CN105424134A - 一种计量微量气体的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种计量微量气体的装置及方法，由气体收集单元、气体控制单元、气体计量单元组成，气体收集单元负责整个装置中气体收集和排出，气体控制单元负责进、出气相关开关以及电路的联调联控，气体计量单元负责收集到气体的体积的计量。本发明的目的是针对实验室在以往进行有机废弃物厌氧发酵试验中计量气体体积时存在的问题，提供一种结构简单、制作安装方便、成本低、计量精确高、计量过程快速简便的微量气体计量装置与计量方法，对厌氧发酵装置产生的气体进行精密计量，从而优化厌氧发酵工艺。
Description
技术领域
本发明属于有机废弃物厌氧消化技术领域，涉及一种计量微量气体的装置及方法。
背景技术
随着环境污染压力与可再生能源需求的持续增加，利用厌氧消化技术处理有机垃圾、畜禽粪便、秸秆、高浓度有机废水等生产清洁能源沼气的工艺技术，得到广泛运用。在厌氧发酵试验中，气体的产生量是评价厌氧消化工艺技术及消化装置优劣的关键参数。
目前，对实验室厌氧发酵装置产气量计量的方法主要有三种：一是湿式气体流量计，该仪器量程大，分辨率差，在计量实验室规模的微量气体时误差较大，实验精度差；二是使用排水法计量，排水法一般用发酵装置中产生气体挤压计量瓶中的水流入量筒中，来计量气体的体积，该方法装置复杂，需操者定期需向排水容器中补加水，增加了操作者劳动，同时排水过程中收集瓶中的液体的容易发生虹吸作用，且气体中的二氧化碳等组分易溶解于水中，从而造成气体体积计量误差较大，实验精度低；三是使用市场上销售的微量气体流量计直接测量，如瑞典碧普公司(BioprocessControlSwedenAB)的微量气体流量计，这种进口仪器价格昂贵，一般无法在实验室中批量使用。
根据检索，发现如下与本申请相关的专利文献，具体公开内容如下：
专利文献CN103674156A一种实验室微量气体计量装置，由气体净化单元、计量收集单元和控制单元组成，气体净化单元包括进气管、干燥柱、脱硫柱和进气电磁阀，干燥柱内填充干燥剂，脱硫柱内填充脱硫剂；计量收集单元包括U型计量管、恒温水浴槽、出气电磁阀、出气电磁阀出口管和气体收集袋，U型计量管内装有计量液体，U型计量管置于恒温水浴槽内；控制单元包括液位控制器、进气电磁阀控制开关、出气电磁阀控制开关、电子读数器和电源。
专利文献CN202837140U本实用新型涉及一种微量气体计量装置，注水管经瓶塞***反应烧瓶内，导气管一端经瓶塞***反应烧瓶内、另一端依次接通微压力传感器、吸气控制电磁阀、三通、排气控制电磁阀接入集气气囊内、三通的另一端口用另一根导气管分别与A吸排气计量泵、B吸排气计量泵的气室相通，连杆固定在锁紧装置内并两端分别与A吸排气计量泵、B吸排气计量泵的活塞杆固定在一起，同步带套装在A同步轮、锁紧装置和B同步轮上，A同步轮与B同步轮拉紧同步带后固定，步进电机与B同步轮连接在一起，微压力传感器与控制单元相连。
上述装置与本申请的技术特征差异较大，不影响本申请的新颖性和创造性。
发明内容
本发明的目的是针对目前实验室计量微量气体中存在的误差较大、装置复杂、计量精度低以及成本高等问题，采用压力转化法，提供一种结构简单、制作成本低、安装方便、易于实施、读数快速精确的实验室计量微量气体的装置。本发明既可快速、准确测定气体产生量，又可测定气体产生的速率，可完全满足实验室研究要求。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
一种计量微量气体的装置，由气体收集单元、气体控制单元、气体计量单元组成，气体收集单元负责整个装置中气体收集和排出，气体控制单元负责进、出气相关开关以及电路的联调联控，气体计量单元负责收集到气体的体积的计量，具体结构如下：
气体收集单元包括进气管、气体收集管进气管路、气体收集管排气管、气体收集管、恒温水浴夹套、水、恒温水浴夹套温度控制器，其中气体收集管进气管路与进气电磁阀出口管连接，气体收集管排气管与排气电磁阀进口管连接，气体收集管排气管路端口连接精密气体压力表，气体收集管外壁由恒温水浴夹套包裹，恒温水浴夹套地步安装温度控制器，控制恒温水浴温度；
气体控制单元包括进气电磁阀、排气电磁阀、进气电磁阀控制开关、排气电磁阀控制开关与电源控制器，其中进气电磁阀进口管与进气管串联连接，排气电磁阀出口管与出气管串联连接，进气电磁阀、出气电磁阀通过导线分别与进气电磁阀控制开关、排气电磁阀排气控制开关连接，进气电磁阀控制开关、排气电磁阀控制开关分别通过导线与电源控制器连接；
气体计量单元包括精密气体压力表、电子计数器与导线，精密气体压力表通过导气管与气体收集管上端端口连接，精密气体压力通过导线与电源控制器连接，电子计数器通过导线与电源控制器连接。
而且，所述气体收集管材质为高硼硅玻璃，内径2-5cm、壁厚6-10mm、高度10-20cm，气体收集管的进气端口、排气端口的外径均为0.3cm。
而且，所述进气管、排气管、气体收集管进气管、气体收集管排气管材质均为防腐塑料管，内径均为0.3cm。
而且，所述精密气体压力计为防腐材质。
采用的计量微量气体的装置计量气体的方法，方法的步骤如下：
⑴操作流程：
初始状体下，本发明装置中的进气电磁阀开启，排气电磁阀关闭；由实验室厌氧发酵反应器产生的气体顺次通过进气管、进气电磁阀、气体收集管进气管后进入气体收集管，此时气体收集管开始存储气体；当气体收集管上端的精密气体压力表读数达到设定值后，精密气体压力表中所携带的压力传感器开始启动，此时进气电磁阀关闭，排气电磁阀开启，气体收集管中的气体从排气电磁阀排出；带有数据采集、存储与传输功能的电子计数器开始实时记录读数；排气电磁阀开启后，气体收集管中的气体压力开始下降，经过10秒中左右的稳定时间，精密气体压力表中的气体压力稳定在“0”刻度处，此时出气电磁阀关闭，进气电磁阀开启，厌氧发酵反应器产生的气体开始通过进气管、进气电磁阀、气体收集管进气管后进入气体收集管存储，如此循环；
气体收集管置于恒温水浴夹套中的主要目的是保持气体收集管中的气体温度与厌氧反应器中的一致，防止由于环境温度变化引起的气体体积变化，使得计量的气体体积精确；
⑵气体体积计算方法：
根据气体收集管的容积与电子计数气的读数，结合恒温水浴夹套设定的温度，采用标准气体状态方程，将记录到的气体压力折算为标准状况下(0℃,1标准大气压)的气体体积。
气体体积计算公式为:
累计气体产生量计算公式：公式一
V＝(P+N×P0)×V0÷101.325×273÷(273+T)
其中：
V：表示累积产气量，单位Nml
P：表示记录的气体收集管中的气体压力，单位为kPa；
P；：表示设定的精密气体压力表压力传感器启动压力读数，单位为kPa；
V0：气体收集管的容积，单位为ml；
N：表示电子计数器的读数；
101.325：为1标准大气压的气压数，单位为kPa；
T：恒温水浴夹套温度控制器设定的温度，单位为℃；
日产气量计算公式：
Vi＝[(Pi-Pi-1)+(Ni-Ni-1)×P0)]×V0÷101.325×273÷(273+T)公式二
其中：
Vi＝第i天产生的气体体积，单位Nml/d
Pi：表示第i次记录的气体收集管中的气体压力，单位为kPa；
Pi-1：表示第i-1次记录的气体收集管中的气体压力，单位为kPa；
V0：气体收集管的有效容积，单位为ml；
P0：表示设定的精密气体压力表压力传感器启动压力读数，单位为kPa；
Ni：表示第i天的电子计数器读数；
Ni-1：表示第i-1天的电子计数器读数；
101.325：为1标准大气压的气压数，单位为kPa；
T：恒温水浴夹套温度控制器设定的温度，单位为℃。
本发明的优点和积极效果是：
本发明的目的是针对实验室在以往进行有机废弃物厌氧发酵试验中计量气体体积时存在的问题，提供一种结构简单、制作安装方便、成本低、计量精确高、计量过程快速简便的微量气体计量装置与计量方法，对厌氧发酵装置产生的气体进行精密计量，从而优化厌氧发酵工艺。
附图说明
图1为该装置结构示意图。
图中：1、进气管；2、进气电磁阀；3、气体收集管进气管；4、气体收集管；5、恒温水浴夹套；6、水；7、恒温水浴夹套温度控制器；8、精密气体压力表；9、气体收集管排气管；10、排气电磁阀；11、进气电磁阀控制开关；12、排气电子阀控制开关；13、电子计数器；14、电源控制器；15、金属导线；16、出气管
图2为实施例1产沼气曲线图。
图3为实施例2甲烷产气速率图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
实施例1：
一种计量微量气体的装置，由气体收集单元、气体控制单元、气体计量单元组成，气体收集单元负责整个装置中气体收集和排出，气体控制单元负责进、出气相关开关以及电路的联调联控，气体计量单元负责收集到气体的体积的计量，所述三个单元采用的元器件均为现有技术中的元器件，具体连接方式如下：
其中，气体收集单元包括进气管1、出气管16、气体收集管进气管路3、气体收集管排气管9、气体收集管4、恒温水浴夹套5、水6、恒温水浴夹套温度控制器7。其中气体收集管进气管路3与进气电磁阀2出口管连接，气体收集管排气管9与排气电磁阀10进口管连接，气体收集管排气管路9端口连接精密气体压力表8，气体收集管4外壁由恒温水浴夹套5包裹，中间装有水6，恒温水浴夹套温度控制器7位于恒温水浴夹套底部；
气体控制单元包括进气电磁阀2、排气电磁阀10、进气电磁阀控制开关11、排气电磁阀控制开关12与电源控制器14，其中进气电磁阀2进口管与进气管1串联连接，排气电磁阀10出口管与出气管16串联连接，进气电磁阀2、出气电磁阀10通过金属导线15分别与进气电磁阀控制开关11、排气电磁阀排气控制开关12连接，进气电磁阀控制开关11、排气电磁阀控制开关12分别通过金属导线15与电源控制器14连接；
气体计量单元包括精密气体压力表8、电子计数器13与金属导线15。其中，精密气体压力8表通过导气管与气体收集管4上端端口连接，精密气体压力通过金属导线15与电源控制器14连接，电子计数器13通过金属导线15与电源控制器14连接。
该实施例中气体收集管材质为高硼硅玻璃，内径为3cm，壁厚8mm、高度为15cm，气体收集管有效容积为105ml，气体收集管的进气端口、排气端口的内径均为0.3cm。
所述的进气管、排气管、气体收集管进气管路、气体收集管排气管均为防腐塑料管，内径为0.3cm。
所述的精密气体压力计内腔室为防腐不锈钢材质，量程为0-200kPa，最小刻度为0.1kPa。
所述的电子计数器，既可记录次数和记录时间，并且具有数据存储功能，可与电脑进行连接进行数据传输。
将该装置分别用于计量两台厌氧发酵反应器的的沼气产量。两台厌氧发酵反应器的发酵原料分别为小麦秸秆与玉米秸秆，反应器的容积均为1L，发酵温度均为37℃，实施方法如下：
(1)操作流程：气体计量开始前，先将恒温水浴夹套温度控制器的温度设定为与厌氧发酵反应器一致的37℃，使得恒温水浴夹套中的水温恒定在37℃。设定精密气体压力表的压力传感器的启动压力为20kPa。试验开始后，厌氧发酵反应器产生沼气进入进气管1，此时进气电磁阀2开启，排气电磁阀10关闭。气体依次通过进气管1、进气电磁阀2、气体收集管进气管3后进入气体收集管4，气体收集管4开始存储气体。当气体收集管4上端的精密气体压力表8的读数达到设定值20kPa后，精密气体压力表8中的压力传感器开始启动，此时进气电磁阀2关闭，排气电磁阀10开启，气体收集管4中的气体由排气电磁阀10排出，此时电子计数器13的读数增加1，气体体积增加20.73ml。排气电磁阀10开启后，气体收集管4中的气体压力开始下降，经过10秒中左右的稳定时间，精密气体压力计8中的气体压力稳定在“0”刻度处，此时排气电磁阀10开始关闭，进气电磁阀2开启，气体开始进入气体收集管4，如此循环。
(2)气体体积计算方法：
本实施案例中，根据试验要求，需记录两个反应器的累计产气量。试验中每隔1天记录电子读数器12的读数与精密气体压力表8中的气体压力(kPa)。根据公式(一)计算产气量，并以累计产气量为纵坐标，以时间为横坐标绘制累计产气曲线。
在81天实验周期内两个反应器累计产沼气量分别为1114.03ml和1435.68mL，累计产气曲线如图2所示。
实施例2：
一种微量气体计量装置，与实施例1基本相同，不同之处如下：
将该装置用于计量两个厌氧发酵反应器的的沼气产量。两个厌氧发酵反应器的容积为7L，发酵底物为脱水污泥与金针菇菌糠的混合原料，发酵温度均分别为37℃与55℃。实施方法如下：
(1)操作流程：气体计量开始前，先分别将两套恒温水浴夹套温度控制器的温度设定为与计量的厌氧发酵反应器发酵温度一致，一套为37℃，另外一套为37℃。设定精密气体压力表的压力传感器的启动压力为20kPa。试验开始后，厌氧发酵反应器产生沼气进入进气管1，此时进气电磁阀2开启，排气电磁阀10关闭。气体依次通过进气管1、进气电磁阀2、气体收集管进气管3后进入气体收集管4，气体收集管4开始存储气体。当气体收集管4上端的精密气体压力表8的读数达到设定值20kPa后，精密气体压力表8中的压力传感器开始启动，此时进气电磁阀2关闭，排气电磁阀10开启，气体收集管4中的气体由排气电磁阀10排出，此时电子计数器13的读数增加1，气体体积增加20.73ml。排气电磁阀10开启后，气体收集管4中的气体压力开始下降，经过10秒中左右的稳定时间，精密气体压力计8中的气体压力稳定在“0”刻度处，此时排气电磁阀10开始关闭，进气电磁阀2开启，气体开始进入气体收集管4，如此循环。
(2)气体体积计算方法：
本实施案例中，根据试验要求，需记录两台厌氧发酵反应器的日产气速率。试验中每隔1天记录电子读数器12的读数与精密气体压力表8中的气体压力(kPa)。根据公式(二)计算日产气量，并以日产气量为纵坐标，以时间为横坐标绘制厌氧发酵过程产气速率曲线，如图3所示。
Claims (5)
1.一种计量微量气体的装置，其特征在于：由气体收集单元、气体控制单元、气体计量单元组成，气体收集单元负责整个装置中气体收集和排出，气体控制单元负责进、出气相关开关以及电路的联调联控，气体计量单元负责收集到气体的体积的计量，具体结构如下：
气体收集单元包括进气管、气体收集管进气管路、气体收集管排气管、气体收集管、恒温水浴夹套、水、恒温水浴夹套温度控制器，其中气体收集管进气管路与进气电磁阀出口管连接，气体收集管排气管与排气电磁阀进口管连接，气体收集管排气管路端口连接精密气体压力表，气体收集管外壁由恒温水浴夹套包裹，恒温水浴夹套地步安装温度控制器，控制恒温水浴温度；
气体控制单元包括进气电磁阀、排气电磁阀、进气电磁阀控制开关、排气电磁阀控制开关与电源控制器，其中进气电磁阀进口管与进气管串联连接，排气电磁阀出口管与出气管串联连接，进气电磁阀、出气电磁阀通过导线分别与进气电磁阀控制开关、排气电磁阀排气控制开关连接，进气电磁阀控制开关、排气电磁阀控制开关分别通过导线与电源控制器连接；
气体计量单元包括精密气体压力表、电子计数器与导线，精密气体压力表通过导气管与气体收集管上端端口连接，精密气体压力通过导线与电源控制器连接，电子计数器通过导线与电源控制器连接。
2.根据权利要求1所述的计量微量气体的装置，其特征在于：所述气体收集管材质为高硼硅玻璃，内径2-5cm、壁厚6-10mm、高度10-20cm，气体收集管的进气端口、排气端口的外径均为0.3cm。
3.根据权利要求1所述的计量微量气体的装置，其特征在于：所述进气管、排气管、气体收集管进气管、气体收集管排气管材质均为防腐塑料管，内径均为0.3cm。
4.根据权利要求1所述的计量微量气体的装置，其特征在于：所述精密气体压力计为防腐材质。
5.采用权利要求1所述的计量微量气体的装置计量气体的方法，其特征在于：方法的步骤如下：
⑴操作流程：
初始状体下，本发明装置中的进气电磁阀开启，排气电磁阀关闭；由实验室厌氧发酵反应器产生的气体顺次通过进气管、进气电磁阀、气体收集管进气管后进入气体收集管，此时气体收集管开始存储气体；当气体收集管上端的精密气体压力表读数达到设定值后，精密气体压力表中所携带的压力传感器开始启动，此时进气电磁阀关闭，排气电磁阀开启，气体收集管中的气体从排气电磁阀排出；带有数据采集、存储与传输功能的电子计数器开始实时记录读数；排气电磁阀开启后，气体收集管中的气体压力开始下降，经过10秒中左右的稳定时间，精密气体压力表中的气体压力稳定在“0”刻度处，此时出气电磁阀关闭，进气电磁阀开启，厌氧发酵反应器产生的气体开始通过进气管、进气电磁阀、气体收集管进气管后进入气体收集管存储，如此循环；
气体收集管置于恒温水浴夹套中的主要目的是保持气体收集管中的气体温度与厌氧反应器中的一致，防止由于环境温度变化引起的气体体积变化，使得计量的气体体积精确；
⑵气体体积计算方法：
根据气体收集管的容积与电子计数气的读数，结合恒温水浴夹套设定的温度，采用标准气体状态方程，将记录到的气体压力折算为标准状况下(0℃,1标准大气压)的气体体积。
气体体积计算公式为:
累计气体产生量计算公式：公式一
V＝(P+N×P0)×V0÷101.325×273÷(273+T)
其中：
V：表示累积产气量，单位Nml
P：表示记录的气体收集管中的气体压力，单位为kPa；
P；：表示设定的精密气体压力表压力传感器启动压力读数，单位为kPa；
V0：气体收集管的容积，单位为ml；
N：表示电子计数器的读数；
101.325：为1标准大气压的气压数，单位为kPa；
T：恒温水浴夹套温度控制器设定的温度，单位为℃；
日产气量计算公式：
Vi＝[(Pi-Pi-1)+(Ni-Ni-1)×P0)]×V0÷101.325×273÷(273+T)公式二
其中：
Vi＝第i天产生的气体体积，单位Nml/d
Pi：表示第i次记录的气体收集管中的气体压力，单位为kPa；
Pi-1：表示第i-1次记录的气体收集管中的气体压力，单位为kPa；
V0：气体收集管的有效容积，单位为ml；
P0：表示设定的精密气体压力表压力传感器启动压力读数，单位为kPa；
Ni：表示第i天的电子计数器读数；
Ni-1：表示第i-1天的电子计数器读数；
101.325：为1标准大气压的气压数，单位为kPa；
T：恒温水浴夹套温度控制器设定的温度，单位为℃。
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