专利名称：一种自动测量煤岩在高压气体中吸附膨胀量的仪器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种自动测量煤岩在高压气体中的吸附膨胀量的测量仪器。
背景技术：
煤岩体是一种含大量吸附煤层气的多孔介质，其力学性能对煤层气开采有重要影响。大量研究证明，煤基质吸附队，CH4, CO2气体将产生膨胀变形，气体解吸会使煤基质收缩。近年来，随着人们对(X)2煤层封存、煤层气注气开采等技术关注程度的不断提高， 关于煤岩对不同气体(主要是C02，N2, CH4等)的吸附能力(吸附量、吸附变形以及由此导致的渗透系数变化)的研究越来越受到人们的重视，研究煤岩在高压下对不同气体的吸附膨胀变形规律，吸附量和煤岩体吸附膨胀率的关系对于研究煤层中瓦斯的渗流特性和煤层气资源评价及勘探开发工作具有重要意义。特别是研究煤岩对不同气体(如C02，N2，CH4等) 的吸附量、吸附引起的变形及其渗透系数变化，对认识CO2煤层封存、煤层气注气开采等技术的机制同样具有重要意义。随着科学技术的进步，开发出了大量的用于测量物体膨胀的商业仪器，但是，这些仪器中测量精度较高的只能适用于常压或低压条件，而能够用于高压测试条件的却测量精度和分辨率较低。由于煤岩在高压气体中吸附膨胀量较小，并且要求实验压力较高。就目前研究表明，煤岩在高压(20MPa)C02、CH4、N2中的最大膨胀量分别约为1%，0. 4%和0. 1%。 因此现有的膨胀测量仪无法用于煤岩在高压气体中的吸附膨胀量的测量。目前，国外的研究人员测量煤岩在高压气体中的吸附膨胀主要采用光学测量法和应变片测量法。国内有关这方面研究工作的报道较少，主要采用的是应变片测量法。应变片测量法就是将电阻应变片用粘结剂粘贴于煤块表面，煤块的膨胀导致应变片的电阻值发生变化。通过测量电阻值的变化获得煤的膨胀量。应变片测量法的精度较高，但是这种方法需要特殊的电阻应变片和粘结剂，操作过程复杂，对操作人员的要求较高。特别是超临界 CO2气体与粘结剂容易发生化学作用，从而导致测量结果失真或失败。光学测量法就是利用照相机或者显微镜通过一个耐高压透光玻璃窗口对煤样进行拍照，然后利用图像分析软件对所得的照片进行分析，从而计算出煤的膨胀量。但是这种方法所使用设备复杂，成本较高，而且测量精度较低。
发明内容本实用新型的目的是提供一种结构简单，易于操作，测量精度高的自动测量煤岩在高压气体中的吸附膨胀量的测量仪器。本实用新型的测量仪器是由高压测试容器，位移传感器，压力变送器，恒温浴箱和测量控制仪组成，其特征在于恒温浴箱体的底部装有加热管和循环泵，恒温浴箱体的内部装有热电阻和高压测试容器，在恒温浴箱体的四壁装有半导体制冷片；高压测试容器由下缸体，上缸体和卡套组成，上缸体与下缸体之间安装有密封垫，上缸体与下缸体由卡套进行密封连接，在上缸体顶端装有位移传感器，位移传感器和上缸体之间装有密封垫并由固定部件连接在一起，位移传感器的测杆通过上缸体，并位于上缸体底端之外，上缸体的下部安装有圆柱型样品筒和锁紧片，圆柱型样品筒与上缸体的下部是螺纹连接，锁紧片将圆柱型样品筒与上缸体的下部固定在一起，圆柱型样品筒上有分布均勻的透气孔，下缸体上部有一个进气口和一个排气口，进气口和排气口上安装有进气阀和排气阀，在进气口和进气阀之间装有压力变送器，下缸体通过有孔的固定板与恒温浴箱体固定连接；位移传感器，压力变送器，加热管，循环泵，半导体制冷片和热电阻通过电缆与测量控制仪连接；测量控制仪通过RS232通讯导线与计算机连接。如上所述的高压测试容器的材质为不锈钢，耐压大于30MPa。如上所述的位移传感器为一种耐高压线性差动变压器式位移传感器(LVDT)，型号为GA-2。该位移传感器本体和铁芯测杆为一体式结构，具有导向和回弹功能，回弹式结构可以避免测杆由于摩擦无法与测量样品可靠接触而造成的测量误差，提高测量精度，该位移传感器耐压大于30MPa，测量精度为0. 05%，测量范围为0_2mm，测量分辨率为0. 1 μ m，该位移传感器通过屏蔽电缆与测量控制仪连接，该位移传感器将所测量的煤岩样品的膨胀或收缩变形量转换为电信号，送至测量控制仪进行信号处理和模数转换。如上所述的压力变送器为一种高压智能压力变送器，型号为MPM421。其耐压大于 30MPa，测量精度为0. FS，测量范围为-0. l_20MPa，该压力变送器通过连接管线和高压测试容器的进气口连接，用于测量高压测试容器内部压力，该压力变送器通过屏蔽电缆与测量控制仪连接。所述的热电阻为PtlOO钼电阻；所述的恒温浴所用的加热介质为水或甘油，该恒温浴的工作温度为0-80°C，控温精度为0. 1°C。所述的测量控制仪应用了单片机测量控制技术，包括有位移传感器信号数据采集电路，热电阻信号数据采集电路，压力变送器信号数据采集电路，温度控制电路，显示电路， 数据通讯电路和单片机；压力变送器，位移传感器和热电阻的电信号送至各自数据采集电路，在单片机的控制下，数据采集电路将压力变送器，位移传感器和热电阻的电信号进行信号变换和模数转换，通过显示电路实时显示恒温浴的温度，高压测试容器内部压力和样品的膨胀高度；其中温度控制采用PID控制技术；通过温度控制电路控制加热元件，半导体制冷片，循环泵的工作，对恒温浴进行温度控制；同时，所采集的温度，压力和位移数据经过数据通讯电路直接送入计算机，计算机数据通讯应用RS232串行通讯方式，通过RS232通讯导线与计算机的RS232串行接口连接。计算机自动接收来自测量控制仪的实验温度，压力和位移信号数据，对接收到的数据进行记录和保存，并且在计算机屏幕上实时显示实验过程中的温度，压力和膨胀高度数据，并自动显示随时间变化的温度，压力和膨胀量变化规律曲线。本发明所述自动测量煤岩在高压气体中吸附膨胀量的仪器，其测量方法如下1、首先将待测煤岩加工成圆柱型或长方体型的块状样品，并确保煤岩样品上下端面平行且光滑，准确测量煤岩样品的高度(LO)；2、打开测量控制仪电源，同时启动计算机；3、首先将煤岩样品装入样品筒，再将样品筒与高压测试容器的上缸体连接，调节样品筒的高度，确保煤岩样品与位移传感器的测杆可靠接触，同时观察测量控制仪或计算机屏幕上显示的位移数据，准确调节位移传感器的零点，用锁紧片固定样品筒，然后将上缸体装入下缸体，用卡套将上缸体和下缸体进行连接；4、在测量控制仪上设定温度，设定温度为实验所需温度，启动加热控制，对恒温浴进行加热，待恒温浴温度到达设定温度时，启动真空泵抽取高压测试容器内部空气，使测量高压测试容器内部处于真空状态，然后停止真空泵，关闭所有的阀门；5、打开进气阀，向高压测试容器内部充入高压测试气体(如CH4A2，CO2气体)，使高压测试容器内部压力到达实验压力，压力变送器测量高压测试容器内部压力；高压测试气体进入高压测试容器内部以后，煤岩样品吸附高压测试气体将产生膨胀变形(AL)，使位移传感器的测杆向上位移，位移传感器将位移变形转换为电信号，送至测量控制仪，测量控制仪对压力变送器，位移传感器和热电阻的电信号进行信号变换和模数转换，实时显示实验压力，温度和样品的膨胀变化的位移信号数据；6、计算机自动接收来自测量控制仪的实验压力，温度和位移信号数据，对接收到的数据进行自动记录和保存，并且在计算机屏幕上实时显示实验过程中的压力，温度和膨胀量数据，以及膨胀量随时间的变化规律曲线；7、测量完成后，向高压测试容器内部继续充入高压测试气体，进行下一个实验压力点的吸附膨胀测试，就这样，自低而高逐个压力点进行测量，直至最后一个压力点试验结束，即可测量不同压力下的吸附膨胀量，从而获得该实验温度下，吸附膨胀量与平衡压力的关系曲线。8、改变实验温度或改变高压测试气体种类，重复以上实验，即可在不同实验温度下，测量煤岩在不同高压气体中的吸附膨胀量和吸附膨胀量与平衡压力的关系曲线。本发明所提供的一种自动测量煤岩在高压气体中吸附膨胀量的仪器，还可广泛应用于其它领域，用于其它多孔物质在高压气体中的吸附膨胀测试和研究。本发明具有如下优点1、本发明所提供的一种自动测量煤岩在高压气体中吸附膨胀量的仪器，测量精度高，耐压高，能够在压力(T20MPa、温度(T80°C的范围内，自动测量煤岩在高压气体(如CH4, N2, CO2气体)中的吸附膨胀量，测量分辨率为0. 1微米。2、在测量过程中，测量控制仪实时显示实验压力，温度和膨胀数据，同时计算机自动接收来自测量控制仪的实验压力，温度和位移信号数据，对接收到的数据进行记录和保存，并且在计算机屏幕上实时显示实验过程中的压力，温度和膨胀数据，以及压力，温度和膨胀量随时间的变化规律曲线，实现了智能化控制和自动测量。3、结构简单，易于操作，高压密封可靠安全，成本低。

图1是本实用新型的结构示意图图2是本实用新型的电路框图图3是本实用新型的使用连接示意图图4是本实用新型在45°C条件下，一种阳泉煤样分别在CH4, N2, CO2气体中的吸附膨胀量与平衡压力的关系曲线。图5是本实用新型在45°C条件下，一种阳泉煤样在0. 6MPa的(X)2气体中的吸附膨
5胀量随时间的变化规律曲线。如图所示1是高压测试容器，2是位移传感器，3是圆柱型样品筒，4是锁紧片，5是压力变送器，6是恒温浴，7是恒温箱体，8是加热管，9是热电阻，10是下缸体，11是上缸体， 12是卡套，13是固定部件，14是密封垫，15是进气阀，16是排气阀，17是煤岩样品，18是半导体制冷片，19是循环泵，20是高压测试气体钢瓶，21是气体增压泵，22是排空阀，23是真空阀，M是真空泵，25是测量控制仪，26是计算机，27是固定板，28是密封垫。
具体实施方式
实施例1 恒温浴箱体7的底部装有加热管8和循环泵19，恒温浴箱体7的内部装有热电阻 9和高压测试容器1，在恒温浴箱体7的四壁装有半导体制冷片18 ；高压测试容器1由下缸体10，上缸体11和卡套12组成，上缸体11与下缸体10之间安装有密封垫14，上缸体11 与下缸10体由卡套12进行密封连接，在上缸体11顶端装有位移传感器2，位移传感器2和上缸体11之间装有密封垫观并由固定部件13连接在一起，位移传感器2的测杆通过上缸体11，并位于上缸体11底端之外，上缸体11的下部安装有圆柱型样品筒3和锁紧片4，圆柱型样品筒3与上缸体11的下部是螺纹连接，锁紧片4将圆柱型样品筒3与上缸体11的下部固定在一起，圆柱型样品筒3上有分布均勻的透气孔，下缸体10上部有一个进气口和一个排气口，进气口和排气口上安装有进气阀15和排气阀16，在进气口和进气阀15之间装有压力变送器5，下缸体10通过有孔的固定板27与恒温浴箱体7固定连接；位移传感器 2，压力变送器5，加热管8，循环泵19，半导体制冷片18和热电阻9通过电缆与测量控制仪 25连接。高压测试容器1的材质为不锈钢，耐压30MPa ；位移传感器2是型号为GA-2的耐高压线性差动变压器式位移传感器；压力变送器5是型号为MPM421的高压智能压力变送器； 热电阻9为PtlOO钼电阻；所述的恒温浴6所用的加热介质为水或甘油。测量控制仪25应用了单片机测量控制技术，包括有位移传感器信号数据采集电路，热电阻信号数据采集电路，压力变送器信号数据采集电路，温度控制电路，显示电路，数据通讯电路和单片机；压力变送器5，位移传感器2和热电阻9的电信号送至各自数据采集电路，在单片机的控制下，数据采集电路将压力变送器5，位移传感器2和热电阻9的电信号进行信号变换和模数转换，通过显示电路实时显示恒温浴的温度，高压测试容器1内部压力和样品的膨胀高度；其中温度控制采用PID控制技术，通过温度控制电路控制加热管8， 循环泵19，半导体制冷片18的工作，对恒温浴进行温度控制；同时所采集的温度，压力和位移数据经过数据通讯电路直接送入计算机，计算机数据通讯应用RS232串行通讯方式，测量控制仪25通过RS232通讯导线与计算机沈的RS232串行接口连接。下面叙述吸附膨胀量的测量过程首先将待测煤岩加工成圆柱型或长方体型的块状样品，并确保煤岩样品上下端面平行且光滑，将煤岩样品在温度110°C真空条件下干燥12h，准确测量煤岩样品的高度 (LO)，密封保存待用。打开测量控制仪25电源，启动计算机沈，将煤岩样品17装入样品筒3，将样品筒 3与高压测试容器1的上缸体11连接，确保煤岩样品17与位移传感器2的测杆可靠接触，调节样品筒3的高度，同时观察测量控制仪25或计算机沈屏幕上显示的位移数据，准确调节位移传感器的零点，用锁紧片4固定样品筒3。然后将上缸体11装入下缸体10，用卡套 12将上缸体11和下缸体10进行连接。设定温度为实验所需温度，启动加热控制，对恒温浴6进行加热。待恒温浴6温度到达设定温度，关闭进气阀15和排空阀22，打开放气阀16和真空阀门23，启动真空泵M 抽取高压测试容器1内部空气，使高压测试容器1内部处于真空状态，然后关闭放气阀16， 打开排空阀22，停止真空泵M，然后关闭真空阀23。打开高压气体(如CH4,N25CO2气体)钢瓶20阀门，根据需要启动高压气体增压泵 21，打开进气阀15，向高压测试容器1内部充入高压测试气体，压力变送器5用于测量高压测试容器1内部压力，当高压测试容器1内部压力到达实验压力，关闭进气阀15和钢瓶20 阀门，停止高压气体增压泵21 ；高压测试气体进入高压测试容器1内部以后，煤岩样品17 吸附高压测试气体将产生膨胀变形(AL)，使位移传感器2的测杆向上位移，位移传感器2 将位移变形转换为电信号，送至测量控制仪25，测量控制仪25对压力变送器5，位移传感器 2和热电阻9的电信号进行信号变换和模数转换，实时显示实验压力，温度和样品的膨胀变化的位移信号数据，计算机26自动接收来自测量控制仪25的实验压力，温度和位移信号数据，对接收到的数据进行自动记录和保存，并且在计算机屏幕上实时显示实验过程中的压力，温度和膨胀量数据，以及膨胀量随时间的变化规律曲线。当吸附膨胀平衡以后，再次打开进气阀15和高压气体(如CH4,N2,CO2气体)钢瓶 20阀门，启动高压气体增压泵21，向高压测试容器1内部继续充入高压测试气体，进行下一个实验压力点吸附膨胀测试。就这样，自低而高逐个压力点进行试验，直至最后一个压力点试验结束。
权利要求1.一种自动测量煤岩在高压气体中吸附膨胀量的仪器，它是由高压测试容器(1)，位移传感器O)，压力变送器(5)，恒温浴箱(7)和测量控制仪0 组成，其特征在于恒温浴箱(7)的底部装有加热管⑶和循环泵(19)，恒温浴箱(7)的内部装有热电阻(9)和高压测试容器(1)，在恒温浴箱⑵的四壁装有半导体制冷片(18)；高压测试容器⑴由下缸体 (10)，上缸体(11)和卡套(12)组成，上缸体(11)与下缸体(10)之间安装有密封垫(14)， 上缸体(11)与下缸(10)体由卡套(1 进行密封连接，在上缸体(11)顶端装有位移传感器O)，位移传感器( 和上缸体(11)之间装有密封垫08)并由固定部件(1 连接在一起，位移传感器O)的测杆通过上缸体(11)，并位于上缸体(11)底端之外，上缸体(11)的下部安装有圆柱型样品筒C3)和锁紧片G)，圆柱型样品筒C3)与上缸体(11)的下部是螺纹连接，锁紧片(4)将圆柱型样品筒(3)与上缸体(11)的下部固定在一起，圆柱型样品筒 (3)上有分布均勻的透气孔，下缸体(10)上部有一个进气口和一个排气口，进气口和排气口上安装有进气阀(1 和排气阀(16)，在进气口和进气阀(1 之间装有压力变送器(5)， 下缸体(10)通过有孔的固定板(XT)与恒温浴箱体(7)固定连接；位移传感器0)，压力变送器(5)，加热管(8)，循环泵(19)，半导体制冷片(18)和热电阻(9)通过电缆与测量控制仪(25)连接。
2.如权利要求1所述的一种自动测量煤岩在高压气体中吸附膨胀量的仪器，其特征在于所述的高压测试容器(1)的材质为不锈钢，耐压大于30Mpa。
3.如权利要求1所述的一种自动测量煤岩在高压气体中吸附膨胀量的仪器，其特征在于所述的位移传感器( 是型号为GA-2的耐高压线性差动变压器式位移传感器，耐压大于 30MPa,测量精度为0. 05%，测量范围为0_2mm，测量分辨率为0. 1 μ m。
4.如权利要求1所述的一种自动测量煤岩在高压气体中吸附膨胀量的仪器，其特征在于所述的压力变送器(5)是型号为MPM421的高压智能压力变送器，其耐压大于30MPa，测量精度为0. 1% FS，测量范围为-0. l-20Mpa。
5.如权利要求1所述的一种自动测量煤岩在高压气体中吸附膨胀量的仪器，其特征在于所述的热电阻(9)为PtlOO钼电阻。
6.如权利要求1所述的一种自动测量煤岩在高压气体中吸附膨胀量的仪器，其特征在于所述的恒温浴箱(7)所用的加热介质为水或甘油，该恒温浴的工作温度为0-80°C，控温精度为0. 1°C。
7.如权利要求1所述的一种自动测量煤岩在高压气体中吸附膨胀量的仪器，其特征在于所述的测量控制仪0 包括有位移传感器信号数据采集电路，热电阻信号数据采集电路，压力变送器信号数据采集电路，温度控制电路，显示电路，数据通讯电路和单片机；压力变送器(5)，位移传感器( 和热电阻(9)的电信号送至各自数据采集电路，在单片机的控制下，数据采集电路将压力变送器(5)，位移传感器( 和热电阻(9)的电信号进行信号变换和模数转换，通过显示电路实时显示恒温浴的温度，高压测试容器(1)内部压力和样品的膨胀高度；其中温度控制采用PID控制技术，通过温度控制电路控制加热管(8)，循环泵 (19)，半导体制冷片(18)的工作，对恒温浴进行温度控制；同时，所采集的温度，压力和位移数据经过数据通讯电路直接送入计算机，计算机数据通讯应用RS232串行通讯方式，测量控制仪0 通过RS232通讯导线与计算机06)的RS232串行接口连接。
专利摘要一种自动测量煤岩在高压气体中吸附膨胀量的仪器是由高压测试容器(1)，位移传感器(2)，压力变送器(5)，恒温浴箱(7)和测量控制仪(25)组成，本实用新型具有测量精度高，耐压高，结构简单，高压密封可靠安全，易于操作，自动测量的优点。
文档编号G01B21/32GK201945540SQ20102029510
公开日2011年8月24日 申请日期2010年8月13日 优先权日2010年8月13日
发明者刘增厚, 刘平光, 刘振宇, 李允梅, 杨建丽, 陈国青 申请人:中国科学院山西煤炭化学研究所