專利名稱：一種自動測量煤巖在高壓氣體中吸附膨脹量的儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種自動測量煤巖在高壓氣體中的吸附膨脹量的測量儀器。
背景技術(shù)：
煤巖體是一種含大量吸附煤層氣的多孔介質(zhì)，其力學(xué)性能對煤層氣開采有重要影響。大量研究證明，煤基質(zhì)吸附隊，CH4, CO2氣體將產(chǎn)生膨脹變形，氣體解吸會使煤基質(zhì)收縮。近年來，隨著人們對(X)2煤層封存、煤層氣注氣開采等技術(shù)關(guān)注程度的不斷提高， 關(guān)于煤巖對不同氣體(主要是C02，N2, CH4等)的吸附能力(吸附量、吸附變形以及由此導(dǎo)致的滲透系數(shù)變化)的研究越來越受到人們的重視，研究煤巖在高壓下對不同氣體的吸附膨脹變形規(guī)律，吸附量和煤巖體吸附膨脹率的關(guān)系對于研究煤層中瓦斯的滲流特性和煤層氣資源評價及勘探開發(fā)工作具有重要意義。特別是研究煤巖對不同氣體(如C02，N2，CH4等) 的吸附量、吸附引起的變形及其滲透系數(shù)變化，對認(rèn)識CO2煤層封存、煤層氣注氣開采等技術(shù)的機制同樣具有重要意義。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，開發(fā)出了大量的用于測量物體膨脹的商業(yè)儀器，但是，這些儀器中測量精度較高的只能適用于常壓或低壓條件，而能夠用于高壓測試條件的卻測量精度和分辨率較低。由于煤巖在高壓氣體中吸附膨脹量較小，并且要求實驗壓力較高。就目前研究表明，煤巖在高壓(20MPa)C02、CH4、N2中的最大膨脹量分別約為1%，0. 4%和0. 1%。 因此現(xiàn)有的膨脹測量儀無法用于煤巖在高壓氣體中的吸附膨脹量的測量。目前，國外的研究人員測量煤巖在高壓氣體中的吸附膨脹主要采用光學(xué)測量法和應(yīng)變片測量法。國內(nèi)有關(guān)這方面研究工作的報道較少，主要采用的是應(yīng)變片測量法。應(yīng)變片測量法就是將電阻應(yīng)變片用粘結(jié)劑粘貼于煤塊表面，煤塊的膨脹導(dǎo)致應(yīng)變片的電阻值發(fā)生變化。通過測量電阻值的變化獲得煤的膨脹量。應(yīng)變片測量法的精度較高，但是這種方法需要特殊的電阻應(yīng)變片和粘結(jié)劑，操作過程復(fù)雜，對操作人員的要求較高。特別是超臨界 CO2氣體與粘結(jié)劑容易發(fā)生化學(xué)作用，從而導(dǎo)致測量結(jié)果失真或失敗。光學(xué)測量法就是利用照相機或者顯微鏡通過一個耐高壓透光玻璃窗口對煤樣進行拍照，然后利用圖像分析軟件對所得的照片進行分析，從而計算出煤的膨脹量。但是這種方法所使用設(shè)備復(fù)雜，成本較高，而且測量精度較低。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，測量精度高的自動測量煤巖在高壓氣體中的吸附膨脹量的測量儀器。本實用新型的測量儀器是由高壓測試容器，位移傳感器，壓力變送器，恒溫浴箱和測量控制儀組成，其特征在于恒溫浴箱體的底部裝有加熱管和循環(huán)泵，恒溫浴箱體的內(nèi)部裝有熱電阻和高壓測試容器，在恒溫浴箱體的四壁裝有半導(dǎo)體制冷片；高壓測試容器由下缸體，上缸體和卡套組成，上缸體與下缸體之間安裝有密封墊，上缸體與下缸體由卡套進行密封連接，在上缸體頂端裝有位移傳感器，位移傳感器和上缸體之間裝有密封墊并由固定部件連接在一起，位移傳感器的測桿通過上缸體，并位于上缸體底端之外，上缸體的下部安裝有圓柱型樣品筒和鎖緊片，圓柱型樣品筒與上缸體的下部是螺紋連接，鎖緊片將圓柱型樣品筒與上缸體的下部固定在一起，圓柱型樣品筒上有分布均勻的透氣孔，下缸體上部有一個進氣口和一個排氣口，進氣口和排氣口上安裝有進氣閥和排氣閥，在進氣口和進氣閥之間裝有壓力變送器，下缸體通過有孔的固定板與恒溫浴箱體固定連接；位移傳感器，壓力變送器，加熱管，循環(huán)泵，半導(dǎo)體制冷片和熱電阻通過電纜與測量控制儀連接；測量控制儀通過RS232通訊導(dǎo)線與計算機連接。如上所述的高壓測試容器的材質(zhì)為不銹鋼，耐壓大于30MPa。如上所述的位移傳感器為一種耐高壓線性差動變壓器式位移傳感器(LVDT)，型號為GA-2。該位移傳感器本體和鐵芯測桿為一體式結(jié)構(gòu)，具有導(dǎo)向和回彈功能，回彈式結(jié)構(gòu)可以避免測桿由于摩擦無法與測量樣品可靠接觸而造成的測量誤差，提高測量精度，該位移傳感器耐壓大于30MPa，測量精度為0. 05%，測量范圍為0_2mm，測量分辨率為0. 1 μ m，該位移傳感器通過屏蔽電纜與測量控制儀連接，該位移傳感器將所測量的煤巖樣品的膨脹或收縮變形量轉(zhuǎn)換為電信號，送至測量控制儀進行信號處理和模數(shù)轉(zhuǎn)換。如上所述的壓力變送器為一種高壓智能壓力變送器，型號為MPM421。其耐壓大于 30MPa，測量精度為0. FS，測量范圍為-0. l_20MPa，該壓力變送器通過連接管線和高壓測試容器的進氣口連接，用于測量高壓測試容器內(nèi)部壓力，該壓力變送器通過屏蔽電纜與測量控制儀連接。所述的熱電阻為PtlOO鉬電阻；所述的恒溫浴所用的加熱介質(zhì)為水或甘油，該恒溫浴的工作溫度為0-80°C，控溫精度為0. 1°C。所述的測量控制儀應(yīng)用了單片機測量控制技術(shù)，包括有位移傳感器信號數(shù)據(jù)采集電路，熱電阻信號數(shù)據(jù)采集電路，壓力變送器信號數(shù)據(jù)采集電路，溫度控制電路，顯示電路， 數(shù)據(jù)通訊電路和單片機；壓力變送器，位移傳感器和熱電阻的電信號送至各自數(shù)據(jù)采集電路，在單片機的控制下，數(shù)據(jù)采集電路將壓力變送器，位移傳感器和熱電阻的電信號進行信號變換和模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過顯示電路實時顯示恒溫浴的溫度，高壓測試容器內(nèi)部壓力和樣品的膨脹高度；其中溫度控制采用PID控制技術(shù)；通過溫度控制電路控制加熱元件，半導(dǎo)體制冷片，循環(huán)泵的工作，對恒溫浴進行溫度控制；同時，所采集的溫度，壓力和位移數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)通訊電路直接送入計算機，計算機數(shù)據(jù)通訊應(yīng)用RS232串行通訊方式，通過RS232通訊導(dǎo)線與計算機的RS232串行接口連接。計算機自動接收來自測量控制儀的實驗溫度，壓力和位移信號數(shù)據(jù)，對接收到的數(shù)據(jù)進行記錄和保存，并且在計算機屏幕上實時顯示實驗過程中的溫度，壓力和膨脹高度數(shù)據(jù)，并自動顯示隨時間變化的溫度，壓力和膨脹量變化規(guī)律曲線。本發(fā)明所述自動測量煤巖在高壓氣體中吸附膨脹量的儀器，其測量方法如下1、首先將待測煤巖加工成圓柱型或長方體型的塊狀樣品，并確保煤巖樣品上下端面平行且光滑，準(zhǔn)確測量煤巖樣品的高度(LO)；2、打開測量控制儀電源，同時啟動計算機；3、首先將煤巖樣品裝入樣品筒，再將樣品筒與高壓測試容器的上缸體連接，調(diào)節(jié)樣品筒的高度，確保煤巖樣品與位移傳感器的測桿可靠接觸，同時觀察測量控制儀或計算機屏幕上顯示的位移數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確調(diào)節(jié)位移傳感器的零點，用鎖緊片固定樣品筒，然后將上缸體裝入下缸體，用卡套將上缸體和下缸體進行連接；4、在測量控制儀上設(shè)定溫度，設(shè)定溫度為實驗所需溫度，啟動加熱控制，對恒溫浴進行加熱，待恒溫浴溫度到達設(shè)定溫度時，啟動真空泵抽取高壓測試容器內(nèi)部空氣，使測量高壓測試容器內(nèi)部處于真空狀態(tài)，然后停止真空泵，關(guān)閉所有的閥門；5、打開進氣閥，向高壓測試容器內(nèi)部充入高壓測試氣體(如CH4A2，CO2氣體)，使高壓測試容器內(nèi)部壓力到達實驗壓力，壓力變送器測量高壓測試容器內(nèi)部壓力；高壓測試氣體進入高壓測試容器內(nèi)部以后，煤巖樣品吸附高壓測試氣體將產(chǎn)生膨脹變形(AL)，使位移傳感器的測桿向上位移，位移傳感器將位移變形轉(zhuǎn)換為電信號，送至測量控制儀，測量控制儀對壓力變送器，位移傳感器和熱電阻的電信號進行信號變換和模數(shù)轉(zhuǎn)換，實時顯示實驗壓力，溫度和樣品的膨脹變化的位移信號數(shù)據(jù)；6、計算機自動接收來自測量控制儀的實驗壓力，溫度和位移信號數(shù)據(jù)，對接收到的數(shù)據(jù)進行自動記錄和保存，并且在計算機屏幕上實時顯示實驗過程中的壓力，溫度和膨脹量數(shù)據(jù)，以及膨脹量隨時間的變化規(guī)律曲線；7、測量完成后，向高壓測試容器內(nèi)部繼續(xù)充入高壓測試氣體，進行下一個實驗壓力點的吸附膨脹測試，就這樣，自低而高逐個壓力點進行測量，直至最后一個壓力點試驗結(jié)束，即可測量不同壓力下的吸附膨脹量，從而獲得該實驗溫度下，吸附膨脹量與平衡壓力的關(guān)系曲線。8、改變實驗溫度或改變高壓測試氣體種類，重復(fù)以上實驗，即可在不同實驗溫度下，測量煤巖在不同高壓氣體中的吸附膨脹量和吸附膨脹量與平衡壓力的關(guān)系曲線。本發(fā)明所提供的一種自動測量煤巖在高壓氣體中吸附膨脹量的儀器，還可廣泛應(yīng)用于其它領(lǐng)域，用于其它多孔物質(zhì)在高壓氣體中的吸附膨脹測試和研究。本發(fā)明具有如下優(yōu)點1、本發(fā)明所提供的一種自動測量煤巖在高壓氣體中吸附膨脹量的儀器，測量精度高，耐壓高，能夠在壓力(T20MPa、溫度(T80°C的范圍內(nèi)，自動測量煤巖在高壓氣體(如CH4, N2, CO2氣體)中的吸附膨脹量，測量分辨率為0. 1微米。2、在測量過程中，測量控制儀實時顯示實驗壓力，溫度和膨脹數(shù)據(jù)，同時計算機自動接收來自測量控制儀的實驗壓力，溫度和位移信號數(shù)據(jù)，對接收到的數(shù)據(jù)進行記錄和保存，并且在計算機屏幕上實時顯示實驗過程中的壓力，溫度和膨脹數(shù)據(jù)，以及壓力，溫度和膨脹量隨時間的變化規(guī)律曲線，實現(xiàn)了智能化控制和自動測量。3、結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，高壓密封可靠安全，成本低。

圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖圖2是本實用新型的電路框圖圖3是本實用新型的使用連接示意圖圖4是本實用新型在45°C條件下，一種陽泉煤樣分別在CH4, N2, CO2氣體中的吸附膨脹量與平衡壓力的關(guān)系曲線。圖5是本實用新型在45°C條件下，一種陽泉煤樣在0. 6MPa的(X)2氣體中的吸附膨
5脹量隨時間的變化規(guī)律曲線。如圖所示1是高壓測試容器，2是位移傳感器，3是圓柱型樣品筒，4是鎖緊片，5是壓力變送器，6是恒溫浴，7是恒溫箱體，8是加熱管，9是熱電阻，10是下缸體，11是上缸體， 12是卡套，13是固定部件，14是密封墊，15是進氣閥，16是排氣閥，17是煤巖樣品，18是半導(dǎo)體制冷片，19是循環(huán)泵，20是高壓測試氣體鋼瓶，21是氣體增壓泵，22是排空閥，23是真空閥，M是真空泵，25是測量控制儀，26是計算機，27是固定板，28是密封墊。
具體實施方式
實施例1 恒溫浴箱體7的底部裝有加熱管8和循環(huán)泵19，恒溫浴箱體7的內(nèi)部裝有熱電阻 9和高壓測試容器1，在恒溫浴箱體7的四壁裝有半導(dǎo)體制冷片18 ；高壓測試容器1由下缸體10，上缸體11和卡套12組成，上缸體11與下缸體10之間安裝有密封墊14，上缸體11 與下缸10體由卡套12進行密封連接，在上缸體11頂端裝有位移傳感器2，位移傳感器2和上缸體11之間裝有密封墊觀并由固定部件13連接在一起，位移傳感器2的測桿通過上缸體11，并位于上缸體11底端之外，上缸體11的下部安裝有圓柱型樣品筒3和鎖緊片4，圓柱型樣品筒3與上缸體11的下部是螺紋連接，鎖緊片4將圓柱型樣品筒3與上缸體11的下部固定在一起，圓柱型樣品筒3上有分布均勻的透氣孔，下缸體10上部有一個進氣口和一個排氣口，進氣口和排氣口上安裝有進氣閥15和排氣閥16，在進氣口和進氣閥15之間裝有壓力變送器5，下缸體10通過有孔的固定板27與恒溫浴箱體7固定連接；位移傳感器 2，壓力變送器5，加熱管8，循環(huán)泵19，半導(dǎo)體制冷片18和熱電阻9通過電纜與測量控制儀 25連接。高壓測試容器1的材質(zhì)為不銹鋼，耐壓30MPa ；位移傳感器2是型號為GA-2的耐高壓線性差動變壓器式位移傳感器；壓力變送器5是型號為MPM421的高壓智能壓力變送器； 熱電阻9為PtlOO鉬電阻；所述的恒溫浴6所用的加熱介質(zhì)為水或甘油。測量控制儀25應(yīng)用了單片機測量控制技術(shù)，包括有位移傳感器信號數(shù)據(jù)采集電路，熱電阻信號數(shù)據(jù)采集電路，壓力變送器信號數(shù)據(jù)采集電路，溫度控制電路，顯示電路，數(shù)據(jù)通訊電路和單片機；壓力變送器5，位移傳感器2和熱電阻9的電信號送至各自數(shù)據(jù)采集電路，在單片機的控制下，數(shù)據(jù)采集電路將壓力變送器5，位移傳感器2和熱電阻9的電信號進行信號變換和模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過顯示電路實時顯示恒溫浴的溫度，高壓測試容器1內(nèi)部壓力和樣品的膨脹高度；其中溫度控制采用PID控制技術(shù)，通過溫度控制電路控制加熱管8， 循環(huán)泵19，半導(dǎo)體制冷片18的工作，對恒溫浴進行溫度控制；同時所采集的溫度，壓力和位移數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)通訊電路直接送入計算機，計算機數(shù)據(jù)通訊應(yīng)用RS232串行通訊方式，測量控制儀25通過RS232通訊導(dǎo)線與計算機沈的RS232串行接口連接。下面敘述吸附膨脹量的測量過程首先將待測煤巖加工成圓柱型或長方體型的塊狀樣品，并確保煤巖樣品上下端面平行且光滑，將煤巖樣品在溫度110°C真空條件下干燥12h，準(zhǔn)確測量煤巖樣品的高度 (LO)，密封保存待用。打開測量控制儀25電源，啟動計算機沈，將煤巖樣品17裝入樣品筒3，將樣品筒 3與高壓測試容器1的上缸體11連接，確保煤巖樣品17與位移傳感器2的測桿可靠接觸，調(diào)節(jié)樣品筒3的高度，同時觀察測量控制儀25或計算機沈屏幕上顯示的位移數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確調(diào)節(jié)位移傳感器的零點，用鎖緊片4固定樣品筒3。然后將上缸體11裝入下缸體10，用卡套 12將上缸體11和下缸體10進行連接。設(shè)定溫度為實驗所需溫度，啟動加熱控制，對恒溫浴6進行加熱。待恒溫浴6溫度到達設(shè)定溫度，關(guān)閉進氣閥15和排空閥22，打開放氣閥16和真空閥門23，啟動真空泵M 抽取高壓測試容器1內(nèi)部空氣，使高壓測試容器1內(nèi)部處于真空狀態(tài)，然后關(guān)閉放氣閥16， 打開排空閥22，停止真空泵M，然后關(guān)閉真空閥23。打開高壓氣體(如CH4,N25CO2氣體)鋼瓶20閥門，根據(jù)需要啟動高壓氣體增壓泵 21，打開進氣閥15，向高壓測試容器1內(nèi)部充入高壓測試氣體，壓力變送器5用于測量高壓測試容器1內(nèi)部壓力，當(dāng)高壓測試容器1內(nèi)部壓力到達實驗壓力，關(guān)閉進氣閥15和鋼瓶20 閥門，停止高壓氣體增壓泵21 ；高壓測試氣體進入高壓測試容器1內(nèi)部以后，煤巖樣品17 吸附高壓測試氣體將產(chǎn)生膨脹變形(AL)，使位移傳感器2的測桿向上位移，位移傳感器2 將位移變形轉(zhuǎn)換為電信號，送至測量控制儀25，測量控制儀25對壓力變送器5，位移傳感器 2和熱電阻9的電信號進行信號變換和模數(shù)轉(zhuǎn)換，實時顯示實驗壓力，溫度和樣品的膨脹變化的位移信號數(shù)據(jù)，計算機26自動接收來自測量控制儀25的實驗壓力，溫度和位移信號數(shù)據(jù)，對接收到的數(shù)據(jù)進行自動記錄和保存，并且在計算機屏幕上實時顯示實驗過程中的壓力，溫度和膨脹量數(shù)據(jù)，以及膨脹量隨時間的變化規(guī)律曲線。當(dāng)吸附膨脹平衡以后，再次打開進氣閥15和高壓氣體(如CH4,N2,CO2氣體)鋼瓶 20閥門，啟動高壓氣體增壓泵21，向高壓測試容器1內(nèi)部繼續(xù)充入高壓測試氣體，進行下一個實驗壓力點吸附膨脹測試。就這樣，自低而高逐個壓力點進行試驗，直至最后一個壓力點試驗結(jié)束。
權(quán)利要求1.一種自動測量煤巖在高壓氣體中吸附膨脹量的儀器，它是由高壓測試容器(1)，位移傳感器O)，壓力變送器(5)，恒溫浴箱(7)和測量控制儀0 組成，其特征在于恒溫浴箱(7)的底部裝有加熱管⑶和循環(huán)泵(19)，恒溫浴箱(7)的內(nèi)部裝有熱電阻(9)和高壓測試容器(1)，在恒溫浴箱⑵的四壁裝有半導(dǎo)體制冷片(18)；高壓測試容器⑴由下缸體 (10)，上缸體(11)和卡套(12)組成，上缸體(11)與下缸體(10)之間安裝有密封墊(14)， 上缸體(11)與下缸(10)體由卡套(1 進行密封連接，在上缸體(11)頂端裝有位移傳感器O)，位移傳感器( 和上缸體(11)之間裝有密封墊08)并由固定部件(1 連接在一起，位移傳感器O)的測桿通過上缸體(11)，并位于上缸體(11)底端之外，上缸體(11)的下部安裝有圓柱型樣品筒C3)和鎖緊片G)，圓柱型樣品筒C3)與上缸體(11)的下部是螺紋連接，鎖緊片(4)將圓柱型樣品筒(3)與上缸體(11)的下部固定在一起，圓柱型樣品筒 (3)上有分布均勻的透氣孔，下缸體(10)上部有一個進氣口和一個排氣口，進氣口和排氣口上安裝有進氣閥(1 和排氣閥(16)，在進氣口和進氣閥(1 之間裝有壓力變送器(5)， 下缸體(10)通過有孔的固定板(XT)與恒溫浴箱體(7)固定連接；位移傳感器0)，壓力變送器(5)，加熱管(8)，循環(huán)泵(19)，半導(dǎo)體制冷片(18)和熱電阻(9)通過電纜與測量控制儀(25)連接。
2.如權(quán)利要求1所述的一種自動測量煤巖在高壓氣體中吸附膨脹量的儀器，其特征在于所述的高壓測試容器(1)的材質(zhì)為不銹鋼，耐壓大于30Mpa。
3.如權(quán)利要求1所述的一種自動測量煤巖在高壓氣體中吸附膨脹量的儀器，其特征在于所述的位移傳感器( 是型號為GA-2的耐高壓線性差動變壓器式位移傳感器，耐壓大于 30MPa,測量精度為0. 05%，測量范圍為0_2mm，測量分辨率為0. 1 μ m。
4.如權(quán)利要求1所述的一種自動測量煤巖在高壓氣體中吸附膨脹量的儀器，其特征在于所述的壓力變送器(5)是型號為MPM421的高壓智能壓力變送器，其耐壓大于30MPa，測量精度為0. 1% FS，測量范圍為-0. l-20Mpa。
5.如權(quán)利要求1所述的一種自動測量煤巖在高壓氣體中吸附膨脹量的儀器，其特征在于所述的熱電阻(9)為PtlOO鉬電阻。
6.如權(quán)利要求1所述的一種自動測量煤巖在高壓氣體中吸附膨脹量的儀器，其特征在于所述的恒溫浴箱(7)所用的加熱介質(zhì)為水或甘油，該恒溫浴的工作溫度為0-80°C，控溫精度為0. 1°C。
7.如權(quán)利要求1所述的一種自動測量煤巖在高壓氣體中吸附膨脹量的儀器，其特征在于所述的測量控制儀0 包括有位移傳感器信號數(shù)據(jù)采集電路，熱電阻信號數(shù)據(jù)采集電路，壓力變送器信號數(shù)據(jù)采集電路，溫度控制電路，顯示電路，數(shù)據(jù)通訊電路和單片機；壓力變送器(5)，位移傳感器( 和熱電阻(9)的電信號送至各自數(shù)據(jù)采集電路，在單片機的控制下，數(shù)據(jù)采集電路將壓力變送器(5)，位移傳感器( 和熱電阻(9)的電信號進行信號變換和模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過顯示電路實時顯示恒溫浴的溫度，高壓測試容器(1)內(nèi)部壓力和樣品的膨脹高度；其中溫度控制采用PID控制技術(shù)，通過溫度控制電路控制加熱管(8)，循環(huán)泵 (19)，半導(dǎo)體制冷片(18)的工作，對恒溫浴進行溫度控制；同時，所采集的溫度，壓力和位移數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)通訊電路直接送入計算機，計算機數(shù)據(jù)通訊應(yīng)用RS232串行通訊方式，測量控制儀0 通過RS232通訊導(dǎo)線與計算機06)的RS232串行接口連接。
專利摘要一種自動測量煤巖在高壓氣體中吸附膨脹量的儀器是由高壓測試容器(1)，位移傳感器(2)，壓力變送器(5)，恒溫浴箱(7)和測量控制儀(25)組成，本實用新型具有測量精度高，耐壓高，結(jié)構(gòu)簡單，高壓密封可靠安全，易于操作，自動測量的優(yōu)點。
文檔編號G01B21/32GK201945540SQ20102029510
公開日2011年8月24日 申請日期2010年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月13日
發(fā)明者劉增厚, 劉平光, 劉振宇, 李允梅, 楊建麗, 陳國青 申請人:中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所