專利名稱：用于從液體提取氣體的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于從液體提取溶解的氣體的設(shè)備和方法，更加具體地，本發(fā)明涉及 一種用于提取溶解在電絕緣油中的氣體的設(shè)備。
背景技術(shù)：
電力工業(yè)很多年來(lái)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，油和其他絕緣材料在油絕緣電氣設(shè)備內(nèi)的熱解能 夠?qū)е露喾N“故障氣體”的產(chǎn)生。在例如充油變壓器(油枕和氣墊這兩種類型)、帶負(fù)載抽 頭變換開(kāi)關(guān)、變壓器繞組、套管等裝備中發(fā)生這些現(xiàn)象。故障氣體的存在可能是裝備狀態(tài)的 一種量度。因此，在電氣設(shè)備中存在具體故障氣體的檢測(cè)和那些氣體的定量能夠是預(yù)防性 維護(hù)程序的一個(gè)重要部分。故障氣體在帶有油枕的油墊變壓器和其他實(shí)用產(chǎn)品中的存在已經(jīng)良好地記載了 與變壓器的性能和操作安全性有關(guān)的示意。存在相當(dāng)多的、將氣體的存在與特定的、得以識(shí) 別的變壓器狀態(tài)和故障相關(guān)聯(lián)的可用知識(shí)。因此，作為增強(qiáng)性能并且同時(shí)減輕裝備上的磨 損和撕裂并且由此減小維護(hù)成本和停機(jī)時(shí)間的手段，監(jiān)視電氣裝備中的電介質(zhì)流體的狀態(tài) 是有益的。因此，與特定故障氣體在變壓器油中的存在與否有關(guān)的信息能夠在變壓器的操 作中使得效率大大地增加。例如，已知在變壓器油中存在特定故障氣體能夠示意變壓器故障，例如電弧放電、 局部或者電暈放電。這些狀態(tài)能夠引起礦物變壓器油分解，從而除了一些更高分子量的氣 體(例如乙烯和乙炔)之外，還產(chǎn)生較大數(shù)量的低分子量碳?xì)浠衔?，例如甲烷。這種化合 物是高度揮發(fā)性的，并且在一些情形中它們可以在較高壓力下在變壓器中積聚。這是引起 災(zāi)難的原因。如果未被檢測(cè)到或者未被糾正，則裝備故障能夠?qū)е略黾拥牧踊剩⑶疑踔?導(dǎo)致變壓器的災(zāi)變性爆炸。對(duì)于電力工業(yè)而言，不僅在停機(jī)時(shí)間和更換裝備的成本方面， 而且還在與喪失的電力傳輸相關(guān)聯(lián)的成本方面，變壓器故障是相對(duì)昂貴的事件。在另一方 面，通過(guò)密切地監(jiān)視在變壓器油中的溶解的氣體，用于給定變壓器的最有效率的操作條件 能夠得到主動(dòng)地監(jiān)視，并且變壓器負(fù)載可以在它的最佳峰值下或者在靠近它的最佳峰值下 運(yùn)行。而且，當(dāng)檢測(cè)到危險(xiǎn)的操作狀態(tài)時(shí)，能夠離線地取下變壓器，以進(jìn)行維護(hù)。不管已知的、對(duì)于用于監(jiān)視油中的氣體的可靠裝備的需要，由于各種原因，設(shè)計(jì)滿 足現(xiàn)場(chǎng)條件的嚴(yán)格性的裝備也已經(jīng)是引起問(wèn)題的。即，在本技術(shù)領(lǐng)域中已知多種方案。例 如，用于對(duì)變壓器油進(jìn)行除氣的機(jī)械/真空和隔膜式提取方法和設(shè)備是眾所周知的，如由 美國(guó)專利號(hào)5，659，126示例地那樣。該專利公開(kāi)了一種在電氣變壓器中對(duì)頂部空間氣體采 樣、根據(jù)依賴于溫度和壓力的氣相配分函數(shù)分析這種氣體并且基于所得到的分析預(yù)測(cè)特定 變壓器的故障的方法。在美國(guó)專利號(hào)4，112，737中公開(kāi)了一種用于從變壓器油提取氣體的、依賴于隔膜 管的氣體提取設(shè)備的示例。該專利描繪了在變壓器殼體中被直接地插入變壓器油中的多個(gè) 中空隔膜纖維。用于隔膜的材料是油不能滲透的，但是在油中溶解的氣體可通過(guò)隔膜滲透 到纖維的中空內(nèi)部中。便攜式分析器械例如氣相色譜儀暫時(shí)地連接到探頭，從而測(cè)試樣本被從提取探頭清掃到分析器械中，以進(jìn)行分析。雖然這些器械已經(jīng)提供了益處，但是對(duì)于研發(fā)用于變壓器油中的故障氣體的提 取、監(jiān)視和分析的可靠的設(shè)備而言，仍然存在多個(gè)實(shí)際問(wèn)題。這些問(wèn)題中的很多問(wèn)題涉及設(shè) 計(jì)可靠的流體傳送系統(tǒng)，該系統(tǒng)是足夠冗余的，用以提供相對(duì)不需維護(hù)的單元。因?yàn)樽儔浩?經(jīng)常位于極其惡劣的環(huán)境條件中，所以流體傳送問(wèn)題被放大?？紤]到可靠地分析氣體所需 要的儀器是復(fù)雜的分析儀器，這種情況是特別存在的。描述這些工程挑戰(zhàn)的困難的兩項(xiàng)專 利是由本發(fā)明的受讓人所擁有的美國(guó)專利No. 6，391，096和6，365，105，并且這兩個(gè)專利通 過(guò)引用在這里并入本文。這兩項(xiàng)專利不僅示意所需流體傳送系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且還示意已 經(jīng)被證明為非?？煽康姆桨?。在分析過(guò)程中的最關(guān)鍵點(diǎn)之一是提取設(shè)備，在這里氣體實(shí)際上與電絕緣油分離。 雖然存在用于完成這個(gè)任務(wù)的幾種已知的設(shè)備，但是經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)表明，提取器是能夠發(fā)生故 障的一個(gè)點(diǎn)。換句話說(shuō)，提取裝置迄今已經(jīng)比所期的更加脆弱并且不能充分地經(jīng)受在現(xiàn)場(chǎng) 應(yīng)用中常規(guī)性地遭遇的極端條件。結(jié)果，添加了另外的支持裝備或者操作約束，以補(bǔ)償性能 缺點(diǎn)并且保護(hù)提取技術(shù)，這顯著地增加了成本。盡管關(guān)于提取裝置的技術(shù)方案存在進(jìn)步，特 別地在美國(guó)專利No. 6，391，096和6，365，105中描述的那些，但是對(duì)于提取器存在需要，該 提取器不被監(jiān)視地在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間中在所有條件下都是可靠的并且準(zhǔn)確地工作。

發(fā)明內(nèi)容
在氣體提取設(shè)備的第一優(yōu)選的和示意的實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，該氣體提 取設(shè)備提供了溶解氣體的可靠和準(zhǔn)確的提取并且提供了油和已提取氣體這兩者的流體緊 密的處理。該設(shè)備利用了包括被保持在殼體中的成對(duì)氟硅氧烷隔膜圓盤的提取模塊。對(duì)于 目標(biāo)氣體而言，該隔膜是能夠滲透的，但是對(duì)于絕緣油而言是不能滲透的。該殼體限定了隔 離開(kāi)的油和氣體流動(dòng)路徑。該提取模塊連接到用于所提取氣體的定性和定量分析的分析儀 器例如氣相色譜儀。在可替代實(shí)施例中，可以利用多對(duì)隔膜圓盤或者單一隔膜圓盤構(gòu)成提取模塊。


當(dāng)與以下附圖相結(jié)合時(shí)通過(guò)參考本發(fā)明的以下詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明將得到更好的理 解并且其多個(gè)目的和優(yōu)點(diǎn)將是明顯的。圖1是示出結(jié)合根據(jù)本發(fā)明的氣體提取設(shè)備的系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖。圖2是示出帶有由氣體提取設(shè)備所使用的重要的其他部件的根據(jù)本發(fā)明的氣體 提取設(shè)備的簡(jiǎn)化框圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明的氣體提取設(shè)備的優(yōu)選實(shí)施例的透視圖。圖4是圖3所示氣體提取設(shè)備的分解透視圖。圖5A是具有在氣體提取設(shè)備中所使用類型的隔膜分離圓盤的平面視圖。圖5B是圖5A所示的隔膜分離圓盤的透視圖。圖6是沿著圖5A的線6-6截取的隔膜分離圓盤的截面視圖。圖7是通過(guò)氣體提取設(shè)備的用于第一相和第二相的流動(dòng)路徑的概略視圖。
具體實(shí)施例方式首先將大體上描述使用本發(fā)明的氣體提取設(shè)備的基本環(huán)境和由它使用的重要構(gòu) 件，以提供背景說(shuō)明，然后特定部件的更加詳細(xì)的說(shuō)明將隨后給出。參考圖1，可以看到本發(fā) 明的氣體提取器和分析器1包含在殼體2中，殼體2位于正被監(jiān)視的充油或者油墊電氣裝 置3的外部。電氣裝置3通常是油枕或者氣墊式變壓器、帶負(fù)載抽頭變換開(kāi)關(guān)等。樣本流 體供應(yīng)線路4連接到電氣裝置3并且向在殼體2中包含的構(gòu)件輸送樣本流體。樣本流體返 回線路5，同樣從分析器1向電氣裝置返回樣本流體。提取器/分析器1已設(shè)計(jì)成能夠長(zhǎng)時(shí) 期地操作而不用維護(hù)。大體上隨著樣本流體在殼體2內(nèi)的流動(dòng)，流體被傳送到提取器組件10中。樣本包 含流體(即油)，以在下面詳細(xì)描述的方式流動(dòng)通過(guò)提取器組件或者模塊10，在此處溶解在 油中的氣體被提取到第二流體相中，用以進(jìn)一步處理。已經(jīng)從其中提取了氣體的油通過(guò)流 體返回線路5而返回電氣裝置3。從油提取的氣體可以被分析，以確定油中的氣體的性質(zhì)， 或者可以使用提取設(shè)備來(lái)從油去除污染物并且由此將油凈化。樣本線路4優(yōu)選在具有高油流的點(diǎn)處被附接到電氣裝置3，以確保流體的代表性 樣本總是被提供給提取器組件10。除了被以充分距離從流體供應(yīng)線路分離開(kāi)以便不會(huì)交換 基本相同的流體之外，流體返回線路5到電氣裝置3的連接位置并不是關(guān)鍵性的。具體地， 流體樣本線路能夠附接到例如變壓器上的注油閥、油散熱器上的排泄閥或者油旁通環(huán)路。 流體返回線路在另一方面可以附接到底部排泄閥以將油返回變壓器，或者附接到其他適當(dāng) 的位置。通常，無(wú)需在變壓器中開(kāi)出特殊端口，因?yàn)橛凸?yīng)線路和返回線路可以在現(xiàn)有位置 中形成端口。如在以下描述那樣，本發(fā)明依賴于以下原理跨過(guò)隔膜的擴(kuò)散，以從第一流體相提 取氣體，與氣體具有較低濃度的第二流體相相比，溶解的氣體在第一流體相中具有較高濃 度。通常，第一流體相是變壓器絕緣油，并且第二流體相是系統(tǒng)的分析構(gòu)件內(nèi)包含的氣體體 積。從通過(guò)提取器組件10流動(dòng)的樣本流體提取的樣本氣體通過(guò)管線12而被傳送到分 析儀器14，分析儀器14是構(gòu)造用于運(yùn)行輸送到此的氣體樣本的自動(dòng)定性和定量分析的儀 器。分析儀器14可以是幾種實(shí)驗(yàn)室氣體檢測(cè)儀器之一，并且優(yōu)選地是被設(shè)計(jì)用于在遠(yuǎn)程位 置中安裝并且通過(guò)編程計(jì)算機(jī)的控制而被自動(dòng)化的氣相色譜儀。分析儀器14因此有時(shí)稱 作氣相色譜儀14。來(lái)自分析儀器14的樣本氣體可以經(jīng)由管線13而返回提取器組件10。參考圖2，分析儀器14構(gòu)造為與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)沈和外部或者遠(yuǎn)程通信裝備32 —起 工作，從而分析結(jié)果可以被以遠(yuǎn)程方式獲取。應(yīng)該指出，如在這里在優(yōu)選實(shí)施例的說(shuō)明中所 使用地，單詞“流體”指的是通過(guò)儀器流動(dòng)的氣體。然而，本發(fā)明可以由使用液體的設(shè)備使 用，并且因此單詞“流體”涉及可能在分析儀器中使用并且由其分析的任何流體。如在圖2中所示意地，氣相色譜儀14以流體方式連接到校準(zhǔn)氣體(流體)源16、 提取器模塊10，提取器模塊10是用于測(cè)試的樣本18源(即，從將被分析的電氣裝置3中的 油提取的氣體的樣本)，和通常以高壓惰性氣體(例如氦氣)形式供應(yīng)的載體流體20。這 些流體源中的每個(gè)(在此情形中該流體是氣態(tài)的)連接到總的利用數(shù)字22引用的分配歧 管組件。在源流體16、18和20之間的流體連接是利用適當(dāng)?shù)牧黧w線路24(它是從校準(zhǔn)流 體16到分配歧管組件22的連接)、25 (從用于測(cè)試的樣本18到分配歧管組件22的連接)和27 (從載體流體20到分配歧管組件的連接)實(shí)現(xiàn)的。這些流體線路優(yōu)選是不銹鋼管線。 流體線路M、25和27利用適當(dāng)?shù)拟g態(tài)裝配件例如密封的壓縮套圈型裝配件等來(lái)進(jìn)行裝配。 在流體線路24、25和27和其他構(gòu)件例如分配歧管22的構(gòu)件之間的所有的連接都是帶有適 當(dāng)?shù)膲|圈和0形環(huán)等的流體緊密的連接。分配歧管組件22并不形成本發(fā)明的一個(gè)部分并且未在這里詳細(xì)描述。然而，在如 上所指出地在此通過(guò)引用而并入的美國(guó)專利No. 6，391，096中詳細(xì)描述了適用于由本發(fā)明 使用的歧管組件。本發(fā)明的幾個(gè)構(gòu)件，包括主動(dòng)流體處理和控制構(gòu)件處于計(jì)算機(jī)沈的主動(dòng) 控制下。計(jì)算機(jī)26通過(guò)數(shù)據(jù)線路觀連接到與分配歧管組件22相關(guān)聯(lián)的構(gòu)件并且向其發(fā)送 命令信號(hào)和從其接收數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)26還通過(guò)數(shù)據(jù)線路30控制分析儀器14的操作。計(jì)算 機(jī)沈連接到電話或者其他遠(yuǎn)程或者外部通信系統(tǒng)裝備32，從而可以從遠(yuǎn)程位置操作計(jì)算 機(jī)沈，這因此允許以遠(yuǎn)程方式操作分析儀器并且允許從遠(yuǎn)程位置獲取來(lái)自該儀器的數(shù)據(jù)。 計(jì)算機(jī)沈還控制包括電路和監(jiān)視并且控制氣體提取模塊10的狀態(tài)機(jī)的提取器控制部件。在這里為能夠控制提取器組件10和氣相色譜儀14的操作的編程裝置一般使用單 詞“計(jì)算機(jī)”。因此計(jì)算機(jī)26將被理解為涵蓋任何微處理器、微控制器或者其他處理器和相 關(guān)聯(lián)的硬件和軟件。將要被分析的流體的等分樣本被獲取并且由提取器/分析器1的流體控制和處理 構(gòu)件控制并且被注射到氣相色譜儀14中。在圖1中概略地示出的色譜儀14優(yōu)選是雙柱色 譜儀。分配歧管組件22的流體控制和處理部件將等分樣本以流體方式傳送到選定的分離
器柱之一。在色譜儀14中的分析物分離是在如在本技術(shù)領(lǐng)域中眾所周知的受控條件下執(zhí)行 的。例如，色譜儀中的分離柱被包含在溫度受控柜內(nèi)。同樣地，色譜儀14的所有的構(gòu)件被 包含在適當(dāng)?shù)臍んw內(nèi)，無(wú)任何殼體在附圖中示出，但是將理解的是，殼體對(duì)于執(zhí)行可重復(fù)的 和準(zhǔn)確的分析而言是必要的。如在圖2中概略地示出的氣相色譜儀14包括在計(jì)算機(jī)沈的控制下的檢測(cè)器例如 導(dǎo)熱性檢測(cè)器。在色譜儀柱中分離的分析物流入檢測(cè)器中并且通過(guò)檢測(cè)器。流動(dòng)通過(guò)該系 統(tǒng)的流體例如載體流體和已被分析的樣本在排放端口 34處被排放到大氣。由氣相色譜儀14從已被分析的樣本匯編的分析數(shù)據(jù)經(jīng)由數(shù)據(jù)線路30而被傳輸?shù)?計(jì)算機(jī)沈，其中根據(jù)在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的軟件，數(shù)據(jù)得到進(jìn)一步的處理。然后可以在自動(dòng)化的 基礎(chǔ)上通過(guò)遠(yuǎn)程通信裝備32從計(jì)算機(jī)沈傳輸分析結(jié)果，或者可以從遠(yuǎn)程位置根據(jù)提示獲 取數(shù)據(jù)。現(xiàn)在將參考圖3和4詳細(xì)地解釋提取器組件10的構(gòu)造。有時(shí)，使用了相對(duì)方向術(shù) 語(yǔ)來(lái)描述提取器組件10和各種構(gòu)件相對(duì)于其他結(jié)構(gòu)的位置。因此，單詞“內(nèi)部”或者“向 內(nèi)”參考了提取器組件10的結(jié)構(gòu)或者幾何中心。單詞“外部”參考了遠(yuǎn)離該幾何中心的方 向?！懊嫦騼?nèi)部”表面是面對(duì)組件的中心的表面等。參考圖3，組件10包括基本柱形的殼體 50，殼體50包括第一板52、第二板M以及夾在第一板與第二板之間的嵌接環(huán)56。如在下 面詳細(xì)描述地，存在包含在殼體50中的幾個(gè)構(gòu)成部件，包括便于從進(jìn)給到提取器組件10中 的電絕緣油提取氣體的部件，和用于油和所提取的氣體的各種流體流動(dòng)路徑。油泵58利用 螺栓55在中心處安裝到第二板M，從而油泵控制油通過(guò)提取器組件10的流動(dòng)。氣泵60也 安裝到第二板M。油溫度傳感器62安裝到第二板M的一側(cè)，并且提供用于監(jiān)視在殼體50中的油或者其他流體的溫度的裝置一溫度傳感器一被擰入殼體中的配合螺紋開(kāi)口中。溫度 傳感器62優(yōu)選是標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，但是它能夠是任何適當(dāng)?shù)臏囟雀袦y(cè)裝置。最后，油壓力轉(zhuǎn)換 器64安裝到第二板M的一側(cè)，從而可以在正在進(jìn)行中的基礎(chǔ)上監(jiān)視殼體50中的油壓力。 轉(zhuǎn)換器也被擰入殼體中的螺紋開(kāi)口中。所有的前面的構(gòu)件均附接到計(jì)算機(jī)26并且處于計(jì) 算機(jī)沈的控制下。因?yàn)闅んw50的第一板52的“下”側(cè)在附圖的透視圖中不可見(jiàn)，所以在圖3中概略 地示出的是均連接到第一板52的油進(jìn)口 66和油出口 68。油進(jìn)口 66連接到油樣本流體線 路4并且油出口 68連接到油樣本返回線路5。如在下面詳細(xì)描述地，油從電氣裝置3在以 電氣裝置開(kāi)始的環(huán)路中流動(dòng)，通過(guò)樣本線路4而被輸送到在油中的氣體被提取的提取器組 件10，流動(dòng)通過(guò)殼體50，并且然后經(jīng)由返回線路5返回電氣裝置。類似地，氣體進(jìn)口 70和 氣體出口 72附接到第二板M。剛剛描述的油和氣體進(jìn)口和出口是分別地被擰入第一板和 第二板中的標(biāo)準(zhǔn)裝配件。氣體進(jìn)口 70連接到管線13并且因此是來(lái)自分析儀器14的返回 線路。氣體出口 72連接到管線12并且限定了通到分析儀器的樣本輸送線路。從通過(guò)提取 器組件10流動(dòng)的油中提取的氣體利用氣泵60通過(guò)出口 72，通過(guò)管線12而被泵送到分析儀 器14，并且依賴于狀態(tài)操作，可以經(jīng)由管線13和進(jìn)口 70而返回提取器組件10。到殼體50的所有的裝配件和連接都是不泄漏的并且利用適當(dāng)?shù)难b配件和流體緊 密的密封構(gòu)件例如0形環(huán)等，以保證不存在任何泄漏?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖4，將詳細(xì)描述提取器組件10的構(gòu)件。如在前指出地，殼體50的基本 構(gòu)件是第一板52、第二板M和嵌接環(huán)56。第一板52和第二板M中的每個(gè)具有以在下面 詳細(xì)描述的方式和為了在下面詳細(xì)描述的意圖而通過(guò)它們限定的流體流動(dòng)路徑。緊鄰第一 板52的是第一釉料74。第一釉料74是油和/或其他液體易于通過(guò)其流動(dòng)的多孔圓盤材 料。釉料74優(yōu)選地是燒結(jié)青銅，但是它可以從包括燒結(jié)玻璃、燒結(jié)金屬或者金屬絲網(wǎng)和其 他材料的其他多孔材料制造。在組裝的提取器組件10中，第一釉料74的第一側(cè)76利用粘 結(jié)劑圍繞其周邊被密封到第一板52的面向內(nèi)部一側(cè)上的配合底座77上?？商娲兀梢?利用當(dāng)提取器組件被栓接到一起時(shí)在這兩者之間施加的壓力來(lái)促進(jìn)在第一釉料和第一板 之間的密封。鄰近第一釉料74的是第一隔膜78，第一隔膜78被以在下面描述的方式附接 并且圍繞它的周邊被密封到嵌接環(huán)56。在嵌接環(huán)56的相對(duì)側(cè)上以上面剛剛描述的那些構(gòu)件的鏡像的方式堆疊相同的構(gòu) 件。因此，繼續(xù)參考圖4，第二隔膜86附接并且圍繞它的周邊被密封到嵌接環(huán)56。間隔器 層82位于第一隔膜78和第二隔膜86之間。間隔器層82在兩個(gè)隔膜之間提供物理分離并 且是多孔的，并且對(duì)于分析物氣體而言是惰性的。間隔器層82優(yōu)選地是不會(huì)被從在這里 描述的系統(tǒng)中的油中提取的氣體種類退化的多孔紙材料；已經(jīng)發(fā)現(xiàn)過(guò)濾型紙良好地發(fā)揮作 用，但是存在將發(fā)揮作用的多種其他材料例如棉花和其他纖維性墊片。如在下面詳細(xì)描述 地，間隔器層82物理地分離兩個(gè)相鄰隔膜78和84并且由此限定了供從油中提取的氣體可 以流動(dòng)通過(guò)的空間。作為與在上面關(guān)于第一釉料74描述的相同的材料的第二釉料88，同樣以與在上 面關(guān)于第一釉料74描述的相同的方式附接到第二板M。上面剛剛描述并且在圖4中以分解形式示出的構(gòu)件利用圍繞板52和M的周邊的 一系列的螺栓90 (其中之一在圖4中示出)而在組裝好的提取器10中被夾到一起。在第一板52和嵌接環(huán)56之間的第一 0形環(huán)80和在第二板M和嵌接環(huán)56的相對(duì)側(cè)之間的第 二 0形環(huán)84確保了提取器組件10當(dāng)組裝好時(shí)是無(wú)泄漏的。另外，0形環(huán)通過(guò)將大氣與隔 膜隔離而減少了來(lái)自隔膜78和86的周邊附近的氧氣滲透。分別地，現(xiàn)在將參考圖5A、5B和6具體地描述第一隔膜78和第二隔膜86。隔膜 78和86優(yōu)選由能夠容易地滲透具有對(duì)于本發(fā)明而言感興趣的種類的、具有小分子量的碳 氫化合物但是不能滲透電絕緣油的柔性材料制造。優(yōu)選的材料是，在碳?xì)浠衔锃h(huán)境例如 電絕緣油中非常穩(wěn)定的氟硅氧烷材料。通過(guò)將已經(jīng)與聚合劑混合的氟硅氧烷材料壓到模具 中而模制隔膜78。聚合隔膜被從模具被移除并且通過(guò)在高溫下焙燒而得以固化。更加具體地，預(yù)定質(zhì)量的氟硅氧烷材料被預(yù)成形為平坦圓盤。這個(gè)薄餅形圓盤然 后被插入壓模中，在壓膜處它被加熱、壓實(shí)并且被擠壓成具有所期厚度屬性的、非常薄的圓 盤形狀。模具被維持在升高的壓力和溫度下，直至氟硅氧烷材料固化，此時(shí)將該構(gòu)件從模具 去除。隔膜78限定具有圍繞外周邊邊緣102限定的唇凸100的、大致平坦的圓形圓盤。 如在圖6中最好示出地，隔膜78的外周邊邊緣102相對(duì)地比隔膜的中央部分更厚。隔膜的 厚度靠近外周邊邊緣最大并且在朝向隔膜中心移動(dòng)時(shí)逐漸地降低。隔膜材料因此在周邊部 分106處相對(duì)地更厚，在此處典型的厚度是大約0.020英寸。在朝向隔膜中心經(jīng)過(guò)隔膜中 央部分108地向內(nèi)移動(dòng)時(shí)，隔膜的厚度逐漸地降低，在隔膜中心處隔膜材料最薄，通常為大 約0. 004英寸。唇凸100構(gòu)造為附接和密封到在板52和M的面向內(nèi)的周邊上以配合方式形成的 唇凸104(圖4)。因此，在圖6中，利用虛線示意性地示出隔膜78上的唇凸100所附接的嵌 接環(huán)56的唇凸104的區(qū)域。當(dāng)隔膜78附接到板52時(shí)，隔膜被稍微地拉伸，從而使得隔膜 材料被稍微張緊。這改進(jìn)了在隔膜和它所附接的板之間的流體密封，并且消除了隔膜中的、 在超薄隔膜薄片中可能引起破裂或者撕裂的任何折痕、皺紋或者折皺。以此方式拉伸隔膜 因此提高了隔膜對(duì)于形成泄漏的抵抗能力。提取器組件10利用螺栓90以圖4所示方式與上述構(gòu)件組裝，從而該組件在所有 的方面均被氣密性地密封并且提供流體緊密的和無(wú)泄漏的連接?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖7，圖7是高度 示意性的，示出各種流動(dòng)路徑、板5254和嵌接環(huán)56限定了供從提取器組件10中的油分離 的油和氣體通過(guò)流動(dòng)的流體流動(dòng)路徑。通過(guò)板5254和嵌接環(huán)56的流動(dòng)路徑是由通過(guò)板 鉆出的孔限定的。當(dāng)板組裝好時(shí)，板中的孔與嵌接環(huán)中的孔對(duì)準(zhǔn)和對(duì)齊。使用了 0形環(huán)來(lái) 確?？资菬o(wú)泄漏的以限定得到密封的流動(dòng)路徑。油通過(guò)樣本線路4而從電氣裝置3運(yùn)送并且經(jīng)由油進(jìn)口 66并且利用泵58的操作 而運(yùn)送被到提取器組件10中，泵58以流體方式連接到通過(guò)提取器組件10的油孔。在圖7 中，以比較重的帶有實(shí)心箭頭的粗虛線示意了通過(guò)提取器組件10的油流動(dòng)路徑，其中實(shí)心 箭頭示意總的流動(dòng)路線。油流動(dòng)路徑被分配了附圖標(biāo)記111。如在前指出地，釉料74圍繞 釉料圓盤的周邊而被密封到第一板52，但是這個(gè)結(jié)構(gòu)特征在圖7中的高度示意視圖中是不 明顯的。這限定了供油流入的、在釉料74的面向內(nèi)部側(cè)76的表面和隔膜78的面向外部側(cè) 之間的空間110。利用泵58的操作而處于正壓力下的油流動(dòng)通過(guò)釉料74的中心并且然后 沿著釉料和隔膜78的面向表面流動(dòng)。油趨向于從隔膜的中心向外朝向隔膜的外周邊和釉 料流動(dòng)。位于第一板M的面向內(nèi)部表面上的周邊凹槽114將油聚集起來(lái)。在油經(jīng)由隔膜78的表面流動(dòng)之后，油經(jīng)由與嵌接環(huán)56和第一板52中的孔對(duì)齊的孔而返回變壓器。油流 動(dòng)路徑111在嵌接環(huán)56的相對(duì)側(cè)上延續(xù)到第二板M中并且延續(xù)到在釉料88的面向內(nèi)部 表面和第二隔膜86的面向外部側(cè)表面之間的空間116中。如第一釉料74那樣，釉料88能 夠容易地滲透油，并且油流動(dòng)通過(guò)釉料并且沿著第二隔膜86的表面流動(dòng)。同樣，油趨向于 從隔膜的中心向外朝向隔膜的外周邊和釉料流動(dòng)，其中在第二板M的面向內(nèi)部表面上的 凹槽120將油聚集起來(lái)。油流動(dòng)通過(guò)與第一板52中的孔對(duì)齊、以限定返回流動(dòng)路徑的、板 54和嵌接環(huán)56中的孔。油因此利用返回線路5在環(huán)路中通過(guò)第一板52、通過(guò)出口 68而返 回電氣裝置3。通過(guò)提取器組件10的油流限定第一相。從第一相中的油提取的氣體形成第二相； 用于氣體的流動(dòng)路徑利用具有線型箭頭的相對(duì)較淺的虛線而在圖7中示意出并且被分配 了附圖標(biāo)記130。如果跨越被第一隔膜78和第二隔膜86分離的兩個(gè)不同的相側(cè)產(chǎn)生了擴(kuò)散梯度， 則在隔膜一側(cè)上以較高濃度存在的感興趣的化合物將跨過(guò)隔膜地?cái)U(kuò)散到第二相側(cè)一存在 具有較低濃度的該化合物的一側(cè)。即，當(dāng)與在第二相中相比在第一相側(cè)上在第一相中的油 包含具有較高濃度的污染物(例如故障氣體)時(shí)，污染物跨過(guò)由隔膜限定的相屏障擴(kuò)散到 第二相側(cè)(由多孔紙張間隔器82占據(jù)的空間122中)。換句話說(shuō)，第一相中的污染物跨過(guò) 由隔膜限定的相屏障擴(kuò)散到第二相中，在此處它們可靠地并且可再現(xiàn)地積聚并且代表了第 一相中的污染物并且與第一相中的污染物的濃度成比例。這由代表油相流動(dòng)路徑111的 “粗線”箭頭和代表第二相側(cè)的虛線箭頭130或者氣相流130而被示意性地示出。當(dāng)處于壓 力下的油循環(huán)通過(guò)提取設(shè)備10時(shí)，并且更加具體地，當(dāng)油沿著隔膜的表面流動(dòng)時(shí)，油中的 污染物擴(kuò)散通過(guò)隔膜并且進(jìn)入氣相130?？邕^(guò)隔膜78和86的污染物(即，氣體)擴(kuò)散利用 虛線箭頭132示意。氣相流動(dòng)路徑130與油相流動(dòng)路徑111隔離開(kāi)并且由在板52和M和 嵌接環(huán)56中限定的孔限定。如較早指出地，在相鄰隔膜78和86之間的間隔器82維持供 氣體擴(kuò)散的空間122。氣體流動(dòng)由泵60引發(fā)和維持(圖4)。如在圖7中最好示出地，來(lái)自 分析設(shè)備14的樣本氣體通過(guò)第二板M中的氣體進(jìn)口 70進(jìn)入提取器組件10，并且通過(guò)間隔 器82 (氣體空間12 進(jìn)入氣相流動(dòng)路徑130，通過(guò)氣泵60并且通過(guò)氣體出口 72而被排出 并且返回分析設(shè)備14?，F(xiàn)在將詳細(xì)描述系統(tǒng)的操作。如所指出地，油流是利用泵58的操作引發(fā)的，使得 油在循環(huán)環(huán)路中流動(dòng)通過(guò)油相流動(dòng)路徑111。當(dāng)油流動(dòng)通過(guò)釉料74和88并且因此經(jīng)過(guò)并 且在隔膜78和86的面向外部側(cè)表面或者側(cè)面之上流動(dòng)時(shí)，氣體通過(guò)隔膜(附圖標(biāo)記132) 擴(kuò)散到由間隔器82限定的空間122中，并且因此擴(kuò)散到氣相流動(dòng)路徑130中。從氣體分子 從油相到氣相中的擴(kuò)散而產(chǎn)生的氣相在循環(huán)環(huán)路中流動(dòng)通過(guò)氣相色譜儀14 ；氣體利用氣 泵60而進(jìn)行循環(huán)。允許油相和氣相的循環(huán)繼續(xù)進(jìn)行，直至在由隔膜78和86限定的相屏障 的兩側(cè)上存在氣體濃度上的平衡。在正常操作期間，使得油相壓力小于氣相壓力是可能的。這可以由于幾個(gè)原因而 發(fā)生，包括油泵的操作條件的偏差、外部干涉等。如果負(fù)壓力確實(shí)在油相側(cè)上發(fā)生，則隔膜 78和86趨向于分別地被朝向釉料74和88 “拉動(dòng)”。如果隔膜被朝向釉料拉動(dòng)，則釉料支 撐隔膜并且防止隔膜破裂?；衔锟邕^(guò)隔膜的擴(kuò)散主要地是由跨過(guò)隔膜的濃度梯度驅(qū)動(dòng)的。達(dá)到平衡或者接近平衡狀態(tài)所需要的時(shí)間依賴于多種因素，例如氣體濃度梯度和溫度，得到平衡的氣體的 體積、隔膜的厚度和被暴露于油的隔膜表面面積。另外，載有氣體的油的流率影響擴(kuò)散速率 并且因此影響達(dá)到平衡所需要的時(shí)間。如較早指出地，在充有油的裝置3中包含的感興趣的污染物被允許在提取器組件 10中從第一液相擴(kuò)散到第二流體相中。在這方面，在樣本平衡和獲取相期間，油通過(guò)提取 器組件10連續(xù)地循環(huán)，如較早描述地那樣返回充有油的裝置3。當(dāng)油流動(dòng)通過(guò)提取器組件 時(shí)，在油中包含的、被溶解的氣體跨過(guò)隔膜78和86擴(kuò)散到第二相中。包括氣態(tài)流體的這個(gè) 第二相以設(shè)定的時(shí)間間隔或者連續(xù)地循環(huán)以保證第二相中的全部流體是均質(zhì)的并且直至 達(dá)到平衡條件。換言之，擴(kuò)散原理決定了油中的污染物跨過(guò)隔膜從具有較高濃度的區(qū)域擴(kuò) 散到具有較低濃度的區(qū)域，直至達(dá)到平衡(或者接近平衡的狀態(tài))。如上所指出地，跨過(guò)隔膜的平衡和擴(kuò)散速率受到很多不同因素的影響。在實(shí)踐中， 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用在這里描述的提取器組件10在大約15分鐘的時(shí)間實(shí)現(xiàn)了平衡，且總標(biāo)稱氣 體體積小于7cm31。這可以與需要高達(dá)和大于1小時(shí)的時(shí)間的、標(biāo)稱氣體體積達(dá)65ml的美 國(guó)專利No. 6，391，096和6，365，105中描述的氣體提取設(shè)備對(duì)比。因此明顯的是，與剛剛提 到的專利所需要的相比，本發(fā)明需要數(shù)量更少的時(shí)間來(lái)達(dá)到平衡和從油相提取的數(shù)量更小 的體積的氣體。當(dāng)計(jì)算機(jī)沈確定將氣體樣本從第二相注射到分析儀器14中是適當(dāng)?shù)臅r(shí)，或者當(dāng) 在外部提示計(jì)算機(jī)26這么做時(shí)，氣體130的連續(xù)循環(huán)環(huán)路在分配歧管22中被切換，從而使 得樣本氣體被傳送到分析儀器14。通常與平衡和樣本獲取步驟同時(shí)地并且在色譜儀14的操作之前，該系統(tǒng)允許利 用如所指出地通常是惰性氣體(例如氦氣)的純凈載體流體20使得色譜儀14平衡。這允 許在分離柱中的任何流體洗提并且被沖過(guò)儀器并且在34處被排放到大氣。樣本氣體然后 被注射到色譜儀中并且對(duì)存在于樣本中的氣體進(jìn)行定性和定量分析。在上述的并且在附圖中示出的提取器10的所示意的實(shí)施例中，提取器使用在由 兩個(gè)板和嵌接環(huán)限定的殼體中容納的兩個(gè)隔膜。將理解的是，通過(guò)板的流體流動(dòng)路徑被構(gòu) 造成使得另外的成對(duì)的板、隔膜和嵌接環(huán)可以被堆疊，從而系統(tǒng)容量及其速度增加。因此， 提取器模塊可以被限定為兩個(gè)隔膜、兩個(gè)板和單個(gè)嵌接環(huán)?？梢远询B多個(gè)提取器模塊，且模 塊之間的流體通路連通。類似地，可以使用單個(gè)隔膜制成根據(jù)本發(fā)明的提取器模塊。在此情形中，如在圖中 所示利用僅僅單個(gè)隔膜構(gòu)造提取器模塊。包含污染物的油相在單個(gè)隔膜的第一側(cè)之上流 動(dòng)，并且污染物通過(guò)隔膜78擴(kuò)散到由位于隔膜78的相對(duì)側(cè)上的間隔器層82限定的空間 中，由此在單個(gè)隔膜78和模塊殼體的相對(duì)壁之間形成物理分離。如圖4的實(shí)施例那樣，間 隔器層82從模塊殼體的相鄰壁物理地分離單個(gè)隔膜78并且由此限定了供從油提取的氣體 可以通過(guò)流動(dòng)的第二相空間?？紤]到可以應(yīng)用本發(fā)明的原理的很多可能的實(shí)施例，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，詳細(xì)實(shí)施例是 僅僅示意性的而不應(yīng)該被視為限制本發(fā)明的范圍。實(shí)際上，本發(fā)明要求保護(hù)可能落入所附 權(quán)利要求及其等同形式的范圍和精神內(nèi)的所有的這樣的實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.用于從流體提取氣體的設(shè)備，包括殼體，所述殼體限定流體通路和與所述流體通路隔離的氣體通路，所述殼體具有通入 所述流體通路中的進(jìn)口和從所述流體通路出去的出口，并且所述殼體具有通入所述氣體通 路中的進(jìn)口和從所述氣體通路出去的出口；至少一個(gè)分離隔膜，所述至少一個(gè)分離隔膜在所述殼體中，所述分離隔膜將所述氣體 通路與所述流體通路分離，所述至少一個(gè)分離隔膜包括基本不能滲透流體并且能夠滲透氣 體的氟硅氧烷構(gòu)件，所述分離隔膜具有面向所述流體通路的第一側(cè)和面向所述氣體通路的 第二側(cè)；多孔隔膜支撐件，所述多孔隔膜支撐件面向所述分離隔膜的第一側(cè)；并且其中所述流體通路包括所述至少一個(gè)隔膜的第一側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述至少一個(gè)分離隔膜是模制的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中所述至少一個(gè)分離隔膜限定大致平坦的圓盤，所 述圓盤在其周邊部分處較厚并且在所述平坦的圓盤的中心處較薄。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述流體通路中的流體包含溶解的氣體，并且所 述氣體從所述流體通路通過(guò)所述隔膜擴(kuò)散到所述氣體通路中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其具有第一分離隔膜和第二分離隔膜，每個(gè)隔膜具有 第一側(cè)和第二側(cè)，所述隔膜中的兩個(gè)隔膜以隔開(kāi)的關(guān)系保持在所述殼體中，使得所述第一 隔膜的第二側(cè)面向所述第二隔膜的第二側(cè)，從而在所述至少兩個(gè)隔膜之間限定空間，并且 所述空間在所述氣體通路中。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其包括在所述第一隔膜的第一側(cè)上的第一多孔隔膜支 撐件和在所述第二隔膜的第一側(cè)上的第二多孔隔膜支撐件。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中所述殼體還包括第一板、第二板和在所述第一板 與第二板之間的環(huán)，并且其中所述第一分離隔膜保持在所述第一板上且所述第二分離隔膜 保持在所述第二板上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中所述第一多孔隔膜支撐件鄰近所述第一板，并且 所述第二多孔隔膜支撐件鄰近所述第二板。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中所述第一多孔隔膜支撐件和第二多孔隔膜支撐件 由燒結(jié)的青銅釉料形成。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其包括多于兩個(gè)的分離隔膜。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其還包括在所述第一隔膜和第二隔膜的第二側(cè)之間 的間隔器，所述間隔器在所述氣體通路中并且能夠滲透氣體，并且所述間隔器維持所述隔 膜處于隔開(kāi)的關(guān)系。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中所述間隔器包括紙張。
13.用于從流體分離氣體的設(shè)備，包括殼體，所述殼體限定用于第一流體流的第一通路和用于包含第二流體流的、分開(kāi)的第 二通路；分離隔膜裝置，所述分離隔膜裝置在所述第一通路與第二通路之間，用以從所述第一 流體流去除組分并且將所述組分傳送到所述第二流體流中，所述分離隔膜裝置包括具有第 一表面的氟硅氧烷構(gòu)件；支撐裝置，所述支撐裝置用于在其第一表面處支撐所述分離隔膜裝置，并且用于使所 述第一流中的流體在所述第一表面上散開(kāi)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中所述分離隔膜裝置還包括模制圓盤，所述圓盤 圍繞周邊部分的厚度大于中央部分處的厚度。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中所述分離裝置還包括以隔開(kāi)的關(guān)系保持在所述 殼體中的第一氟硅氧烷構(gòu)件和第二氟硅氧烷構(gòu)件，并且其中所述第二流體流在所述第一氟 硅氧烷構(gòu)件與第二氟硅氧烷構(gòu)件之間。
16.一種用于去除溶解在第一流體相中的氣體并將所去除的氣體傳送到第二流體相中 的方法，包括以下步驟a)限定通過(guò)殼體的第一流體流動(dòng)路徑；b)限定通過(guò)所述殼體的第二流體流動(dòng)路徑，所述第二流體流動(dòng)路徑與所述第一流體流 動(dòng)路徑隔離；c)在所述第一流體流動(dòng)路徑與第二流體流動(dòng)路徑之間置入由模制的氟硅氧烷制造的 分離器隔膜；d)使得包含目標(biāo)化合物的第一流體流過(guò)所述第一流體流動(dòng)路徑且在所述分離器隔膜 的第一側(cè)上流動(dòng)，并且使得第二流體流過(guò)所述第二流體流動(dòng)路徑且在所述分離器隔膜的第 二側(cè)上流動(dòng)，其中所述第一流體處于比所述第二流體更高的壓力下；并且e)使得目標(biāo)化合物從所述第一流體通過(guò)所述分離器隔膜，并且將所述目標(biāo)化合物傳送 到所述第二流體流動(dòng)路徑中。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其包括繼續(xù)步驟d和步驟e，直至所述第二流體中 的目標(biāo)化合物的濃度與所述第一流體中的目標(biāo)化合物的濃度處于平衡。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其包括以下步驟，即，將所述第二流體傳送到分析儀 器，并且操作所述分析儀器，以獲得包括關(guān)于所述目標(biāo)化合物的數(shù)量和質(zhì)量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述分析儀器是氣相色譜儀。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其包括將所述數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程位置的步驟。
全文摘要
一種氣體提取設(shè)備，該設(shè)備提供了溶解在流體中的氣體的可靠和準(zhǔn)確的提取并且將所提取的氣體傳送到分析儀器。提取模塊包括模制成平坦圓盤形狀的一個(gè)或多個(gè)氟硅氧烷隔膜。所述隔膜以隔開(kāi)的關(guān)系保持在殼體中。所述隔膜能夠滲透目標(biāo)氣體，但是不能滲透流體。多孔支撐構(gòu)件支撐所述隔膜并且防止損壞所述隔膜，并且所述殼體為流體和從流體提取出來(lái)的氣體限定了分開(kāi)的流體流動(dòng)路徑。
文檔編號(hào)B01D19/00GK102065969SQ200980122124
公開(kāi)日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2009年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月12日
發(fā)明者史蒂文·馬奧尼, 托馬斯·沃特斯 申請(qǐng)人:塞維隆公司