АНАЛИЗАТОР СОСТАВА ПРИРОДНОГО ГАЗА

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для проведения качественного и количественного анализа природного газа. Заявляемая модель найдет свое применение в коммерческих системах расхода газа на газоизмерительных и газораспределительных станциях предприятий газовой, нефтяной и химической промышленности.
Поскольку химический состав природного газа на разных месторождениях сильно различается, предприятия, занимающиеся добычей, транспортировкой и переработкой природного газа, нуждаются в высокоточных и надежных приборах газового контроля.
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, Не или Ar) для осуществления газохроматографического разделения, длительное время проведения анализа, а также деградация со временем характеристик основных узлов (детекторов, колонок) и, связанная с этим, необходимость в периодической проверке градуировки прибора.
Наиболее близкой по принципу действия является лазерный анализатор природного газа основанный на методе спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) света. Данный метод лишен недостатков описанных выше: метод не требует дополнительных газов 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 содержащий вогнутую дифракционную решетку, приемный блок, содержащий распределительный элемент и фотодиодные линейки, а также блок управления и ЭВМ. Суть его работы заключается в регистрации спектра комбинационного рассеяния света исследуемой газовой среды и проведении по нему качественного и количественного анализа [свидетельство на полезную модель №10462, 1999 г, G01N 21/25].
Основным недостатком данного лазерного анализатора является низкая достоверность анализа, которая связанна с двумя факторами. Во-первых, по причине использования объектива с малой светосилой (1:6) спектры КР имеют низкую интенсивность (и, как следствие, им присуще низкое соотношение сигнал/шум) что снижает точность определения концентраций. Во-вторых, регистрируемые спектры низкого качества, что обуславливается использованием вогнутой дифракционной решетки в полихроматоре. Последнее обстоятельство также делает невозможным использование светосильного полихроматора, а следовательно, и светосильного объектива для сбора рассеянного излучения. Кроме того, необходимо отметить, что наличие двух фотодиодных линеек, а не одной, усложняет и удорожает конструкцию, а требуемый для этого распределительный блок ослабляет конечный сигнал.
Задачами на решение которых направлено изобретение являются: повышение качества регистрируемых спектров и улучшение соотношения сигнал/шум, а также регистрация сигналов КР всех компонентов природного газа одним детектором.
Технический результат - повышение достоверности газоанализа и упрощение конструкции анализатора.
Указанный результат достигается тем, что в системе содержащей непрерывный лазер с длиной волны 532 нм, фокусирующую линзу, кювету, объектив, голографический фильтр, блок управления и ЭВМ для сбора рассеянного излучения используется объектив со светосилой 1:1.8, а в качестве спектрального прибора используется светосильный полихроматор с плоской дифракционной решеткой на выходе которого стоит многоканальная ПЗС матрица, причем спектральный прибор позволяет одновременно регистрировать спектральный диапазон от 532 нм до 690 нм с обратной линейной дисперсией ~ 80 .
Использование полихроматора с плоской дифракционной решеткой, по сравнению с вогнутой решеткой, снимает ограничение на его низкую светосилу без значительной потери качества спектра. Следовательно, становится возможным и применение одиночного светосильного объектива для сбора рассеянного света, итогом чего будет увеличение интенсивности регистрируемых спектров КР, и как следствие, соотношения сигнал/шум.
Использование полихроматора, на выходе которого стоит ПЗС матрица, способного направлять на ее чувствительные элементы разложенный в спектр свет в диапазоне от 532 нм до 690 нм обеспечивает одновременную регистрацию спектральных полос КР всех компонентов природного газа, позволяет без ослабления сигнала передавать свет на ПЗС матрицу, а также упрощает конструкцию всего прибора. Обратная линейная дисперсия ~ 80, которой обладает данный полихроматор, дает возможность использовать в составе анализатора коммерчески доступные ПЗС матрицы, а также обеспечивает высокое разрешение регистрируемых спектров и, следовательно, облегчает задачу качественного анализа исследуемых газовых сред.
На фиг.1 приведена блок-схема предлагаемой системы.
Анализатор содержит твердотельный лазер 1 с длиной волны 532 нм работающий в непрерывном режиме, фокусирующую линзу 2, газовую кювету 3, объектив для сбора рассеянного излучения 4 со светосилой 1:1.8, гол о граф и чес кий фильтр 5, полихроматор 6, ПЗС матрицу 7, блок управления 8 и ЭВМ 9.
Предлагаемый анализатор природного газа работает следующим образом. Возбуждающее излучение от лазера 1 фокусируется линзой 2 в центре газовой кюветы 3 внутри которой оно рассеивается на молекулах газа. Рассеянное излучение собирается объективом 4 со светосилой 1:1,8 и направляется на вход светосильного полихроматора 6, при этом проходя через голографический фильтр 5, роль которого ослабить интенсивность упругого рассеяния света на частоте возбуждающего излучения (так называемое рэлеевское рассеяние). Полихроматор 6 разлагает попавший в него свет в спектр, который далее регистрируется ПЗС матрицей 7. Последняя передает электрические сигналы в блок управления 8, откуда они направляются на ЭВМ 9 для проведения математической обработки, вычисления концентраций компонентов и визуализации результатов.
Предлагаемая модель анализатора характеризуется высокой достоверностью анализа, обусловленная регистрацией спектров КР природного газа с высоким соотношением сигнал/шум и высоким качеством. Кроме того, отличительной чертой данной модели является одновременная регистрация сигналов КР всех компонентов природного газа одним детектором.