CN105806739A - 一种可用于原位检测海底热液流体中氢气含量的传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可用于原位检测海底热液流体中氢气含量的氢气传感器，该氢气传感器由氢气半透膜、透气垫片、气体压力传感器、压力测试与数据采集记录仪等构成。其中，由透气垫片支撑的氢气半透膜将外部待检测的热液流体与内部气路分隔开，当氢气在膜两侧达到渗透平衡时，内部气路中氢气的分压与流体中氢气的含量有关，因此通过测量气路的压力来获取流体中氢气的含量。气路的压力由气体压力传感器观测，并由压力测试与数据采集记录仪记录。该氢气传感器通过氢气的半透膜将热液流体中氢气含量的检测转化为对气路气体压力的观测，它不仅可用于海底原位检测高温高压热液流体中氢气的含量，也可用于其它常温常压至高温高压流体中氢气含量的原位检测。
Description
技术领域
本发明属于海底热液流体原位检测技术领域，具体涉及一种可用于原位检测海底热液流体中氢气含量的传感器。
背景技术
在海底存在热液活动。海底热液活动的大致过程是冷的海水下渗，海水在地下被围岩加热，同时与围岩进行物质交换，演化后的海水（此时称为热液流体）再以集中流或弥散流的形式返回海底表面[1]。氢气的含量是热液流体的重要参数，它反映了热液系统水岩反应体系的氧化还原状态[2]。因此海底热液流体中氢气的含量也成为许多相关研究关注的内容。
热液流体中氢气含量的检测方法主要有两种。一是利用保气的流体取样器采集样品，在船上现场测量流体中氢气的含量。该方法是目前常用的方法，其缺点是依赖调查和取样设备，很难获得高分辨率的时间序列数据。二是利用传感器在原位进行检测。该方法观测效率较高，且可用于开展长期连续观测。
目前，可用于海底热液流体中氢气含量原位检测的传感器为电化学氢气传感器。例如，Ding和Seyfried[2]利用Pt电极与YSZ-pH电极制成氢气传感器，该传感器电极之间的电势差随所观测的热液流体中氢气逸度的变化而变化，并且符合能斯特响应规律，而氢气逸度与氢气含量之间通过亨利常数和活度系数联系在一起，因此，可通过测量电极之间的电势差来得到热液流体中氢气的含量。利用Au电极与YSZ-pH电极制成的氢气传感器具有同样的效果[3]。由于YSZ-pH电极低温条件下响应较差，因此该氢气传感器用于150℃以上的热液条件下的观测。叶瑛等[4]提出一种由金属氢电极和金属/金属氧化物参比电极组成的电化学氢气传感器，它可用于常温常压至高温高压条件下水溶液中氢气含量的观测。由于电化学氢气传感器在测量时，其电极材料直接与热液流体相接触，因此其电极材料以及传感器响应在长期工作时的稳定性还存在问题[5]。
本发明在于采用另一种原理制备氢气传感器，用于原位检测海底热液流体中氢气的含量。该氢气传感器的测量部件通过膜与流体隔开，因而具有较好的长期稳定性。
参考资料：
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发明内容
本发明的目的在于提供一种可用于原位检测海底热液流体中氢气含量的传感器。本发明具体包括由氢气半透膜、透气垫片、气体压力传感器、压力测试与数据采集记录仪等构成的一种氢气传感器。
本发明的氢气传感器与电化学氢气传感器不同，它采用氢气半透膜将热液流体与气路分隔开，当氢气在膜两侧达到渗透平衡时，气路中氢气的分压与流体中氢气的含量有关，因此通过测量气路中氢气的分压可得到流体中氢气的含量。当气路中其它气体的含量可以忽略时，氢气的分压近似与气体的总压力相等，可用气体压力传感器观测。
本发明提出的可用于原位检测海底热液流体中氢气含量的传感器，由端盖1、电池3、电源线4、压力测试与数据采集记录仪5、电气腔筒体6、信号传输线7、气体腔端盖8、气体腔筒体10、气体压力传感器11、气体传输管12、安装底座13、透气垫片14和氢气半透膜15组成，其中：压力测试与数据采集记录仪5和电池3安装于电气腔筒体6的空腔中，压力测试与数据采集记录仪5通过电源线4与电池3连接；电气腔筒体6一端与端盖1连接，另一端与气体腔筒体10连接，电气腔筒体6与气体腔筒体10连接的一端设置气体腔端盖8，用于密封电气腔筒体6；气体压力传感器11安装于气体腔筒体10的空腔中，用于观测气体腔筒体10的空腔内气体的压力；所述信号传输线7穿过气体腔端盖8将气体压力传感器11与压力测试与数据采集记录仪5连接；透气垫片14安装于安装底座13中，氢气半透膜15安装于透气垫片14外侧，氢气半透膜15外边缘与安装底座13连接处采用密封连接，安装底座13通过气体传输管12与气体腔筒体10相连；当安装底座13置于热液流体中时，只有氢气通过氢气半透膜15扩散进入透气垫片14的空隙中，进一步通过气体传输管12扩散至气体腔筒体10的空腔内。
本发明中，所述电气腔筒体6与端盖连接处设置第一O型圈2，起到密封作用。
本发明中，所述电气腔筒体6与气体腔筒体10连接处设置第二O型圈9，起到密封作用。
本发明中，所述端盖1、电气腔筒体6、气体腔端盖8、气体腔筒体10、气体传输管12和安装底座13均由钛合金材料加工而成；透气垫片14由钛金属粉末烧结制成。
本发明中，所述氢气半透膜15由Pt或Ag-Pd合金制成。
本发明的氢气传感器工作过程如下：
（1）将该传感器准备就绪，开启压力测试与数据采集记录仪5；由作业潜水器将该传感器带入海底并将其安装底座13（固定有透气垫片14和氢气半透膜15）置入热液喷口中并保持一段时间，待热液喷口流体中的氢气透过氢气半透膜15扩散并达到平衡，同时通过其它手段观测热液喷口流体的温度和压强；氢气扩散导致气体腔筒体10腔内气体压力变化，并为压力测试与数据采集记录仪5所观测和记录；
（2）作业潜水器将该传感器回收至考察船上，打开端盖1，停止压力测试与数据采集记录仪5，并将压力测试与数据采集记录仪5记录的数据导出；将端盖1与电气腔筒体6密封安装，传感器待下一次使用；
（3）根据记录的扩散平衡时的压力数据、热液喷口温度和压强数据，依据传感器观测压力与流体氢气含量的换算关系，换算得到所观测的热液流体中氢气的含量。
本发明的有益效果在于：将热液流体中氢气的含量转化为气体压力的观测，观测压力的传感器置于腔体内不与流体接触，因而具有较好的长期稳定性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；端盖1和电气腔筒体6之间、气体腔端盖8和气体腔筒体10之间以及气体腔筒体10与电气腔筒体6之间通过螺栓固定，图中未示出。
图中标号：1-端盖；2-第一O型圈；3-电池；4-电源线；5-压力测试与数据采集记录仪；6-电气腔筒体；7-信号传输线；8-气体腔端盖；9-第二O型圈；10-气体腔筒体；11-气体压力传感器；12-气体传输管；13-安装底座；14-透气垫片；15-氢气半透膜。
具体实施方式
下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。
实施例1：如图1所示，所述氢气传感器由端盖1、第一O型圈2、电池3、电源线4、压力测试与数据采集记录仪5、电气腔筒体6、信号传输线7、气体腔端盖8、第二O型圈9、气体腔筒体10、气体压力传感器11、气体传输管12、安装底座13、透气垫片14和氢气半透膜15组成。其中，透气垫片14安装于安装底座13中，氢气半透膜15安装于透气垫片14外侧；安装底座13通过气体传输管12与气体腔筒体10相连；气体压力传感器11安装于气体腔筒体10的腔中，气体腔端盖8与气体腔筒体10连接；信号传输线7穿过气体腔端盖8将气体压力传感器11与压力测试与数据采集记录仪5连接；压力测试与数据采集记录仪5与电池3通过电源线4连接，它们均安装于电气腔筒体6的腔中；气腔筒体6一端与气体腔筒体10连接，另一端与端盖1连接。
所述透气垫片14安装于安装底座13中，二者外侧处于同一平面上；氢气半透膜15安装于透气垫片14外侧后，氢气半透膜15外边缘与安装底座13接触，并通过焊接密封。此时将安装底座13置于热液流体中时，只有氢气可通过氢气半透膜15扩散进入透气垫片14的空隙中，并进一步通过气体传输管12扩散至气体腔筒体10的腔内。
所述气体腔端盖8与气体腔筒体10连接并组成密封的耐高压腔体，气体压力传感器11安装于气体腔筒体10的腔中，用于观测气体腔筒体10腔内气体的压力。
所述气腔筒体6一端通过气体腔筒体10和第二O型圈9密封，另一端通过端盖1和第一O型圈2密封，组成耐高压的密封腔体；压力测试与数据采集记录仪5与电池3安装于电气腔筒体6的腔中；气体压力传感器11与压力测试与数据采集记录仪5通过穿过气体腔端盖8的信号传输线7连接。此时，气体压力传感器11观测的气体腔筒体10腔内的压力数据将被压力测试与数据采集记录仪5所观测和记录。
所述端盖1、电气腔筒体6、气体腔端盖8、气体腔筒体10、气体传输管12和安装底座13均由钛合金材料加工而成；透气垫片14由钛金属粉末烧结制成。
所述氢气半透膜15由Pt或Ag-Pd合金制成。
将气体的压力由安装于气体腔筒体10中的气体压力传感器11观测，观测数据由安装在电气腔筒体6中的压力测试与数据采集记录仪5记录。在岸上实验室将该传感器准备就绪，并建立观测压力与热液流体含量之间的换算关系。
当在航次考察中使用该氢气传感器原位观测热液流体中氢气的含量时，第一步，打开端盖1，开启压力测试与数据采集记录仪5后将端盖1再安装上，准备下水。第二步，由作业潜水器将该传感器携带至海底热液区，选定需要观测的热液喷口，先观测热液喷口处的压强以及喷口流体的温度，再由潜水器操作将该传感器安装底座13（固定有透气垫片14和氢气半透膜15）置入热液喷口，此时，热液流体中的氢气将通过氢气半透膜15向气体腔筒体10中扩散，氢气扩散导致气体腔筒体10中的压力变化，该压力通过气体压力传感器11观测，并为压力测试与数据采集记录仪5所记录；等待一段时间后，氢气的扩散达到平衡，作业潜水器回收氢气传感器并将其带回考察船上。第三步，将氢气传感器用淡水冲洗后带回实验室，擦干外表面，打开端盖1，停止压力测试与数据采集记录仪5，将压力测试与数据采集记录仪5记录的数据导出；将端盖1与电气腔筒体6密封安装，传感器待下一次使用。最后，对数据进行处理，根据记录的扩散平衡时的压力数据、热液喷口温度和压强数据，依据传感器观测压力与流体氢气含量的换算关系，换算得到所观测的热液流体中氢气的含量。
Claims (5)
1.一种可用于原位检测海底热液流体中氢气含量的传感器，由端盖(1)、电池(3)、电源线(4)、压力测试与数据采集记录仪(5)、电气腔筒体(6)、信号传输线(7)、气体腔端盖(8)、气体腔筒体(10)、气体压力传感器(11)、气体传输管(12)、安装底座(13)、透气垫片(14)和氢气半透膜(15)组成，其特征在于：压力测试与数据采集记录仪(5)和电池(3)安装于电气腔筒体(6)的空腔中，压力测试与数据采集记录仪(5)通过电源线(4)与电池(3)连接；电气腔筒体(6)一端与端盖(1)连接，另一端与气体腔筒体(10)连接，电气腔筒体(6)与气体腔筒体(10)连接的一端设置气体腔端盖(8)，用于密封电气腔筒体(6)；气体压力传感器(11)安装于气体腔筒体(10)的空腔中，用于观测气体腔筒体(10)的空腔内气体的压力；所述信号传输线(7)穿过气体腔端盖(8)将气体压力传感器(11)与压力测试与数据采集记录仪(5)连接；透气垫片(14)安装于安装底座(13)中，氢气半透膜(15)安装于透气垫片(14)外侧，氢气半透膜(15)外边缘与安装底座(13)连接处采用密封连接，安装底座(13)通过气体传输管(12)与气体腔筒体(10)相连；当安装底座(13)置于热液流体中时，只有氢气通过氢气半透膜(15)扩散进入透气垫片(14)的空隙中，进一步通过气体传输管(12)扩散至气体腔筒体(10)的空腔内。
2.根据权利要求１所述的可用于原位检测海底热液流体中氢气含量的传感器，其特征在于所述电气腔筒体(6)与端盖(1)连接处设置第一O型圈(2)，起到密封作用。
3.根据权利要求１所述的可用于原位检测海底热液流体中氢气含量的传感器，其特征在于所述电气腔筒体(6)与气体腔筒体(10)连接处设置第二O型圈(9)，起到密封作用。
4.根据权利要求１所述的可用于原位检测海底热液流体中氢气含量的传感器，其特征在于所述端盖(1)、电气腔筒体(6)、气体腔端盖(8)、气体腔筒体(10)、气体传输管(12)和安装底座(13)均由钛合金材料加工而成；透气垫片(14)由钛金属粉末烧结制成。
5.根据权利要求１所述的可用于原位检测海底热液流体中氢气含量的传感器，其特征在于所述氢气半透膜(15)由Pt或Ag-Pd合金制成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20181026 Termination date: 20210322 |