jì)量裝置，由氣體凈化單元、計(jì)量收集單元和控制單元組成，氣體凈化單元包括進(jìn)氣管、干燥柱、脫硫柱和進(jìn)氣電磁閥，干燥柱內(nèi)填充干燥劑，脫硫柱內(nèi)填充脫硫劑；計(jì)量收集單元包括U型計(jì)量管、恒溫水浴槽、出氣電磁閥、出氣電磁閥出口管和氣體收集袋，U型計(jì)量管內(nèi)裝有計(jì)量液體，U型計(jì)量管置于恒溫水浴槽內(nèi)；控制單元包括液位控制器、進(jìn)氣電磁閥控制開關(guān)、出氣電磁閥控制開關(guān)、電子讀數(shù)器和電源。
[0006]專利文獻(xiàn)CN202837140U本實(shí)用新型涉及一種微量氣體計(jì)量裝置，注水管經(jīng)瓶塞插入反應(yīng)燒瓶內(nèi)，導(dǎo)氣管一端經(jīng)瓶塞插入反應(yīng)燒瓶內(nèi)、另一端依次接通微壓力傳感器、吸氣控制電磁閥、三通、排氣控制電磁閥接入集氣氣囊內(nèi)、三通的另一端口用另一根導(dǎo)氣管分別與A吸排氣計(jì)量栗、B吸排氣計(jì)量栗的氣室相通，連桿固定在鎖緊裝置內(nèi)并兩端分別與A吸排氣計(jì)量栗、B吸排氣計(jì)量栗的活塞桿固定在一起，同步帶套裝在A同步輪、鎖緊裝置和B同步輪上，A同步輪與B同步輪拉緊同步帶后固定，步進(jìn)電機(jī)與B同步輪連接在一起，微壓力傳感器與控制單元相連。
[0007]上述裝置與本申請的技術(shù)特征差異較大，不影響本申請的新穎性和創(chuàng)造性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是針對目前實(shí)驗(yàn)室計(jì)量微量氣體中存在的誤差較大、裝置復(fù)雜、計(jì)量精度低以及成本高等問題，采用壓力轉(zhuǎn)化法，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、制作成本低、安裝方便、易于實(shí)施、讀數(shù)快速精確的實(shí)驗(yàn)室計(jì)量微量氣體的裝置。本發(fā)明既可快速、準(zhǔn)確測定氣體產(chǎn)生量，又可測定氣體產(chǎn)生的速率，可完全滿足實(shí)驗(yàn)室研究要求。
[0009]本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0010]一種計(jì)量微量氣體的裝置，由氣體收集單元、氣體控制單元、氣體計(jì)量單元組成，氣體收集單元負(fù)責(zé)整個(gè)裝置中氣體收集和排出，氣體控制單元負(fù)責(zé)進(jìn)、出氣相關(guān)開關(guān)以及電路的聯(lián)調(diào)聯(lián)控，氣體計(jì)量單元負(fù)責(zé)收集到氣體的體積的計(jì)量，具體結(jié)構(gòu)如下:
[0011]氣體收集單元包括進(jìn)氣管、氣體收集管進(jìn)氣管路、氣體收集管排氣管、氣體收集管、恒溫水浴夾套、水、恒溫水浴夾套溫度控制器，其中氣體收集管進(jìn)氣管路與進(jìn)氣電磁閥出口管連接，氣體收集管排氣管與排氣電磁閥進(jìn)口管連接，氣體收集管排氣管路端口連接精密氣體壓力表，氣體收集管外壁由恒溫水浴夾套包裹，恒溫水浴夾套地步安裝溫度控制器，控制恒溫水浴溫度；
[0012]氣體控制單元包括進(jìn)氣電磁閥、排氣電磁閥、進(jìn)氣電磁閥控制開關(guān)、排氣電磁閥控制開關(guān)與電源控制器，其中進(jìn)氣電磁閥進(jìn)口管與進(jìn)氣管串聯(lián)連接，排氣電磁閥出口管與出氣管串聯(lián)連接，進(jìn)氣電磁閥、出氣電磁閥通過導(dǎo)線分別與進(jìn)氣電磁閥控制開關(guān)、排氣電磁閥排氣控制開關(guān)連接，進(jìn)氣電磁閥控制開關(guān)、排氣電磁閥控制開關(guān)分別通過導(dǎo)線與電源控制器連接；
[0013]氣體計(jì)量單元包括精密氣體壓力表、電子計(jì)數(shù)器與導(dǎo)線，精密氣體壓力表通過導(dǎo)氣管與氣體收集管上端端口連接，精密氣體壓力通過導(dǎo)線與電源控制器連接，電子計(jì)數(shù)器通過導(dǎo)線與電源控制器連接。
[0014]而且，所述氣體收集管材質(zhì)為高硼娃玻璃，內(nèi)徑2_5cm、壁厚6_10_、高度10-20cm，氣體收集管的進(jìn)氣端口、排氣端口的外徑均為0.3cm。
[0015]而且，所述進(jìn)氣管、排氣管、氣體收集管進(jìn)氣管、氣體收集管排氣管材質(zhì)均為防腐塑料管，內(nèi)徑均為0.3cm。
[0016]而且，所述精密氣體壓力計(jì)為防腐材質(zhì)。
[0017]采用的計(jì)量微量氣體的裝置計(jì)量氣體的方法，方法的步驟如下:
[0018]⑴操作流程:
[0019]初始狀體下，本發(fā)明裝置中的進(jìn)氣電磁閥開啟，排氣電磁閥關(guān)閉；由實(shí)驗(yàn)室厭氧發(fā)酵反應(yīng)器產(chǎn)生的氣體順次通過進(jìn)氣管、進(jìn)氣電磁閥、氣體收集管進(jìn)氣管后進(jìn)入氣體收集管，此時(shí)氣體收集管開始存儲(chǔ)氣體；當(dāng)氣體收集管上端的精密氣體壓力表讀數(shù)達(dá)到設(shè)定值后，精密氣體壓力表中所攜帶的壓力傳感器開始啟動(dòng)，此時(shí)進(jìn)氣電磁閥關(guān)閉，排氣電磁閥開啟，氣體收集管中的氣體從排氣電磁閥排出；帶有數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與傳輸功能的電子計(jì)數(shù)器開始實(shí)時(shí)記錄讀數(shù)；排氣電磁閥開啟后，氣體收集管中的氣體壓力開始下降，經(jīng)過10秒中左右的穩(wěn)定時(shí)間，精密氣體壓力表中的氣體壓力穩(wěn)定在“0”刻度處，此時(shí)出氣電磁閥關(guān)閉，進(jìn)氣電磁閥開啟，厭氧發(fā)酵反應(yīng)器產(chǎn)生的氣體開始通過進(jìn)氣管、進(jìn)氣電磁閥、氣體收集管進(jìn)氣管后進(jìn)入氣體收集管存儲(chǔ)，如此循環(huán)；
[0020]氣體收集管置于恒溫水浴夾套中的主要目的是保持氣體收集管中的氣體溫度與厭氧反應(yīng)器中的一致，防止由于環(huán)境溫度變化引起的氣體體積變化，使得計(jì)量的氣體體積精確；
[0021]⑵氣體體積計(jì)算方法:
[0022]根據(jù)氣體收集管的容積與電子計(jì)數(shù)氣的讀數(shù)，結(jié)合恒溫水浴夾套設(shè)定的溫度，采用標(biāo)準(zhǔn)氣體狀態(tài)方程，將記錄到的氣體壓力折算為標(biāo)準(zhǔn)狀況下(0°C，1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)的氣體體積。
[0023]氣體體積計(jì)算公式為:
[0024]累計(jì)氣體產(chǎn)生量計(jì)算公式:公式一
[0025]V = (P+NXPq) XVo+101.325X273+(273+T)
[0026]其中:
[0027]V:表不累積產(chǎn)氣量，單位Nml
[0028]P:表示記錄的氣體收集管中的氣體壓力，單位為kPa ;
[0029]P ;:表示設(shè)定的精密氣體壓力表壓力傳感器啟動(dòng)壓力讀數(shù)，單位為kPa ;
[0030]V。:氣體收集管的容積，單位為ml ;
[0031]N:表示電子計(jì)數(shù)器的讀數(shù)；
[0032]101.325:為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的氣壓數(shù)，單位為kPa ；
[0033]T:恒溫水浴夾套溫度控制器設(shè)定的溫度，單位為。C ;
[0034]日產(chǎn)氣量計(jì)算公式:
[0035]V,= [(P D + CN-N, i) XP0)] XV0^-101.325X273^- (273+T) 公式二
[0036]其中:
[0037]Vi =第i天產(chǎn)生的氣體體積，單位Nml/d
[0038]P1:表示第i次記錄的氣體收集管中的氣體壓力，單位為kPa ;
[0039]Px 1:表示第1-Ι次記錄的氣體收集管中的氣體壓力，單位為kPa ;
[0040]V。:氣體收集管的有效容積，單位為ml ;
[0041]P。:表示設(shè)定的精密氣體壓力表壓力傳感器啟動(dòng)壓力讀數(shù)，單位為kPa ；
[0042]N1:表示第i天的電子計(jì)數(shù)器讀數(shù)；
[0043]N, 1:表示第1-Ι天的電子計(jì)數(shù)器讀數(shù)；
[0044]101.325:為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的氣壓數(shù)，單位為kPa ；
[0045]T:恒溫水浴夾套溫度控制器設(shè)定的溫度，單位為。C。
[0046]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是:
[0047]本發(fā)明的目的是針對實(shí)驗(yàn)室在以往進(jìn)行有機(jī)廢棄物厭氧發(fā)酵試驗(yàn)中計(jì)量氣體體積時(shí)存在的問題，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、制作安裝方便、成本低、計(jì)量精確高、計(jì)量過程快速簡便的微量氣體計(jì)量裝置與計(jì)量方法，對厭氧發(fā)酵裝置產(chǎn)生的氣體進(jìn)行精密計(jì)量，從而優(yōu)化厭氧發(fā)酵工藝。
【附圖說明】
[0048]圖1為該裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0049]圖中:1、進(jìn)氣管；2、進(jìn)氣電磁閥；3、氣體收集管進(jìn)氣管；4、氣體收集管；5、恒溫水浴夾套；6、水；7、恒溫水浴夾套溫度控制器；8、精密氣體壓力表；9、氣體收集管排氣管；10、排氣電磁閥；11、進(jìn)氣電磁閥控制開關(guān)；12、排氣電子閥控制開關(guān)；13、電子計(jì)數(shù)器；14、電源控制器；15、金屬導(dǎo)線；16、出氣管
[0050]圖2為實(shí)施例1產(chǎn)沼氣曲線圖。
[0051]圖3為實(shí)施例2甲烷產(chǎn)氣速率圖。
【具體實(shí)施方式】
[0052]下面結(jié)合附圖并通過具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳述，以下實(shí)施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0053]實(shí)施例1:
[0054]—種計(jì)量微量氣體的裝置，由氣體收集單元、氣體控制單元、氣體計(jì)量單元組成，氣體收集單元負(fù)責(zé)整個(gè)裝置中氣體收集和排出，氣體控制單元負(fù)責(zé)進(jìn)、出氣相關(guān)開關(guān)以及電路的聯(lián)調(diào)聯(lián)控，氣體計(jì)量單元負(fù)責(zé)收集到氣體的體積的計(jì)量，所述三個(gè)單元采用的元器件均為現(xiàn)有技術(shù)中的元器件，具體連接方式如下:
[0055]其中，氣體收集單元包括進(jìn)氣管1、出氣管16、氣體收集管進(jìn)氣管路3、氣體收集管排氣管9、氣體收集管4、恒溫水浴夾套5、水6、恒溫水浴夾套溫度控制器7。其中氣體收集管進(jìn)氣管路3與進(jìn)氣電磁閥2出口管連接，氣體收集管排氣管9與排氣電磁閥10進(jìn)口管連接，氣體收集管排氣管路9端口連接精密氣體壓力表8，氣體收集管4外壁由恒溫水浴夾套5包裹，中間裝有水6，恒溫水浴夾套溫度控制器7位于恒溫水浴夾套底部；
[0056]氣體控制單元包括進(jìn)氣電磁閥2、排氣電磁閥10、進(jìn)氣電磁閥控制開關(guān)11、排氣電磁閥控制開關(guān)12與