МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР Советский патент 1969 года по МПК G01N1/22 

Изобретение относится к устройствам для дистанционного газового анализа, преимущественно в буровых скважинах.

Предлагаемый масс-спектрометрический газоанализатор предназначен для поиска полезных ископаемых по газовы.м ореолам рассеяния, а также для изучения химических, биохимических и ядерных процессов в горных породах, сопровождающихся газоотделением.

Известные масс-спектрометрические газоанализаторы не позволяют непрерывно анализировать состав газов на объектах, подобным буровой скважине, в условиях жидкой среды и изменяющегося по мере передвижения прибора давления.

Особенность предлагаемого газоанализатора состоит в том, что между устройством для отбора проб и напускным баллоном масс-спектрометрического датчика установлена мембранная камера, соединенная при помощи рычагов со щтоком, который расположен в камере, сообщающейся с внещней средой. .Мембранная камера соединена с напускным баллоном и вакуумным насосом через клапаны. К выходно.му патрубку вакуумного насоса присоединен вакуумированный баллон.

Па чертеже изображен общнй вид массспектрометрического газоанализатора.

К цилиндрическому стальному корпусу / посредством головки 2 подсоединен трехжильный кабель 3. Посредством накпдной гайки -/ к корпусу прикреплен разборный корпус золотникового устройства, состоящий из нижней части 5, средней 6 с камерой 7 и верхней части 8 с камерой 9 и отверстием 10; через все

три части разборного корпуса проходит стержень 11 со- СКВОЗНЫМ отверстием 12 и кольцевыми проточками 13 и 14, к которому прикреплен сильфон 15. Стерл ень снабжен втулкой 16 из мягкого железа. Он удерживается пружпной 17 в верхнем положении и приводится в движение соленоидом 18, расположенным в камере 7. В этой же камере находится поглотитель влаги 19. Пилсняя часть разборного корпуса имеет отверстие с кольцевыми проточками 20 и 21, соединенными отверстиями 22. К разборному корпусу прикреплена панель 23 с отверстиями 24 и 25 в днище. В отверстии 24 установлен предохранительный клапан 26. К отверстию 24 подведена трубка 27. Па панели 23 с помощью уголков закреилены двигатель 28, форвакуумный насос 29, баллон 30, внутри которого расположен масс-спектрометрический датчик парциальных давлений 31, и геттерно-ионный наТрубка 27 заканчивается КоТапанной системой, один из клапанов которой 33 перекрывает вход в интегрирующий баллон 34, а другой 35 - вход в форвакууммый насос 29. Клапаны имеют электромагнитный привод 36.

Интегрирующий баллон 34 имеет выход к диафрагме 57 с молекулярным натекателем.

К патрубку 38 в верхней части масс-спсктрометрического датчика 31 прикреплен гсттерно-ионный насос 32 с нагревательной обмоткой 39, имеющий клапан 40 с приводом 41, проходящим через ynj;oTHen ie 42 в баллоне 30. Баллон имеет патрубок 43.

Масс-спектрометрическрй датчик 31 с измерительным коллектором 44 посредством разьема 45 нодсоединяют к электронной схеме измерительного блока 46, смонтированной на щасси 47. Мембранная камера 48 присоединена к системе клапанов 33 и 35. В отверстии 25 находится щток 49, удерживаемый пружиной 50. К штоку 49 щарнирно прикреплена система рычагов 51.

Газоанализатор работает следующим образом.

Перед спуском в скважину к патрубку 43 подсоединяют форвакуумный насос, откачивающий баллон 30 до форвакуума. При этом привод 41 открывает клапан 40 геттерно-ионного насоса 32, к нагревательной обмотке 39 подводится напряжение, и происходит десорбция геттера насоса.

Далее прибор опускают в скважину на кабеле 3. При движении прибора вдоль оси clBOла сквал ины устройство отбора проб отбирает пробы бурового раствора с часготой 0,5 в результате возвратно-поступательного движения стержня // золотника. Привод осуществляется подачей напряжепия на обмотку соленоида /5. Для уменьщения силы, необходимой для передвижения стержня //, в нем сделано сквозное отверстие 12, а внизу прикреплен сильфон 15, заполненный маслом. Маслом заполнена также камера 9. Таким образом, давление бурового раствора передается в камеру 9, чем обеспечивается одинаковое давление на оба конца стержня 11.

Когда стержень находится в нижнем положении, буровой раствор заполняет кольцевую проточку 13. При движении стерл ня вверх порция бурового раствора переносится в кольцевую проточку 20, где происходит вакуумная дегазация пробы, и газ попадает через отверстие 22 в проточку 21. При движении стержня вниз кольцевая проточка 14 совмещается с кольцевой проточкой 21, а проточка 13 заполняется новой порцией бурового раствора. При движении стержня вверх проточка 14 переносит порцию газа в камеру 7, где влага поглощается поглотителем 19, а газ сквозь отверстие 10 через предохранительный клапан 26, отверстие 24 и трубку 27 поступает к клапанам 33 и 35. При этом оба клапана закрыты, и газ поступает в мембранную камеру 48. В этом случае камера 48 выполняет роль редуктора давления; ее объем относится к объему кольцевой проточки 14 не менее чем .

Помимо высоких давлений в условиях буровой среды, возрастающих по мере погружения нрнбора в скважину нри одних и тех же объемах проб, отбираемых кольцевой проточкой 14, на результаты газового анализа влияют разные концентрации анализируемого газа. Поэтому возиикает иеобходимость в приведении1проб к единым условиям замера.

Камера 48 совмещает функцию редуктора давления с функцией ко.мпенсатора давлений. С этой целью она выполнена в виде сильфона, изменяющего свой объем пропорционально изменению давления внещней среды, так что давление газа в напускной системе массспектрометрического датчика парциальных давлений зависит только от концентрации газа.

Давление масла в камере 9, равное давленню во внешней среде, воздействует на щток 49, удержнваемый пружиной 50, и приводит его в движение при изменении давления внешней среды. Перемещение штока 49, передаваемое рычагами 51 сильфонной камере 48, изменяет ее объем.

Рост давления во внещней среде приводит

к увеличению объема камеры 48, умень пение - иаоборот. Таким образом давление в

системе напуска приводится к стандартным

условия.м.

Так как аиализ газов по стволу скважины происходит непрерывно, а отбор .проб циклически, на входе масс-спектрометрического датчика должно быть интегрирующее устройство.

Роль интегрирующего устройства выполняет баллон 34, соответствующий обычному напускному баллопу масс-спектрометра, но в отличие от последнего интегрирующий баллон 34 в сочетании с камерой 48, объемы которых выполнены в отнощении не более чем 1 : 100, позволяет при непрерывном напуске газа з

масс-спектрометрический датчик 31 изменять его состав в соответствии с составом очередной поступающей пробы. Это осуществляется следующим образом.

Открывается клапан 33, и состав газа в интегрирующем баллоне становится таким же, как в камере 48. После этого клапан 55,закрывается, открывается клапан 35, и камера 48 откачивается форвакуумным насосом 29. В это время газ из интегрирующего баллона 34

через молекулярный натекатель в диафрагме 57 поступает в ионизационную камеру массспектрометрического датчика 31, где анализируется известным путем. После откачки камеры 48 кланам 55 заКрьшается, и в -камеру 48

поступает новая проба. После приведения ее в этой камере к стандартным условиям вновь открывается клапан 55, и состав газа в интегрирующем баллоне изменяется в соответствип с изменившейся концентрацией новой пробы новой пробе осталась прежней). Таким образом, интегрирующий баллон 34, поскольку его объем в 100 раз меньше объема камеры 48, выполняет функцию устройства, следящего за составом газа в данной камере. Работа клапанов 33, 35 и соленоидного привода 18 синхронизирована. Ионный ток измерительного коллектора 44 масс-спектрометрического датчика 31, соответ- 10 ствующий парциальному давлению газа в интегрирующем баллоне 34, пройдя усилитель измерительного блока 46, по кабелю 5 попадает на поверхность, где регистрируется записывающим устройством. С помощью геттерно- 15 ионного насоса 32 s камере масс-спектрометрического датчика парциальных давлений 31 поддерживается давление порядка 10 - 105 мм рт. ст. Так как при непрерывном определении состава газа необходимо откачивать газ из камеры 48, а в условиях скважины нет возможности отводить его во внешнюю среду, к выхлопному патрубку форвакуумного насоса 29 25 присоединен баллон 30, выполняющий функцию аккумулятора отработанных газов. 5 20 Предмет изобретения 1.Масс-спектрометрический газоанализатор, содержащий масс-спектрометрический датчик с напускным баллоном, насосы для обеспечения вакуумных условий, электронные блоки измерения и управления и устройство для отбора проб, например золотникового типа, отличающийся тем, что, с целью обеспечения ыепрерывного определения состава газов в условиях меняющегося внещнего давления, между устройством для отбора проб и напускным баллоном масс-спектрометрического датчика установлена мембранная камера, соединенная при ломощи рычагов со щтоком, pacпoлoлveнным в камере, сообщающейся с внешней средой. 2.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что мембранная камера соединена с напускным баллоном .и вакуумным насосом через клапаны. 3.Устройство по п. I, отличающееся тем, что, с целью исключения необходимости выбрасывать продукты анализа в среду с высоким давлением, к выходноА1у патрубку вакуумного насоса Присоединен вакуумировапный баллон.