Анализатор состава природного газа



Анализатор состава природного газа
Анализатор состава природного газа
Анализатор состава природного газа
G01N2021/651 - Исследование или анализ материалов путем определения их химических или физических свойств (разделение материалов вообще B01D,B01J,B03,B07; аппараты, полностью охватываемые каким-либо подклассом, см. в соответствующем подклассе, например B01L; измерение или испытание с помощью ферментов или микроорганизмов C12M,C12Q; исследование грунта основания на стройплощадке E02D 1/00;мониторинговые или диагностические устройства для оборудования для обработки выхлопных газов F01N 11/00; определение изменений влажности при компенсационных измерениях других переменных величин или для коррекции показаний приборов при изменении влажности, см. G01D или соответствующий подкласс, относящийся к измеряемой величине; испытание

Владельцы патента RU 2650363:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) (RU)

Изобретение относится к области измерительной техники. Анализатор состава природного газа содержит непрерывный лазер, фокусирующую линзу, газовую кювету с входным и боковым окном, фотообъектив, голографический фильтр, спектральный прибор, сопряженный с ПЗС-матрицей, и блок управления, взаимодействующий с ПЗС-матрицей. В кювете выполнено дополнительное окно, расположенное напротив окна для вывода рассеянного излучения, при этом на пути светового потока рассеянного излучения дополнительно установлены фотообъектив, голографический нотч-фильтр и второй спектральный прибор, сопряженный со своей ПЗС-матрицей. Один из спектральных приборов регистрирует излучение в диапазоне 200-2700 см-1, а второй – в диапазоне 3400-3800 см-1. Технический результат - повышение достоверности газоанализа. 3 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для проведения качественного и количественного анализа природного газа. Заявляемое изобретение найдет свое применение на газоизмерительных и газораспределительных станциях предприятий газовой, нефтяной и химической промышленности.

Известно, что химический состав природного газа на разных месторождениях различается. В этой связи предприятия, занимающиеся добычей, транспортировкой и переработкой природного газа, нуждаются в высокоточных газоанализаторах, поскольку от состава природного газа зависит экономическая эффективность их деятельности.

Известна система для измерения физико-химического состава природного газа, содержащая устройство обеспечения газохроматографического разделения, колонки для детектирования различных компонентов природного газа, а также набор детекторов [Бузановский В.А., Овсепян А. М. Информационно-измерительные системы состава и свойств природного газа // Территория Нефтегаз, 2007, №8, С. 36-43].

Основными недостатками данной системы является необходимость иметь газ-носитель (например, He или Ar) для осуществления газохроматографического разделения, длительное время проведения анализа, а также деградация со временем характеристик основных узлов (детекторов, колонок), что приводит к необходимости частых проверок градуировки прибора.

Также известен лазерный анализатор природного газа, основанный на спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) света (Патент РФ №10462, МПК G01N21/25, опубл. 16.07.1999). Суть его работы заключается в регистрации спектра комбинационного рассеяния света исследуемой газовой среды и проведении по нему качественного и количественного анализа. Используемый метод анализа лишен описанных выше недостатков: он не требует каких-либо расходных материалов (газ-носитель) для проведения анализа, сигнал КР практически безынерционен, а основанный на этом методе прибор не требует частой проверки градуировки. Данный анализатор содержит лазер, фокусирующую линзу, газовую кювету, конденсорный объектив, деполяризующий клин, голографический фильтр, полихроматор, основанный на вогнутой дифракционной решетке, приемный блок, содержащий распределительный элемент и фотодиодные линейки, а также блок управления и ЭВМ.

Основным недостатком данного устройства является низкая достоверность анализа, обусловленная использованием полихроматора, основанного на вогнутой дифракционной решетке. Во-первых, регистрируемые спектры имеют низкое качество (малое разрешение, аппаратное искажение спектральных линий, фоновая засветка). Во-вторых, такой полихроматор не может быть светосильным, что накладывает ограничения на количество собранного рассеянного света и, соответственно, на интенсивность и соотношение сигнал/шум регистрируемых спектров.

Наиболее близким по принципу действия (прототипом) является анализатор состава природного газа, основанный на спектроскопии комбинационного рассеяния света [Патент РФ № 126136, МПК G01N 21/00, опубл. 20.03.2013]. Данное устройство имеет в своем составе лазер, фокусирующую линзу, газовую кювету, фотообъектив со светосилой 1:1.8, голографический фильтр, блок управления, а также светосильный спектральный прибор с плоской дифракционной решеткой, сопряженный с ПЗС-матрицей. Указанный анализатор частично лишен недостатков устройства, описанного выше, ввиду использования спектрального прибора, основанного на плоской дифракционной решетке. Данное обстоятельство позволяет регистрировать спектры КР, по которым осуществляется процесс газоанализа, с более высоким качеством и соотношением сигнал/шум.

В указанном анализаторе с помощью спектрального прибора, сопряженного с ПЗС-матрицей, осуществляется одновременная регистрация спектрального диапазона от 532 нм до 690 нм, что при длине волны используемого лазера 532 нм соответствует диапазону частотных сдвигов 0-4300 см-1.

Необходимо отметить, что достоверность анализа состава природного газа методом спектроскопии комбинационного рассеяния прямо пропорциональна величине разрешения регистрируемых спектров ввиду необходимости спектрального выделения отдельных компонентов природного газа из их суммарного спектра. Помимо этого, интенсивные полосы метана, расположенные в диапазоне 2800-3200 см-1, при их регистрации многоканальным фотоприемником (ПЗС-матрицей) обеспечивают увеличение фонового сигнала ввиду «растекания» накопленных зарядов в данных пикселях на соседние пиксели. Данное обстоятельство также снижает качество газоанализа.

Таким образом, основным недостатком прототипа является низкая достоверность анализа, обусловленная низким разрешением регистрируемых спектров КР, а также большим значением уровня фонового сигнала.

Задачами, на решение которых направлено изобретение, являются повышение разрешения регистрируемых спектров КР и снижение уровня фоновой засветки при одновременной регистрации спектра КР, содержащего полосы всех молекулярных компонентов газа, контроль которых необходим. Достигаемый технический результат - повышение достоверности газоанализа.

Природный газ представляет собой многокомпонентную газовую смесь, в состав которой входят углеводороды метанового ряда (метан, этан, пропан, бутан, пентан и т.д.), а также небольшое количество неуглеводородных соединений, таких как водород, азот, углекислый газ и сероводород. При этом содержание метана в природном газе является преобладающим и может достигать 97%. В спектре КР метан имеет несколько полос, соответствующих различным молекулярным колебаниям, наиболее интенсивная из которых имеет частотный сдвиг 2917 см-1. В этой области (2800-3200 см-1) также расположены полосы и других углеводородных компонентов природного газа, однако определение их содержания на фоне интенсивных полос метана является достаточно трудной задачей. В этой связи определение как всех углеводородных соединений метанового ряда, так и неуглеводородных соединений (водород, азот, углекислый газ и сероводород) целесообразно проводить в диапазоне 200-2700 см-1, где расположены характерные полосы всех данных компонентов, причем, ввиду различных сечений рассеяния, полосы метана в явном виде не преобладают над остальными компонентами. Однако в данный диапазон не попадают такие важные компоненты природного газа, как метанол и пары воды, контроль которых необходим, но наиболее интенсивные полосы которых расположены в диапазоне 3600-3800 см-1.

Указанный технический результат достигается тем, что в системе, содержащей непрерывный лазер, фокусирующую линзу, газовую кювету с входным окном для ввода лазерного излучения и боковым окном для вывода рассеянного излучения под углом 90° к направлению распространения лазерного излучения, голографический фильтр, обеспечивающий ослабление рассеянного излучения на длине волны лазера, спектральный прибор, сопряженный с ПЗС-матрицей, и блок управления, в отличие от прототипа внутри кюветы, напротив окна для вывода рассеянного излучения, выполнено еще одно окно, при этом для сбора рассеянного сквозь него излучения на пути светового потока установлены дополнительно фотообъектив, голографический нотч-фильтр и второй спектральный прибор, сопряженный со своей ПЗС-матрицей, причем один из спектральных приборов регистрирует излучение в диапазоне 200-2700 см-1, а другой - в диапазоне 3400-3800 см-1.

Такое взаимное расположение компонентов, при котором обеспечивается одновременная регистрация спектра КР анализируемого природного газа двумя различными спектральными приборами, позволяет не только сохранить регистрацию требуемых спектральных участков для полной диагностики состава природного газа, но и увеличить разрешение, а также исключить регистрацию интенсивных полос метана, находящихся в диапазоне 2800-3100 см-1. Требуемая область 3600-3800 см-1 расширена до 3400-3800 см-1 для регистрации крыла метана, по отношению к которому будет определяться концентрация паров воды и метанола.

На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого анализатора состава природного газа.

На фиг. 2 показан спектр КР природного газа, зарегистрированный в диапазоне 0-4300 см-1, приведенный в масштабе 1:1 и 1:8.

На фиг. 3 показан спектр КР природного газа в диапазоне 200-2700 см-1.

На фиг. 4 показан спектр КР природного газа в диапазоне 3400-3800 см-1.

Анализатор (фиг.1) содержит твердотельный лазер 1 с длиной волны 532 нм, работающий в непрерывном режиме, фокусирующую линзу 2, газовую кювету 3, оснащенную окном для ввода лазерного излучения 4 и двумя окнами для вывода рассеянного излучения 5, 6, фотообъективы для сбора рассеянного излучения 7, 8, голографические фильтры для ослабления рассеянного излучения на длине волны лазера 9, 10, спектральные приборы 11, 12, ПЗС-матрицы 13, 14 и блок управления 15.

Анализатор природного газа по изобретению работает следующим образом. Возбуждающее излучение от лазера 1 фокусируется линзой 2, проходит сквозь окно 4 в центре газовой кюветы 3, внутри которой оно рассеивается на молекулах газа. Рассеянное излучение выходит из кюветы через окна 5 и 6, затем собирается фотообъективами 7, 8 и направляется на входы спектральных приборов 11, 12. При этом оно проходит сквозь голографические фильтры 9 и 10, роль которых - ослабить интенсивность упругого рассеяния света на частоте возбуждающего лазерного излучения (так называемое рэлеевское рассеяние). Спектральные приборы 11, 12 разлагают попавшее в них излучение в спектры, которые далее регистрируются ПЗС-матрицами 13, 14, причем спектральные приборы обладают такой дисперсией, чтобы один регистрировал диапазон 200-2700 см-1, а другой - 3400-3800 см-1. ПЗС-матрицы 13, 14 передают электрические сигналы в блок управления 15, где возможны их обработка и хранение. Вычисление качественного и количественного состава анализируемого природного газа по зарегистрированным спектрам КР может быть осуществлено либо непосредственно в блоке управления 15, либо передано из него на ЭВМ.

На фиг. 2-4 представлены спектры КР природного газа, зарегистрированные в различных диапазонах и соответственно при различном разрешении, причем спектры получены одновременно.

Спектр, приведенный на фиг. 2, соответствует прототипу, а спектры, приведенные на фиг. 3 и фиг. 4 – заявленному изобретению. Из спектров фиг. 3 и фиг. 4 видно, что разрешение регистрируемых спектров увеличивается и выделение отдельных компонентов природного газа может быть осуществлено с более высокой точностью, что вкупе с более низким уровнем фонового сигнала обуславливает более высокую достоверность анализа для предлагаемого анализатора состава природного газа.

Анализатор состава природного газа, содержащий непрерывный лазер, фокусирующую линзу, газовую кювету с входным окном для ввода лазерного излучения и боковым окном для вывода рассеянного излучения под углом 90° к направлению распространения лазерного излучения, фотообъектив, голографический фильтр, обеспечивающий ослабление рассеянного излучения на длине волны лазера, спектральный прибор, сопряженный с ПЗС-матрицей, и блок управления, взаимодействующий с ПЗС-матрицей, отличающийся тем, что в кювете выполнено дополнительное окно, расположенное напротив окна для вывода рассеянного излучения, при этом на пути светового потока рассеянного излучения дополнительно установлены фотообъектив, голографический нотч-фильтр и второй спектральный прибор, сопряженный со своей ПЗС-матрицей, причем один из спектральных приборов регистрирует излучение в диапазоне 200-2700 см-1, а второй – в диапазоне 3400-3800 см-1.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для проведения качественного и количественного анализа газовых сред. Лазерный газоанализатор содержит непрерывный лазер, фокусирующую линзу, газовую кювету с входным окном для ввода лазерного излучения и окном для вывода рассеянного излучения под углом 90°, фотообъектив, голографический фильтр, спектральный прибор, сопряженный с ПЗС-матрицей, и блок управления.

Изобретение относится к медицине, а именно к терапии и кардиологии, и может быть использовано для диагностики ишемической болезни сердца. Ткань ногтевых пластин с пятых пальцев кистей правой и левой рук возбуждают линейно поляризованным лазерным излучением длиной волны 532 нм.

Изобретение относится к способу определения компонента в сепарационном блоке, расположенном ниже по потоку относительно реактора получения уксусной кислоты, включающему (i) подачу сырьевого потока в ректификационную колонну для перегонки низкокипящих фракций, где сырьевой поток содержит следующие компоненты: йодистый метил, воду, метанол, метилацетат, ацетальдегид, уксусную кислоту, алканы и пропионовую кислоту, (ii) разделение с помощью ректификационной колонны для перегонки низкокипящих фракций сырьевого потока на первый погон выходящего потока и выходящий поток кубового остатка, где первый погон выходящего потока содержит следующие компоненты: от 30% мас.

Изобретение относится к переносным устройствам для экспресс-оценки оптических характеристик растений на определенных волновых числах, закономерное изменение амплитуды которых является признаком влияния водорода, и может применяться для выявления зон эманации водорода за счет использования растений в качестве биоиндикаторов.

Изобретение относится к способу получения винилацетата, где указанный способ включает: (а) взаимодействие в реакторе (i) от 65 до 80 мол.% этилена, (ii) от 10 до 25 мол.% уксусной кислоты и (iii) от 5 до 15 мол.% кислородсодержащего газа в присутствии палладиево-золотого катализатора с получением винилацетата; (b) выведение из реактора газового потока, содержащего этилен, уксусную кислоту, винилацетат, воду и диоксид углерода; (c) разделение газового потока на поток этилена, включающий этилен и диоксид углерода, и первичный поток винилацетата, включающий винилацетат, воду и уксусную кислоту; (d) разделение потока этилена на поток регенерированного этилена и поток диоксида углерода; (e) разделение первичного потока винилацетата на поток винилацетата и поток регенерированной уксусной кислоты; (f) повторную подачу в реактор на стадию (а) потока регенерированного этилена со стадии (d) и потока регенерированной уксусной кислоты со стадии (е); (g) измерение концентрации компонентов, принимающих участие или связанных с одной или несколькими из перечисленных выше стадий, с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния, где данная стадия измерения включает стадию идентификации сдвигов комбинационного рассеяния и интенсивностей сигналов компонентов, принимающих участие или связанных с одной или несколькими из перечисленных выше стадий; и (h) регулирование условий в реакторе или в любой из последующих стадий в соответствии с измеренными концентрациями компонентов для осуществления надлежащего управления реакцией или любой из последующих стадий.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к спектроскопии комбинационного рассеяния света, и может быть использовано для проведения качественного и количественного анализа газовых сред.

Изобретение относится к области оптико-физических методов измерений и касается способа и устройства для обнаружения и идентификации химических веществ и объектов органического происхождения.

Изобретение относится к области исследования свойств вещества оптическими средствами и касается анализатора комбинационного рассеяния. Анализатор включает в себя расщепитель оптического пучка, фильтр на атомных парах, прерыватель и фотодетектор.

Изобретение относится к области аналитического приборостроения, в частности к оборудованию, позволяющему диагностировать определенные виды заболеваний человека путем анализа состава выдыхаемого им воздуха.

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и предназначено для качественного и количественного анализа природного газа (ПГ). Способ включает облучение газа линейно поляризованным монохроматическим лазерным излучением и одновременную регистрацию m спектров спонтанного комбинационного рассеяния (СКР) эталонных газовых компонентов, входящих в состав ПГ, причем для них дополнительно регистрируется интегральная интенсивность облучающего лазерного излучения Ii, i=1..m, а величины относительных концентраций компонентов анализируемого ПГ из его спектра СКР определяются по формуле, в которую входят вклады спектров СКР эталонных газовых компонентов в зарегистрированный спектр СКР ПГ, вычисленные с помощью метода наименьших квадратов.

Изобретение относится к исследованию и анализу газов с помощью электромагнитного излучения. Спектрометр состоит из последовательно размещенных источника микроволнового излучения, ячейки с исследуемым газом, приемной системы, включающей в себя детектор и блок обработки сигнала, и блока управления частотой источника излучения.

Изобретение относится к способам определения потенциалов ионизации и сродства к электрону органических молекул кислород- и азотсодержащих соединений. Целью изобретения является повышение точности методов определения ПИ и СЭ и его распространение на другие классы соединений, которые не относятся к ароматическим молекулам.

Изобретение относится к области экологического контроля и касается способа определения возможности применения спектрорадиометра для экологического мониторинга атмосферы.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к оптическим методам. Способ контроля шероховатости поверхности детали включает зондирование исследуемой поверхности потоком со струйной структурой, содержащим смесь химически взаимодействующих газов, визуализацию информативного параметра через контролируемую область поверхности по регистрируемому в оптическом диапазоне длин волн изображению яркостного контраста проекции зоны химического взаимодействия смеси газов.

Изобретение относится к акустике, в частности к микрофонам. Способ создания микрофона на основе селективного поглощения инфракрасного (ИК) излучения углекислым газом.

Изобретение относится к аналитической химии органических соединений. Способ определения концентрации паров нафталина в газовой смеси ароматических соединений заключается в том, что материал, содержащий флуорофор дибензоилметанат дифторида бора (DBMBF2) или его метил-, или метокси-, или диметил-, или диметокси- или метилметоксипроизводное, молекулы которого окружены цепями полидиметилсилоксана или алкильными группами, помещают в газовую смесь.

Изобретение относится к биологии, экологии, сельскому хозяйству, в частности к исследованиям биоматериалов и учету животных при изучении миграционной активности. Способ детекции системной родаминовой метки в мелких млекопитающих включает использование кормовых приманок с препаратом родамин B в количестве от 0,05 до 0,10 мас.% и выявление флуоресцирующей метки родамина B путем облучения мелких млекопитающих лучом портативного зеленого лазера с длиной волны 532±20 нм.

Изобретение относится к области спектроскопии и касается способа обнаружения элемента в образце. Способ осуществляется с помощью системы спектроскопии возбуждения лазерным пробоем (LIBS), включающей в себя первый лазер, второй лазер, спектрометр и детектор.

Изобретение относится к ядерной технологии, в частности к аналитическому обеспечению процесса переработки облученного ядерного топлива, и раскрывает способ совместного спектрофотометрического определения нептуния, америция и плутония.

Изобретение относится к области микробиологии, а именно к способам окраски и дифференцировки микроорганизмов. Предложен способ окраски и дифференцировки микроорганизмов, при котором в качестве основного красителя используют 4-дневную настойку плодов черноплодной рябины на 90% этиловом спирте с добавлением 2-2.5 г медного купороса на 40 мл раствора, для докрашивания применяют 1% раствор эозина, при этом бактериологические мазки, фиксированные над пламенем спиртовки, окрашивают новым красителем на основе экстракта плодов черноплодной рябины в течение 4,5-5 мин, смывают 2 раза 96% спиртом, наносят 96% спирт на 20 с, промывают водой и окрашивают 1% эозином в течение 1 мин, затем промывают водой и высушивают фильтровальной бумагой.
Изобретение относится к пробоотборникам и может использоваться для отбора проб аэрозолей аварийных химически опасных веществ и сильнодействующих ядовитых веществ.

Изобретение относится к области измерительной техники. Анализатор состава природного газа содержит непрерывный лазер, фокусирующую линзу, газовую кювету с входным и боковым окном, фотообъектив, голографический фильтр, спектральный прибор, сопряженный с ПЗС-матрицей, и блок управления, взаимодействующий с ПЗС-матрицей. В кювете выполнено дополнительное окно, расположенное напротив окна для вывода рассеянного излучения, при этом на пути светового потока рассеянного излучения дополнительно установлены фотообъектив, голографический нотч-фильтр и второй спектральный прибор, сопряженный со своей ПЗС-матрицей. Один из спектральных приборов регистрирует излучение в диапазоне 200-2700 см-1, а второй – в диапазоне 3400-3800 см-1. Технический результат - повышение достоверности газоанализа. 3 ил.

Наверх