НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ИНФРАКРАСНЫЙ АНАЛИЗАТОР ВЫБРОСОВ ПАРОВ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА В АТМОСФЕРЕ НА ОСНОВЕ ИММЕРСИОННЫХ ДИОДНЫХ ОПТОПАР

Область техники.
Полезная модель относится к области инфракрасной измерительной техники, а именно к устройствам, предназначенным для определения объемной концентрации паров сжиженного природного газа (СПГ) при их выбросе в атмосфере с рабочей температурой Т≥-110°С, и может быть использована для мониторинга пожароопасных смесей углеводородов и воздуха на объектах хранения и переработки СПГ (ГОСТ 57431-2017. Газ природный сжиженный. Общие характеристики).
Уровень техники.
Известен газоанализатор метана с сенсорным модулем, включающим газовый датчик, плату для обработки аналогового сигнала, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер и вторичный микропроцессор, считывающий информацию с выхода сенсорного модуля (патент РФ №2321847). Его недостатком является невозможность анализировать углеводороды при Т<-40°С, так как газоанализатор не защищен от неблагоприятного воздействия низкой температуры.
Известен газоанализатор токсичных, радиоактивных и горючих газов (патент РФ на полезную модель №127928), содержащий датчик радиоактивности и набор съемных газовых сенсоров, расположенных в газовом канале с внешним обогревателем для устранения конденсации влаги, измеритель внутренней температуры газов, пылевой фильтр на входе в газовый канал, на выходе из которого установлен побудитель расхода газа, и электронный модуль с платами питания и внешней коммутации.
90
Недостатками этого газоанализатора являются большое значение временного отклика τ≥15-30 с для используемых термокаталитического, полупроводникового или электрохимического сенсоров токсичных и горючих газов, а также невозможность их детектировать при Т<-40°С (Система газоаналитическая СКВА-01, Руководство по эксплуатации, ЕКРМ.411741.001РЭ, ООО НПФ ИНКРАМ Москва, 2013). Величина х90 определяется как время, необходимое для регистрации концентрации газовой смеси на уровне 90% от конечного значения после ее быстрого изменения.
90
Известен инфракрасный газоанализатор (патент РФ №2187093) для измерения объемной концентрации метана и других парообразных углеводородов, включающий инфракрасный оптический светодиод, измерительную газовую кювету, фотоприемники инфракрасного излучения опорного и рабочего измерительных каналов, электронный модуль, с усилителем сигналов, стабилизатором питания, управляющим микропроцессором и коммуникационную плату с устройством внешней коммутации, стабилизированного питания, управляющим микропроцессором и интерфейсом с формирователем цифровых сигналов. Его недостаткам является относительно большая величина τ≈10 с и существенные ошибки при измерении паров СПГ в их смеси с воздухом при Т<-40°С.
Известен инфракрасный газоанализатор (патент РФ на полезную модель №191610), содержащий цилиндрический корпус, внутри которого расположены электронный блок и коммуникационная плата, а на его поверхности жестко закреплены разъем для подключения внешних цепей и инфракрасный оптический датчик, дополнительную плату управления измерителями наружной и внутренней температуры газа, побудителем его расхода и электропечью, газовый канал, состоящий из коаксиальных внутренней и внешней цилиндрических труб, причем внешняя труба герметично присоединена к цилиндрическому корпусу и на ее выходе размещен пылевой фильтр, а внутренняя труба коаксиально соединена с инфракрасным оптическим датчиком, на ее торце расположен измеритель наружной температуры газа, снаружи нее установлена цилиндрическая электропечь, а внутри нее коаксиально и последовательно расположены пористый металлический наполнитель, аэрозольный фильтр, побудитель расхода анализируемого газа и измеритель его температуры.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является оптический газовый сенсор на основе иммерсионных диодных оптопар (патент на полезную модель, RU 75885 U1 от 27.08.2008, прототип), включающий побудитель расхода анализируемого газа через газовую кювету, отражающие поверхности которой образуют оптическую схему для формирования пучка инфракрасного излучения, его источник в виде иммерсионного светодиода и его фотоприемник в виде иммерсионного фотодиода, связанные гибкой механической связью с корпусом газовой кюветы котировочными элементами, электронный блок питания, управления, стабилизации температуры и передачи сигналов иммерсионных светодиода и фотодиода. Принцип его действия основан на избирательном поглощении ИК излучения от иммерсионного светодиода углеводородами исследуемым газом с концентрацией С в области рабочих длин волн λ≈(3,3-3,4) +/- 0,05 мкм. Амплитуда сигнала фотоприемника U(λ) в зависимости от С изменяется согласно закону Ламберта-Бугера-Бера
где L - оптическая длина поглощения, К(λ) - коэффициент спектрального поглощения газа на заданной рабочей длине λ (Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Наука, 1976. 928 с.).
В многочисленных аналогах светодиод и фотодиод оптического газового сенсора жестко связаны с корпусом газовой кюветы. Это не критично при использовании традиционных светодиодов и фотодиодов с широкими диаграммами направленности, т.к. в этом случае большая часть излучения всегда собирается на фотоприемнике. Однако при узких диаграммах направленности светодиода и фотодиода (≈15°), характерных для диодных оптопар, выполненных с использованием технологии иммерсионной оптики, их положение фиксируется гибкой механической связью с корпусом газовой кюветы котировочными элементами, т.к. направление распространения излучения источника может не совпадать с максимумом диаграммы направленности чувствительности фотоприемника.
90
Иммерсионные светодиоды и фотодиоды по совокупности своих технических характеристик существенно превосходят аналоги. Их сопряжение с иммерсионной оптикой позволило в 3-4 раза повысить эффективность использования излучения в полупроводниковых структурах, а фотодиоды характеризуются диаметром чувствительной площадки до 3,3 мм и, соответственно, большей чувствительностью и точностью. Кроме того, их быстродействие τ≤0,1 с. Иммерсионные диодные оптопары выпускаются фирмой ООО «Иоффе-ЛЕД» (www.mirdog.spb.ru, www.ioffeled.com).
90
Устройство по прототипу позволяет измерять концентрацию углеводородов в зависимости от выбранной модели иммерсионной диодной пары при Т≥-(60-25)°С с быстродействием τ≈0,1 с (ООО «ИоффеЛед», www.ioffeled.com.; Александров С.Е., Гаврилов Г.А., Капралов А.А. и др. Моделирование характеристик оптических газовых сенсоров на основе диодных оптопар среднего ИК-диапазона спектра. Журнал технической физики. 2009. Т. 79. вып. 6. С. 112). Однако данный оптический газовый сенсор не может детектировать или измеряет с существенной ошибкой значения концентрации быстропротекающих выбросов паров СПГ в атмосферу с характерным временем около 0,1 с при Т=-(110-60)°С, поскольку при столь низкой температуре электронный блок с системой стабилизации температуры на основе элементов Пельтье не может осуществлять соответствующую быструю термостабилизацию иммерсионной диодной оптопары.
Определение ошибки измерения концентрации углеводородов при изменении температуры окружающей среды или определение диапазона рабочих температур, при которых эта ошибка не превосходит заданного значения, является непростой задачей. Численное выражение для ошибки чувствительности и точности измерения можно получить путем расчета передаточной функции оптического сенсора. Для этого необходимо иметь аналитические выражения для спектральной характеристики коэффициентов поглощения исследуемого газа К(λ), источника излучения, фотоприемника и их температурные зависимости, что связано с большими техническими трудностями (С.Е. Александров, Г.А. Гаврилов, А.А. Капралов и др. Моделирование характеристик оптических газовых сенсоров на основе диодных оптопар среднего ИК-диапазона спектра. Журнал технической физики. 2009. Т. 79. вып. 6. С. 112.; С.А. Карандышев, Б.А. Матвеев, М.А. Ременный и др. Свойства «иммерсионных» фотодиодов на основе GaInAsSb/GaSbd в интервале температур 20-140°С. Физика и техника полупроводников. 2007. Т. 41. вып. 11. С. 1389).
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является унификация конструкции низкотемпературного инфракрасного анализатора выбросов паров сжиженного природного газа в атмосфере на основе иммерсионных диодных оптопар и расширение его функциональных возможностей при низкой до -110°С температуре смеси паров углеводородов и воздуха.
Раскрытие сущности полезной модели.
90
Техническим результатом заявляемой полезной модели является улучшение технических характеристик низкотемпературного инфракрасного анализатора выбросов паров сжиженного природного газа в атмосфере на основе иммерсионных диодных оптопар путем повышения точности измерения флуктуирующих значений концентрации углеводородов в процессе техногенного или несанкционированного выброса паров СПГ в атмосфере при температуре до -110°С с быстродействием τ≤0,1 с, что необходимо для определения концентрационных пределов взрываемости паров регазифицированного СПГ в их смеси с атмосферным воздухом при столь низкой температуре в случае техногенных аварий.
Для достижения технического результата предложен низкотемпературный инфракрасный анализатор выбросов паров сжиженного природного газа в атмосфере на основе иммерсионных диодных оптопар, включающий побудитель расхода анализируемого газа через газовую кювету, отражающие поверхности которой образуют оптическую схему для формирования пучка инфракрасного излучения, его источник в виде иммерсионного светодиода и его фотоприемник в виде иммерсионного фотодиода, связанные гибкой механической связью с корпусом газовой кюветы котировочными элементами, электронный блок для питания, управления, стабилизации температуры и передачи сигналов, при этом корпус газовой кюветы выполнен с теплоизолирующим покрытием и неразъемно жестко сочленен с цилиндрическим каналом для ввода анализируемого газа в газовую кювету, внутри которого последовательно установлены аэрозольный фильтр, пористый металлический наполнитель и измеритель внутренней температуры анализируемого газа, снаружи его расположены цилиндрическая электропечь и измеритель наружной температуры анализируемого газа, а в электронном блоке установлена плата управления измерителями наружной и внутренней температуры анализируемого газа, побудителем его расхода и цилиндрической электропечью.
90
В результате изготовления корпуса газовой кюветы с теплоизолирующим покрытием и неразъемного жестко сочлененного с ней цилиндрического канала для ввода анализируемого газа в газовую кювету, внутри которого последовательно установлены аэрозольный фильтр, пористый металлический наполнитель и измеритель внутренней температуры анализируемого газа, а снаружи его расположены цилиндрическая электропечь и измеритель наружной температуры анализируемого газа, а также установки в электронном блоке платы управления измерителями наружной и внутренней температуры анализируемого газа, побудителем его расхода и цилиндрической электропечью достигается технический результат заявленной полезной модели, заключающийся в повышении точности измерения флуктуирующих значений концентрации углеводородов в процессе техногенного или несанкционированного выброса паров СПГ в атмосфере при температуре до -110°С с быстродействием τ≤0,1 с, что необходимо для определения концентрационных пределов взрываемости паров регазифицированного СПГ в их смеси с атмосферным воздухом при столь низкой температуре в случае аварий с крупномасштабным выбросом СПГ.
90
Температура СПГ при нормальных условиях хранения составляет около -162°С. В процессе его выброса в атмосферу с распылением и регазификацией жидкости имеет место существенное понижение температуры углеродно-воздушной смеси вплоть до -110°С. Использование иммерсионных диодных оптопар при столь низкой температуре для анализа СПГ затруднительно, поскольку при столь низкой температуре электронный блок с системой стабилизации температуры на основе элементов Пельтье не может осуществлять соответствующую быструю термостабилизацию иммерсионной диодной оптопары. Это приводит к существенной ошибке измерения концентрации С. Поэтому поток анализируемого газа предварительно нагревают электропечью в газовом канале с высокопористым медным наполнителем до положительной температуры. Контроль температуры анализируемого газового потока непрерывно осуществляется ее измерителями снаружи и внутри инфракрасного анализатора паров СПГ в атмосфере. Нагретая до положительной температуры углевородно-воздушная смесь детектируется, как и в прототипе, с помощью быстродействующей иммерсионной диодной оптопары с величиной τ≤0,1 с.
90
Устройство по прототипу позволяет измерять концентрацию углеводородов в зависимости от выбранной модели иммерсионной диодной пары при Т≥-(60-25)°С с быстродействием τ≈0,1 с (ООО «ИоффеЛед», www.ioffeled.com.; Александров С.Е., Гаврилов Г.А., Капралов А.А. и др. Моделирование характеристик оптических газовых сенсоров на основе диодных оптопар среднего ИК-диапазона спектра. Журнал технической физики. 2009. Т. 79. вып. 6. С. 112). Однако данный оптический газовый сенсор не может детектировать или позволяет измерять с существенной неточностью или ошибкой значения концентрации быстропротекающих выбросов паров СПГ в атмосферу с характерным временем около 0,1 с при Т=-(110-60)°С, поскольку при столь низкой температуре электронный блок с системой стабилизации температуры на основе элементов Пельтье не может осуществлять соответствующую быструю термостабилизацию иммерсионной диодной оптопары.
При крупномасштабном выбросе с распыленем и регазификацией СПГ в атмосфере наблюдается существенное понижение температуры до -110°С с образованием белых струй или облаков за счет конденсации паров воды с образованием дисперсных частиц в виде капель и/или твердых частицах льда. Их попадание в газовую кювету приводит к появлению ложных сигналов. Для их исключения исследуемый поток газа фильтруется от дисперсных частиц аэрозольным фильтром, установленным на входе в газовый канал. Это повышает точность измерения концентрации паров. Кроме того, уменьшение влажности воздуха за счет конденсации паров воды и удаления водного аэрозоля, также, приводит к повышению точности анализа за счет исключения поглощения ИК излучения воды в кювете.
-4
-5
Снаружи корпуса газовой кюветы установлена теплоизоляция для уменьшения теплообмена между внешней средой и внутренним объемом газовой кюветы и ее конструктивными элементами. При кратковременных измерениях в течение нескольких минут в качестве теплоизолятора используется порошкообразный материал типа синтетического вспененного каучука с теплопроводностью около 0,002 Вт/(м⋅°С). При более длительном анализе паров СПГ используется экранно-вакуумная теплоизоляция. Создание газовой кюветы с экранно-вакуумной теплоизоляцией позволяет существенно снизить теплообмен анализируемого газа и кюветы с окружающей средой. Экранирование излучения достигается за счет большого числа слоев (до 5-10) тонкой алюминиевой фольги. Слои фольги разделены между собой стеклобумагой. Весь пакет изоляционных экранов помещен в вакуум с давлением не выше (10-10) мм рт.ст. Эффективная теплопроводность экранно-вакуумной теплоизоляции достигает значений 0,003 мВт/(м⋅°С). Ее использование позволяет исключить влияние внешней среды с Т≥-110°С на температуру анализируемого газа +(10-20)°С внутри кюветы, а также на светодиод, фотодиод и электронный блок, что повышает точность измерения величины С.
90
Таким образом, решается поставленная техническая задача заявленного низкотемпературного инфракрасного газоанализатора выбросов паров сжиженного природного газа в атмосфере на основе иммерсионных диодных оптопар, а именно повышения точности измерения флуктуирующих значений концентрации углеводородов в процессе техногенного или несанкционированного выброса паров СПГ в атмосфере при температуре до -110°С с быстродействием τ≤0,1 с.
90
Отметим, что ни многочисленные аналоги, ни прототип не могут детектировать или измеряют с большой неточностью концентрации выбросов паров СПГ в атмосфере при Т≥-110°С с τ≤0,1 с.
Краткое описание чертежей.
На фигуре изображена принципиальная схема заявленного низкотемпературного инфракрасного анализатора выбросов паров сжиженного природного газа в атмосфере на основе иммерсионных диодных оптопар, где:
1 - газовая кювета с теплоизолированным корпусом;
2 - иммерсионный светодиод;
3 - иммерсионный фотодиод;
4 - котировочный элемент фотодиода 3;
5 - котировочный элемент светодиода 2;
6 - электронный блок для питания, управления, стабилизации температуры и передачи сигналов светодиода 2 и фотодиода 3;
7 - разъем для подключения внешних цепей и передачи данных;
8 - теплоизолирующее покрытие корпуса газовой кюветы 1;
9 - измеритель внутренней температуры анализируемого газа;
10 - измеритель наружной температуры анализируемого газа;
11 - аэрозольный фильтр;
12 - пористый металлический наполнитель электропечи 13;
13 - цилиндрическая электропечь;
14 - побудитель расхода анализируемого газа;
15 - цилиндрический канал для ввода анализируемого газа в газовую кювету;
16 - плата управления измерителями температуры 9 и 10, побудителем расхода газа 14 и электропечью 13;
Q - объемный расход потока анализируемого газа.
Осуществление полезной модели.
На фигуре изображена принципиальная схема заявленного низкотемпературного инфракрасного анализатора выбросов паров сжиженного природного газа в атмосфере на основе иммерсионных диодных, включающий побудитель расхода Q анализируемого газа 14 через газовую кювету 1, отражающие поверхности которой образуют оптическую схему для формирования пучка инфракрасного излучения, его источник в виде иммерсионного светодиода 2 и его фотоприемник в виде иммерсионного фотодиода 3, связанные гибкой механической связью с корпусом газовой кюветы котировочными элементами 4 и 5, электронный блок 6 для питания, управления, стабилизации температуры и передачи сигналов. Корпус газовой кюветы 1 выполнен с теплоизолирующим покрытием 8 и неразъемно жестко сочленен с цилиндрическим каналом для ввода анализируемого газа 15 в газовую кювету 1, внутри которого последовательно установлены аэрозольный фильтр 11, пористый металлический наполнитель 12 и измеритель внутренней температуры анализируемого газа 9, снаружи его расположены цилиндрическая электропечь 13 и измеритель наружной температуры анализируемого газа 10, а в электронном блоке 6 установлена плата управления 16 измерителями наружной и внутренней температуры анализируемого газа 9 и 10, побудителем его расхода и цилиндрической электропечью 13. Наполнитель 12 собран из медной стружки пористостью 92-95%. В качестве иммерсионной диодной оптопары используется светодиод 2 и фотодиод 3, выпускаемые ООО «ИоффеЛед» (www.ioffeled.com., патент RU 75885).
Иммерсионные светодиод 2 и фотодиод 3 с узкой диаграммой направленности (угол менее 15°) устанавливаются с газовую кювету 7 с помощью котировочных элементов 4 и 5 для настройки диодной оптопары 2 и 3 на максимальную величину выходного сигнала фотодиода 3. В результате устраняются несоосности оптической схемы и диаграмм направленности излучения светодиода 2 и чувствительности фотодиода 3.
Волокнистый аэрозольный фильтр 11 был изготовлен из полиэстера или стекловолокна с эффективностью улавливания аэрозолей более 99,99%.
3
Оптимальный объемный расход анализируемого газа в зависимости от объема кюветы 1 составляет Q≈40-100 см/с, что обеспечивает более 40 кратный обмен анализируемого газа за секунду в кювете 1, изготовленной из меди или алюминия.
-4
-5
Снаружи корпуса газовой кюветы 1 установлена теплоизоляция 8 для уменьшения теплообмена между внешней средой и внутренним объемом газовой кюветы. При кратковременных измерениях в течение нескольких минут в качестве теплоизолятора используется порошкообразный материал, например, синтетический вспененный каучук с теплопроводностью около 0,002 Вт/(м⋅°С). При более длительном анализе паров СПГ используется экранно-вакуумная теплоизоляция. Создание газовой кюветы 1 с экранно-вакуумной теплоизоляцией 8 позволяет существенно снизить теплообмен анализируемого газа и кюветы с окружающей средой. Экранирование излучения достигается за счет большого числа слоев (до 5-10) тонкой алюминиевой фольги. Слои фольги разделены между собой стеклобумагой. Весь пакет изоляционных экранов помещен в вакуум с давлением не выше (10-10) мм рт.ст. Эффективная теплопроводность экранно-вакуумной теплоизоляции достигает значений около 0,003 мВт/(м⋅°С). Ее использование позволяет практически исключить влияние внешней среды с температурой до -110°С на температуру анализируемого газа +(10-20)°С внутри кюветы 1.
90
Температура СПГ при нормальных условиях хранения составляет около -162°С. В процессе его выброса в атмосферу с распылением и регазификацией жидкости имеет место существенное понижение температуры углеродно-воздушной смеси вплоть до -110°С. Использование иммерсионных диодных оптопар при столь низкой температуре может привести к существенной ошибке измерения концентрации С, поскольку при столь низкой температуре электронный блок с системой стабилизации температуры на основе элементов Пельтье не может осуществлять соответствующую быструю термостабилизацию иммерсионной диодной оптопары. Поэтому поток анализируемого газа перед подачей в газовую кювету предварительно нагревают электропечью 13 в газовом канале с высокопористым медным наполнителем 12 до положительной температуры. Контроль температуры анализируемого газового потока Q непрерывно осуществляется ее измерителями снаружи 10 и внутри 9 инфракрасного анализатора паров. Далее, нагретая до положительной температуры углевородно-воздушная смесь детектируется, как и в прототипе, с помощью быстродействующей иммерсионной диодной оптопары 2 и 3 с величиной τ≤0,1 с. Оптимальный диапазон положительной температуры T≈+(10-20)°С.
90
Устройство по прототипу позволяет измерять концентрацию углеводородов в зависимости от выбранной модели иммерсионной диодной пары при Т≥-(60-25)°С с быстродействием τ≈0,1 с (ООО «ИоффеЛед», www.ioffeled.com; Александров С.Е., Гаврилов Г.А., Капралов А.А. и др. Моделирование характеристик оптических газовых сенсоров на основе диодных оптопар среднего ИК-диапазона спектра. Журнал технической физики. 2009. Т. 79. вып. 6. С. 112). Однако данный оптический газовый сенсор не может детектировать или позволяет измерять с существенной ошибкой значения концентрации быстропротекающих выбросов паров СПГ в атмосферу с характерным временем около 0,1 с при Т=-(110-60)°С, поскольку при столь низкой температуре электронный блок с системой стабилизации температуры на основе элементов Пельтье не может осуществлять соответствующую быструю термостабилизацию иммерсионной диодной оптопары.
Устройство работает следующим образом. Осуществляется юстировка иммерсионной диодной оптопары 2 и 3. Как и в прототипе, юстировка заключается в том, чтобы котировочными элементами 4 и 5 изменить направление излучения светодиода 2 и диаграммы чувствительности фотодиода 3 и достичь их максимального оптического сопряжения, что регистрируется по достижению максимального уровня выходного сигнала фотодиода 3.
При измерении быстроменяющихся концентраций газообразных углеводородов с временным разрешением менее 0,1 с при температуре до -110°С в качестве излучателя и приемника используются иммерсионный светодиод 2 и иммерсионный фотодиод 3 производства ООО «ИоффеЛЕД» (www.ioffeled.com). Оба юстированных полупроводниковых прибора работают на рабочей длине волны λ≈(3,2-3,5) мкм и оснащены системой термостабилизации на основе элементов Пельтье (на фигуре не показана) для стабилизации температуры и терморезистором для определения температуры. Микропроцессор (на фигуре не показан) включает светодиод 2. Через несколько микросекунд, необходимых для стабилизации его ИК излучения, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) микропроцессора считывает уровень сигнала фотодиода 16 раз, для получения усредненного значения светового значения сигнала фотодиода. Далее микропроцессор выключает светодиод и вся процедура повторяется для получения темнового значения сигнала фотодиода. Система стабилизации температуры (на фиг. 1 не показана) в электронном блоке 6 работает независимо от остальной электронной схемы блока 6 и стабилизируют температуру излучателя 2 и фотоприемника 3 на уровне, установленном при настройке Т≈+(10-20)°С. Значения температур излучателя и приемника считываются АЦП микропроцессора для контроля и вместе со значениями светового и темнового сигнала фотодиода 3 передаются по интерфейсу RS-485 в удаленный до 1200 компьютер (на фиг. 1 не показан), где сигналы обрабатываются для получения значения концентрации газообразных углеводородов в пространстве между излучателем и приемником в соответствии с законом Бугера-Ламберта-Бера согласно формуле (1). Для устранения влияния низкой температуры на излучатель 2 и фотоприемника 3 газовая смесь с расходом Q перед подачей в газовую кювету 1 пропускается через газовый канал 15 с ее термостабилизацией на уровне Т≈+(10-20)°С. Быстродействие инфракрасного анализатора составляет менее 0,1 с.
Известно, что при производстве СПГ в зависимости от месторождения природного газа и его состава, а также технологии изготовления концентрация метана в криогенной жидкости может варьироваться от ≈ 89 до 99 об. % (ГОСТ 57431-2017 Газ природный сжиженный. Общие характеристики). В частности, отечественный СПГ для промышленного и коммунально-бытового назначения должен содержать не менее 92 об. % метана, а остальной горючий состав определяется примесями (этан, пропан, бутан и другие несущественные по концентрации алканы). Их содержание не нормируется (ТУ 51-03-03-85 Газ горючий природный сжиженный. Топливо для двигателей внутреннего сгорания). При переводе СПГ в газообразное его состояние соответствует ГОСТ 5542-2014. Газы горючие природные для промышленного и коммунально-бытового назначения. Коэффициент поглощения ИК излучения молекулами этана или пропана, бутана существенно отличается от коэффициента К(Х) для молекул метана. Поэтому для заданного химического состава СПГ инфракрасный газоанализатор предварительно калибруется на метрологическом стенде.
90
В результате изготовления корпуса газовой кюветы 1 с теплоизолирующим покрытием 8 и жесткой механической стыковки с ней цилиндрического канала 75 для ввода анализируемого газа в газовую кювету 1, внутри которого последовательно установлены аэрозольный фильтр 11, пористый металлический наполнитель 12 и измеритель внутренней температуры анализируемого газа 9, а снаружи его расположены цилиндрическая электропечь 13 и измеритель наружной температуры анализируемого газа 10, а также установки в электронном блоке 6 платы управления 16 измерителями наружной и внутренней температуры анализируемого газа, побудителем его расхода и цилиндрической электропечью 13 достигается технический результат заявленной полезной модели, заключающийся в повышении точности измерения флуктуирующих значений концентрации углеводородов в процессе техногенного или несанкционированного выброса паров СПГ в атмосфере при температуре до -110°С с быстродействием τ≤0,1 с, что необходимо для определения концентрационных пределов взрываемости паров регазифицированного СПГ в их смеси с атмосферным воздухом при столь низкой температуре в случае аварий с крупномасштабным выбросом паров СПГ.
Пример.
При измерении быстроменяющихся концентраций газообразных углеводородов с временным разрешением менее 0,1 с при температуре до -110°С в качестве излучателя и приемника использовались светодиод 2 марки LED34T08TEC и фотодиод 3 марки PD34T08TEC производства ООО «ИоффеЛЕД» (www.ioffeled.com.; С.Е. Александров, Г.А. Гаврилов, А.А. Капралов и др. Моделирование характеристик оптических газовых сенсоров на основе диодных оптопар среднего ИК-диапазона спектра. Журнал технической физики. 2009. Т. 79. вып. 6. С. 112). Оба юстированных полупроводниковых прибора работают на рабочей длине волны λ=(3,35-3.4) +/-0,05 мкм и оснащены системой термостабилизации на основе элементов Пельтье для стабилизации температуры и терморезистором для определения температуры. Микропроцессор (на фиг. 1 не показан) включает светодиод 2 за 20 наносекунд. Через несколько микросекунд, необходимых для стабилизации ИК излучения иммерсионного светодиода, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) микропроцессора считывает уровень сигнала фотодиода 16 раз, для получения усредненного значения светового значения сигнала фотодиода. Далее, микропроцессор выключает светодиод и вся процедура повторяется для получения темнового значения сигнала фотодиода. Система стабилизации температуры (на фиг. 1 не показана) в электронном блоке 6 работает независимо от остальной электронной схемы блока 6 и стабилизируют температуру излучателя 2 и фотоприемника 3 на уровне, установленном при настройке Т≈+(10-20)°С. Значения температур излучателя и приемника считываются АЦП микропроцессора для контроля и вместе со значениями светового и темнового сигнала фотодиода 3 передаются по интерфейсу RS-485 в удаленный до 1200 компьютер (на фиг. 1 не показан), где сигналы обрабатываются для получения значения концентрации газообразных углеводородов в пространстве между излучателем и фотоприемником по формуле (1). Газовая смесь с расходом Q перед подачей в газовую кювету 1 пропускается через газовый канал 15 с ее термостабилизацией на уровне +(10-20)°С. Быстродействие инфракрасного анализатора составляло менее 0,1 с.
Волокнистый аэрозольный фильтр 11 был изготовлен из полиэстера с эффективностью улавливания более 99,99% капель воды и/или частиц льда.
Наполнитель 12 был собран из медной стружки с пористостью 94%.
3
3
Объем газовой кюветы был равен 1,1 см. Расход анализируемого газа составлял Q≈50 см/с, что обеспечивало 45 кратный обмен газа в секунду в кювете 1 из меди.
В качестве теплоизоляции 8 газовой кюветы 1 применялся порошкообразный, вспененный каучук с теплопроводностью 0,002 Вт/(м⋅°С).
Разработанный низкотемпературный газоанализатор использовался при анализе выбросов паров СПГ в атмосфере. Его химический состав состоял из основного газа метана 99 об. % с добавками паров других углеводородов (этан, пропан, бутан и др. алканы) около 0,9 об. % с примесями гелия, азота, углекислого газа до 0,1 об. %. Состав СПГ измерялся хроматографом.
4
3
С
90
Крупномасштабные испытания низкотемпературного инфракрасного газоанализатора осуществлялись при распылении в атмосфере СПГ массой около 3 тонн с регазификацией капель жидкости с последующим образованием за 15-25 с облака объемом более 10 м метановоздушной смеси с малыми добавками этана, пропана, бутана и других более тяжелых алканов. Белое облака СПГ отчетливо наблюдалось в атмосфере за счет конденсации паров воды с образованием дисперсных частиц. Инфракрасный анализатор был установлен на мачте в центре облака на высоте 10 м. Измеренная температура уменьшалась со временем от +(15-20) до -(90-110)°С. В результате была измерена кинетика изменения во времени концентрации СПГ в воздухе в диапазоне ≈(3-20) об. % с быстродействием τ≈0,02-0,03 с при температуре углеродно-воздушной смеси около -110°. Измеренные значения С практически совпадали с значениями концентрации метана, так как наличие примесей более тяжелых углеводородов с концентрацией от 0,003 до 0,045 об. % практически не влияло на результаты измерения объемной концентрации СПГ.
Для СПГ известного химического состава с концентрацией основного компонента метана около 94 об. % и примесей этана, пропана, бутана и др. алканов около 6 об. % инфракрасный газоанализатор предварительно калибровался на метрологическом стенде.
90
Это позволяло определять величину С паров СПГ в атмосфере и концентрационные пределы их взрываемости с τ≈0,02-0,03 с при температуре до -110°С с кратностью обмена газа более 40 раз в кювете 1. Ошибки показаний не превышали +/-10%.
90
Таким образом, в результате изготовления корпуса газовой кюветы с теплоизолирующим покрытием и неразъемного жесткого сочленения с ней цилиндрического канала для ввода фильтрованного и нагретого до положительной температуры анализируемого газа в газовую кювету, достигается технический результат заявленной полезной модели, заключающийся в повышении точности измерения флуктуирующих значений концентрации углеводородов в процессе техногенного или несанкционированного выброса паров СПГ в атмосфере при температуре до -110°С с быстродействием τ≤0,1 с. Это необходимо для определения концентрационных пределов взрываемости паров СПГ при столь низкой температуре в случае аварий с крупномасштабным выбросом СПГ.
Сравнение характеристик заявленного низкотемпературного инфракрасного анализатора паров сжиженного природного газа в атмосфере на основе иммерсионных диодных оптопар с прототипом и аналогами показывает, что ни многочисленные аналоги, ни прототип не могут детектировать или позволяют с большой неточностью или ошибкой определять значения концентрации выбросов паров СПГ в атмосфере при температуре до -110°С с быстродействием менее 0,05 с.