УСТРОЙСТВО ДЛЯ АНАЛИЗА СОДЕРЖАНИЯ АЭРОЗОЛЕЙ И ПАРОВ УГЛЕВОДОРОДОВ ПРИ ВЫБРОСЕ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА В АТМОСФЕРУ

Область техники
Полезная модель относится к области инфракрасной измерительной техники, а именно к устройствам, предназначенным для одновременного анализа аэрозолей и паров углеводородов при выбросе сжиженного природного газа (СПГ) в атмосферу, и может быть использована для экспресс мониторинга пожароопасных смесей воздуха с аэрозолями и парами углеводородов на объектах хранения и переработки СПГ.
Уровень техники
Известно фотоэлектрическое устройство для измерения концентрации и размеров облачных капель (авторское свидетельство СССР, №172094), включающее заборную трубку для отбора капель, ориентированную навстречу анализируемому потоку воздуха, источник света, щель, объектив, центральная часть которого закрыта диафрагмой, линзу для сбора света, рассеянного частицами на фотоэлектронный умножитель. Его недостатком является невозможность одновременного анализа аэрозолей и паров СПГ при его выбросе в атмосферу.
Известно устройство для измерения запыленности воздушного потока (патент РФ за полезную модель №38837), включающее канал для отсоса воздуха с фильтром на входе в него, побудитель аспирации анализируемого воздуха центробежным вентилятором, датчик его расхода и измерительный блок газодинамического сопротивления фильтра. Устройство предварительно тарируется в зависимости от аэродинамического сопротивления фильтра. Его недостатком является невозможность одновременного анализа содержания аэрозолей и паров СПГ в атмосфере.
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). Недостатком устройства является невозможность одновременного анализа аэрозолей и паров СПГ в атмосфере.
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, внутренний измеритель температуры газов, пылевой фильтр на входе в газовый канал, на выходе из которого установлен побудитель расхода газа, и электронный модуль, включающий платы питания, интерфейса и внешней коммутации для питания и управления. Его недостатком является большое время быстродействия ≥15-30 с и невозможность одновременного анализа аэрозолей и паров СПГ в атмосфере.
Известен инфракрасный оптический газоанализатор (патент РФ на изобретение, №2187093) для измерения объемной концентрации метана и других газообразных углеводородов, включающий инфракрасный оптический датчик, содержащий корпус с отверстиями для входа и выхода анализируемого газа, инфракрасный светодиод, интерференционные фильтры для выделения опорной и рабочих длин волн инфракрасного излучения, расположенную по ходу инфракрасного излучения светодиода измерительную газовую кювету, установленные за ней 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 недостатком являются большая величина быстродействия около 10 с и невозможность одновременного анализа аэрозолей и паров углеводородов при выбросе СПГ в атмосферу.
Известно устройство для измерения содержания газов и пыли в воздухе (патент РФ на полезную модель №182124), содержащее емкостную ячейку с двумя электродами, соединенными с измерительной аппаратурой, выполненными газопроницаемыми с расположенным между ними фильтрующим элементом, при этом один из электродов имеет форму катушки с отверстиями и внутренней газовой камерой, внутри которой размещен газовый сенсор, соединенный с измерительной аппаратурой, а второй электрод выполнен в виде сетки, установленной снаружи катушки. Его недостатком является большое время быстродействия около 1 с, забивка фильтрующего элемента фильтратом, необходимость его периодической замены и дрейф начальной емкости из-за забивки фильтра фильтратом.
Известен инфракрасный оптический газоанализатор (патент РФ на полезную модель №191610), содержащий цилиндрический корпус, внутри которого расположены электронный блок и плата внешней коммуникации, а на его поверхности установлен разъем для подключения внешних цепей и инфракрасный оптический датчик с отверстиями для входа и выхода анализируемого газа, 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 и герметично 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 через отверстия для его входа и выхода в инфракрасном оптическом датчике и измеритель его внутренней температуры, дополнительную плату управления измерителями наружной и внутренней температуры анализируемого газа, побудителем его расхода и цилиндрической электропечью, установленную внутри цилиндрического корпуса. Его недостатком является невозможность одновременного анализа содержания паров и аэрозолей СПГ в атмосфере.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство для анализа содержания аэрозолей и паров углеводородов при выбросе топливных жидкостей в атмосферу (патент РФ на полезную модель, №207645), содержащее блок его подвески, два параллельных и скрепленных прямоугольных швеллера с входными прямоугольными отверстиями для одновременного конвективного течения потока аэрозолей и паров углеводородов через измерительные каналы их анализа, два полупроводниковых лазера и два фотодиода с оптическими линзами и с защитными от аэрозолей цилиндрическими трубками, установленные соосно на внутренней поверхности прямоугольных швеллеров, электронный блок, сепаратор грубодисперсных капель, установленный перед прямоугольным отверстием для течения потока аэрозолей и паров углеводородов, и состоящий из прямоугольного канала постоянного сечения с расположенным в нем пористым цилиндром с поперечным обтеканием потоком аэрозолей и паров углеводородов, инфракрасный оптический газоанализатор с аэрозольным металлическим фильтром, установленные внутри прямоугольного швеллера на выходе из измерительного канала для анализа потока аэрозолей и паров углеводородов и соединенные с побудителем его расхода, причем побудитель расхода воздуха с аэрозолями и парами углеводородов через инфракрасный оптический газоанализатор с аэрозольным фильтром установлен на внутренней поверхности прямоугольного швеллера и его патрубок выхода фильтрованного воздуха соединен с двумя газопроводами фильтрованного воздуха к защитным от аэрозолей цилиндрическим трубкам двух полупроводниковых лазеров и двух фотодиодов с оптическими линзами для их обдува фильтрованным воздухом.
0
0
1
2
2
0.5
Устройство по прототипу предназначено для анализа содержания аэрозолей в выбросах топливных жидкостей в атмосферу с быстродействием менее τ≤0,01 с путем измерения оптической плотности D=lg(I/I) и поверхностной концентрации S=π<d>n мелких и грубодисперсных капель, где I и I - интенсивность лазерного излучения без и в присутствии аэрозолей, n и <d> - их счетная концентрация и среднеквадратичный диаметр. Одновременно, измеряется содержание паров углеводородов инфракрасным оптическим газоанализатором с сенсором MIPEX с быстродействием τ≈1 с согласно патенту РФ на изобретение №2187093 и патенту РФ на полезную модель №191610. Для устранения осаждения аэрозольных частиц за счет инерции, зацепления и турбулентной диффузии на поверхность оптических линз с их загрязнением дисперсным осадком при анализе высококонцентрированных аэрозолей используется обдув поверхности оптических линз воздухом из выходного патрубка фильтрованного воздуха инфракрасного оптического газоанализатора.
1
1
1
Недостатком устройства по прототипу является относительно большое время быстродействия τ≈1 с инфракрасного оптического газоанализатора с инфракрасным оптическим датчиком MIPEX для анализа содержания паров углеводородов топливных жидкостей. Значение времени τ существенно отличается от времени быстродействия анализа содержания аэрозолей τ≤0,01 с. В результате для быстроиспаряющихся топливных жидкостей имеет место неточность одновременного анализа содержания аэрозолей и паров углеводородов СПГ, так как отношение времен их быстродействия τ/τ>100, и возникает существенная ошибка при сопоставлении данных одновременного измерения содержания аэрозолей и паров углеводородов быстроиспаряющейся топливной жидкости типа СПГ с температурой кипения 111 К при его выбросе в атмосферу, начальная температура которой существенно выше температуры кипения капель СПГ.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является унификация конструкции устройства для анализа содержания аэрозолей и паров углеводородов при выбросе сжиженного природного газа в атмосферу.
Раскрытие сущности полезной модели
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение точности результатов анализа содержания аэрозолей и паров углеводородов при выбросе сжиженного природного газа в атмосферу за счет уменьшения времени быстродействия инфракрасного оптического газоанализатора.
Для достижения технического результата предложено устройство для анализа содержания аэрозолей и паров углеводородов при выбросе сжиженного природного газа в атмосферу, содержащее блок его подвески, два параллельных и скрепленных прямоугольных швеллера с входными прямоугольными отверстиями для одновременного течения потока аэрозолей и паров углеводородов через измерительные каналы, два полупроводниковых лазера и два фотодиода с оптическими линзами и с защитными от аэрозолей цилиндрическими трубками, установленные соосно на внутренней поверхности прямоугольных швеллеров, электронный блок питания и управления, сепаратор грубодисперсных капель, установленный перед прямоугольным отверстием для течения потока аэрозолей и паров углеводородов и состоящий из прямоугольного канала постоянного сечения с расположенным в нем пористым цилиндром с поперечным обтеканием потоком аэрозолей и паров углеводородов, инфракрасный оптический газоанализатор, установленный внутри прямоугольного швеллера на выходе из измерительного канала для ввода паров углеводородов, содержащего аэрозольный металлический фильтр и состыкованного с измерительным каналом для анализа потока аэрозолей и паров углеводородов, побудитель расхода потока аэрозолей и паров углеводородов, расположенный на внутренней поверхности прямоугольного швеллера с патрубком выхода фильтрованного воздуха, соединенным двумя газопроводами фильтрованного воздуха с защитными от аэрозолей цилиндрическими трубками двух полупроводниковых лазеров и двух фотодиодов с оптическими линзами для их обдува фильтрованным воздухом, при этоминфракрасный оптический газоанализатор включает соединённый с электронным блоком питания и управления инфракрасный оптический датчик, в котором установлена измерительная газовая кювета, отражающие поверхности которой образуют оптическую схему для формирования пучка инфракрасного излучения, причем источник инфракрасного излучения выполнен в виде иммерсионного светодиода, а приемник - в виде иммерсионного фотодиода, положение которых в корпусе измерительной газовой кюветы фиксируется гибкоймеханической связью с юстировочными элементами, измерительная газовая кювета состыкована с цилиндрическим каналом для ввода паров углеводородов и имеет выходной газовый патрубок, соединенный с побудителем потока аэрозолей и паров углеводородов через основной газопровод фильтрованного воздуха, в цилиндрическом канале установлен детектор внутренней температуры потока аэрозолей и паров углеводородов, при этом измерительная газовая кювета и цилиндрический канал оснащены теплоизолирующим покрытием.
В результате использования инфракрасного оптического датчика с измерительной газовой кюветой, отражающие поверхности которой образуют оптическую схему для формирования пучка инфракрасного излучения и установки его источника в виде иммерсионного светодиода, регистрации его излучения фотоприемником в виде иммерсионного фотодиода, создания их гибкой механической связи котировочными элементами с корпусом измерительной газовой кюветы, выполненной с теплоизолирующим покрытием и состыкованной с цилиндрическим каналом с теплоизолирующим покрытием для ввода потока паров углеводородов в измерительную газовую кювету с выходным газовым патрубком, соединенным с побудителем потока аэрозолей и паров углеводородов через основной газопровод фильтрованного воздуха из инфракрасного оптического газоанализатора, достигается технический результат заявленной полезной модели, а именно: повышение точности результатов анализа содержания аэрозолей и паров углеводородов при выбросе сжиженного природного газа в атмосферу за счет уменьшения времени быстродействия инфракрасного оптического газоанализатора.
Используемые для достижения технического результата иммерсионные светодиоды и иммерсионные фотодиоды выпускаются промышленно, а их характеристики исследованы (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).
1
1
Установлено, что в заявляемой полезной модели диодная оптопара с иммерсионным светодиодом марки LED34T08TEC и иммерсионным фототодиодом марки PD34T08TEC с рабочей длиной волны инфракрасного излучения 3,4+/-0,05 мкм и с гибкой механической связью котировочными элементами в измерительной газовой кювете с теплоизолирующим покрытием для регистрация паров углеводородов СПГ характеризуется временем быстродействия τ<0,03 с. Это значение существенно меньше величины быстродействия τ≈1 с инфракрасных оптических датчиков типа MIPEX, использованных в прототипе.
При крупномасштабном выбросе СПГ в атмосферу возможно существенное локальное понижение ее температуры с образованием капель воды и СПГ, твердых частиц льда за счет конденсации пересыщенных паров воды. Их попадание в измерительную газовую кювету приводит к появлению ложных сигналов. Для их исключения исследуемый поток аэрозолей и паров углеводородов СПГ фильтруется от частиц льда, капель воды и СПГ аэрозольным металлическим фильтром, установленным в цилиндрическом канале с теплоизолирующим покрытием, причем за счет теплообмена с его пористой металлической структурой происходит нагрев потока паров углеводородов и предотвращается внутренний термический удар на измерительную газовую кюветы с теплоизолирующим покрытием и на иммерсионный светодиод и иммерсионный фотодиод с рабочей температурой от 235 до 325 Кис системой их термостабилизации на основе элементов Пельтье и терморезистором для измерения температуры (ООО «ИоффеЛед», www.ioffeled.com.).
Снаружи корпуса измерительной газовой кюветы и цилиндрического канала с аэрозольным металлическим фильтром установлено теплоизолирующее покрытие для уменьшения теплообмена между внешней средой и внутренним объемом газовой кюветы и ее конструктивными элементами. В качестве теплоизолятора используется порошкообразный материал типа синтетического вспененного каучука. Его использование позволяет существенно уменьшить быстрое термическое влияние потока криогенных, кипящих аэрозолей и низкотемпературных паров углеводородов СПГ на цилиндрический канал с теплоизолирующим покрытием, корпус измерительной газовой кюветы теплоизолирующим покрытием и на котировочные элементы иммерсионного светодиода и иммерсионного фотодиода.
В приведенных аналогах и в прототипе в ИК газоанализаторах используются жестко связанные с корпусом измерительной газовой кюветы светодиоды и фотодиоды с широкими диаграммами направленности инфракрасного излучения. Это не критично, так как его большая часть собирается на фотоприемнике. Однако, при узких диаграммах направленности излучения (угол ≤15-25°) светодиода и диаграммы чувствительности его приема фотодиодом, характерных для иммерсионных светодиода и фотодиода, их положение фиксируется гибкой механической связью с корпусом измерительной газовой кюветы котировочными элементами, так как направление распространения излучения источника может не совпадать с максимумом диаграммы направленности чувствительности фотоприемника. Поэтому, иммерсионный светодиод и иммерсионный фотодиод устанавливаются в измерительную газовую кювету с помощью котировочных элементов для настройки иммерсионной диодной оптопары на максимальную величину выходного сигнала иммерсионного фотодиода. В результате устраняется несоосность оптической схемы и диаграмм направленности излучения иммерсионного светодиода и чувствительности иммерсионного фотодиода.
Как и в прототипе в результате установки побудителя расхода воздуха с аэрозолями и парами углеводородов через инфракрасный оптический газоанализатор с аэрозольным металлическим фильтром на внутренней поверхности прямоугольного швеллера и соединения его патрубка выхода фильтрованного воздуха с двумя газопроводами фильтрованного воздуха к защитными от аэрозолей четырем цилиндрическим трубкам двух полупроводниковых лазеров и двух фотодиодов с оптическими линзами для их обдува фильтрованным воздухом достигается уменьшение стохастического фона измерительных каналов для анализа аэрозолей, обусловленного загрязнением оптических линз дисперсным осадком, вследствие осаждения на их поверхность аэрозольных частиц за счет инерции, зацепления и турбулентной диффузии при длительном анализе высококонцентрированных выбросов аэрозолей, что позволяет осуществлять анализ с меньшей ошибкой измерения их оптической плотности и концентрации, а также одновременно, анализировать содержание паров углеводородов сжиженного природного газа инфракрасным оптическим газоанализатором с инфракрасным оптическим датчиком, включающим иммерсионный светодиод и иммерсионный фотодиод, связанные гибкой механической связью котировочными элементами с корпусом измерительной газовой кюветы.
1
Таким образом, достигается технический результат заявляемого устройства для анализа содержания аэрозолей и паров углеводородов при выбросе сжиженного природного газа в атмосферу путем уменьшения времени быстродействия до величины τ<0,03 с инфракрасного оптического газоанализатора для повышения временной точности одновременного анализа содержания аэрозолей и паров углеводородов при выбросе кипящих и быстроиспаряющихся капель сжиженного природного газа в атмосферу.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 изображена принципиальная схема заявленного устройства для анализа содержания аэрозолей и паров при выбросе сжиженного природного газа в атмосферу.
На фиг. 2 показана схема его фотодиодов с защитными от попадания аэрозолей цилиндрическим трубками с оптическими линзами и с обдувом их поверхности потоком фильтрованного воздуха.
На фиг. 3 приведена принципиальная схема инфракрасного оптического датчика, состыкованного с цилиндрическим каналом с теплоизолирующим покрытием и с аэрозольным металлическим фильтром инфракрасного оптического газоанализатора.
Устройство на фиг. 1 содержит следующие основные элементы:
1 и 2 - два одинаковых параллельных и скрепленных между собой прямоугольных швеллера;
3 и 4 - прямоугольные входные и одинаковые отверстия на поверхности швеллеров 1 и 2;
5 - блок подвески устройства;
6 и 7 - два параллельных полупроводниковых лазера с оптическими линзами и защитными от попадания аэрозолей цилиндрическими трубками;
8 и 9 - два параллельных фотодиода с оптическими линзами и защитными от попадания аэрозолей цилиндрическими трубками для регистрации излучения двух полупроводниковых лазером 6 и 7;
10 - электронный блок питания, управления и передачи сигналов измерительных каналов 13 и 14, а также инфракрасного оптического газоанализатора 15;
11 - прямоугольный канал сепаратора грубодисперсных аэрозолей;
12 - пористый цилиндр в канале 11 с поперечным обтеканием потоком аэрозолей и паров углеводородов;
13 - измерительный канал для анализа аэрозолей углеводородов с инерционным сепаратором грубодисперсных аэрозолей;
14 - измерительный канал для анализа аэрозолей и паров углеводородов с инфракрасным оптическим газоанализатором 15;
15 - инфракрасный оптический газоанализатор;
16 - аэрозольный металлический фильтр инфракрасного оптического газоанализатора 15;
17 - побудитель потока воздуха с аэрозолями и парами углеводородов сжиженного природного газа через аэрозольный металлический фильтр 16 инфракрасного оптического газоанализатора 15;
18 и 19 - защитные от аэрозолей цилиндрические трубки полупроводниковых лазеров 6 и 7 с обдувом их оптических линз фильтрованным воздухом;
20 и 21 - защитные от аэрозолей цилиндрические трубки фотодиодов 8 и 9 с обдувом их оптических линз фильтрованным воздухом;
22 - основной газопровод фильтрованного воздуха из инфракрасного оптического газоанализатора 15 в побудитель его потока 17;
2
23 - газопровод фильтрованного воздуха с расходом 2Q в защитные от аэрозолей цилиндрические трубки 18 и 20;
2
24 - газопровод фильтрованного воздуха с расходом 2Q в защитные от аэрозолей цилиндрические трубки 19 и 21;
25 - патрубок выхода фильтрованного воздуха, соединенный с газопроводами 23 и 24;
26 - цилиндрический канал с теплоизолирующим покрытием снаружи и с аэрозольным металлическим фильтром 16 внутри;
27 - инфракрасный оптический датчик инфракрасного оптического газоанализатора 15;
28 - выходной газовый патрубок измерительной газовой кюветы инфракрасного оптического датчика 27;
1
Q - объемный расход потока воздуха с аэрозолями и парами углеводородов сжиженного природного газа через аэрозольный металлический фильтр 16 инфракрасного оптического газоанализатора 15;
Принципиальная схема фотодиодов 8 и 9 с защитными от попадания аэрозолей цилиндрическими турками с оптическими линзами и с обдувом их поверхности потоком фильтрованным воздухом приведена на фиг. 2, где:
2
29 - патрубок подачи потока фильтрованного воздуха с расходом Q внутрь защитной от аэрозолей цилиндрической трубки 20;
30 - оптическая линза, обдуваемая потоком фильтрованного воздуха;
2
1
Q=Q/4 - объемный расход потока фильтрованного воздуха внутрь защитной от аэрозолей цилиндрической трубки 20.
Принципиальная схема инфракрасного оптического датчика 27, состыкованного с цилиндрическим каналом 28 с защитным теплоизолирующим покрытием и с аэрозольным металлическим фильтром 16 инфракрасного оптического газоанализатора 15, приведена на фиг. 3, где:
27 - инфракрасный оптический датчик;
28 - выходной газовый патрубок измерительной газовой кюветы 31;
31 - измерительная газовая кювета с внешним теплоизолирующим покрытием 32 инфракрасного оптического датчика 27;
32 - теплоизолирующее покрытие измерительной газовой кюветы 31;
33 - измеритель наружной температуры аэрозолей и паров углеводородов;
34 - измеритель внутренней температуры потока паров углеводородов;
35 - иммерсионный светодиод;
36 - иммерсионный фотодиод;
37 - котировочный элемент иммерсионного светодиода 35;
38 - котировочный элемент иммерсионного фотодиода 36;
39 - разъем для подключения внешних цепей, питания и передачи данных, электрически соединенный с электронным блоком 10;
40 - плата управления термостабилизацией иммерсионного светодиода 35 и иммерсионного фотодиода 36.
Осуществление полезной модели
На фиг. 1 изображена принципиальная схема заявленного устройства для анализа содержания аэрозолей и паров углеводородов при выбросе сжиженного природного газа в атмосферу.
Устройство содержит блок подвески 5 на тросе или мачте, два одинаковых и соединенных прямоугольных швеллера 1 и 2 из металла с прямоугольными входными и одинаковыми отверстиями 3 и 4 длиной L для одновременного течения двух потоков аэрозолей и паров углеводородов СПГ через два измерительных канала 13 и 14, состоящие из соосно расположенных двух полупроводниковых лазеров 6 и 7 с оптическими линзами и двух фотодиодов 8 и 9 с оптическими линзами для регистрации их излучения, электронный блок 10 для питания и управления измерительными каналами 13 и 14, а также инфракрасного оптического анализатора 15 с системой оцифровывания и передачи их сигналов к удаленному компьютеру с использованием витой пары. Перед входным отверстием 4 измерительного канала аэрозолей 13 установлен инерционный сепаратор грубодисперсных аэрозолей, состоящий из прямоугольного канала 11 и установленного в нем пористого цилиндра 12 диаметром D(ц) с поперечным обтеканием потоком аэрозолей и паров углеводородов с инерционным улавливанием грубодисперсных капель. В измерительном канале 14 на выходе потока воздуха, аэрозолей и паров углеводородов по его центру закреплен внутри на поверхности швеллера 2 оптический инфракрасный газоанализатор 15 с инфракрасным оптическом датчиком 27, с которым состыкован цилиндрический канал 26 с теплоизолирующим покрытием 32 (фиг. 3) и с аэрозольным металлическим фильтром 16.
1
Для обдува оптических линз (линза 30 на фиг. 2) потоком фильтрованного воздуха инфракрасный оптический газоанализатор 15 соединен через выходной газовый патрубок 28 измерительной газовой кюветы 31 с теплозолирующими покрытием 32 (фиг. 3) основным газопроводом фильтрованного воздуха 22 с побудителем 17 потока фильтрованного воздуха с расходом Q, который установлен на внутренней поверхности прямоугольного швеллера 2.
Оптические линзы (например, оптическая линза 30 на фиг. 2) защищены от попадания аэрозолей на их поверхность путем их непрерывного обдува потоком фильтрованного воздуха, подаваемого в защитные от аэрозолей цилиндрические трубки 18 и 19 полупроводниковых лазеров 6 и 7, а также в защитные от аэрозолей цилиндрические трубки 20 и 21 фотодиодов 8 и 9. Конструкции и характеристики оптических линз, защитных от аэрозолей цилиндрических трубок 18-21 и патрубки их подачи фильтрованного воздуха для обдува оптических линз идентичны.
1
2
1
Газопровод 23 соединен с защитными от попадания аэрозолей трубками 18 и 20, а газопровод 24 соединен с защитными от попадания аэрозолей трубками 19 и 21. Фильтрованный воздух с расходом Q=4Q поступает в газопроводы 23 и 24 от его патрубка выхода фильтрованного воздуха 25 побудителя 17 через аэрозольный фильтр 16 газоанализатора 15 по газопроводу 22. В каждую защитную от аэрозолей цилиндрическую трубку 18-21 подается поток фильтрованного воздуха с расходом Q по газопроводам 23 и 24 через патрубки его подачи. Например, в защитную от аэрозолей цилиндрическую трубку 20 фотодиода 8 фильтрованный поток воздуха поступает через патрубок его подачи 29 на фиг. 2.
Контроль наружной температуры аэрозолей и паров углеводородов в атмосфере осуществляется измерителем 33, а внутренней в измерительной газовой кювете - измерителем 34, установленном в цилиндрическом канале 27 после аэрозольного металлического фильтра 16 (фиг. 3).
Электронный блок 10 для питания, управления и передачи сигналов измерительных каналов 13 и 14, а также инфракрасного оптического газоанализатора 15 соединен электрически через разъем 39 с измерительной газовой кюветой 31 инфракрасного оптического датчика 27.
Электронный блок 10 включает с усилителем сигналов, стабилизатором питания, управляющим микропроцессором, коммуникационной платой с устройством внешней коммутации, стабилизированного питания, управляющим микропроцессором и интерфейсом с формирователем цифровых сигналов, измерителями внутренней и внешней температуры потока аэрозолей и паров углеводородов, побудителем его расхода и цилиндрической электропечью (на фиг. 1 не показаны).
2
Пористый цилиндр 12 предназначен для инерционного улавливания аэрозолей и одновременного впитывания пленки жидкого фильтрата капельного аэрозоля внутрь пористой структуры с целью устранения возможного срыва жидкости с поверхности цилиндра и ее дробления воздушным потоком с образованием вторичных капель. При обтекании цилиндра траектории движения капель за счет их инерции отклоняются от линий тока и осаждаются на его поверхность. Для сравнительно крупных капель их траектории близки к прямолинейным и эффективность захвата Е≈100%. Основным параметром, определяющим инерционное осаждение более мелких капель, является число Стокса Stk=τ(р)U/D(ц), где τ(р)≈ρd/18η - время релаксации капли диаметром d<150 мкм для которой сила сопротивления среды определяется формулой Стокса, U - скорость смеси воздуха, аэрозолей и паров углеводородов вдали от цилиндра, ρ - плотность частицы, η - динамическая вязкость воздуха (Райст 77. Аэрозоли, введение в теорию. Москва. Мир. 280 С. 1987).
0
0
0
3
2
3
1/3
Согласно теории рассеивания электромагнитной волны и закону Ламберта-Бугера-Беера ослабление излучения в дисперсных средах можно рассчитывать по формуле I=Iexp(-KL), где К - объемный коэффициент ослабления (Райст 77. Аэрозоли, введение в теорию. Москва. Мир. 280 С. 1987). Выраженное через поверхностную S или массовую М концентрацию капель ослабление излучения I=I exp(-SL/4). Величина S=9,2 D/L, а М=Sρd*/6, где d*=<d>/<d> и <d> - средний массовый диаметр капель (А.В. Загнитько, Н.П. Зарецкий, Каникевич, И.Д. Мацуков, Д.Ю. Федин, Быстродействующий лазерный анализатор мелких и крупных капель в аэрозольном потоке, журнал РФ «Приборы и техника эксперимента», 2019, №5, с. 150). Величины I и I от полупроводниковых лазеров 6 и 7 регистрируются фотодиодами 8 и 9 в измерительных каналах 13 и 14.
Установленные для достижения технического результата иммерсионные светодиоды и иммерсионные фотодиоды выпускаются промышленно, а их характеристики детально исследованы (ООО «ИоффеЛед», www.ioffeled.com.; Александров С.Е., Гавршов 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).
1
1
Установлено, что в заявляемой полезной модели диодная оптопара с иммерсионным светодиодом 35 марки LED34T08TEC и иммерсионным фототодиодом 36 марки PD34T08TEC с рабочей длиной волны инфракрасного излучения 3,4+/-0,05 мкм и с гибкой механической связью котировочными элементами 37 и 38 в измерительной газовой кювете 31 с теплоизолирующим покрытием 32 для регистрация паров углеводородов СПГ характеризуется временем быстродействия τ<0,03 с (фиг. 3). Это значение существенно меньше величины быстродействия τ≈1 с инфракрасных оптических датчиков типа MIPEX, использованных в прототипе.
При крупномасштабном выбросе СПГ в атмосфере возможно существенное понижение температуры с капель воды и СПГ, твердых частиц льда за счет конденсации пересыщенных паров воды. Их попадание в измерительную газовую кювету приводит к появлению ложных сигналов. Для их исключения исследуемый поток аэрозолей и паров углеводородов СПГ фильтруется от частиц льда, капель воды и СПГ аэрозольным металлическим фильтром 16, установленным в цилиндрическом канале 26 с теплоизолирующим покрытием 32, причем за счет теплообмена с его пористой металлической структурой происходит нагрев потока паров углеводородов и предотвращается внутренний термический удар на измерительную газовую кюветы 31, иммерсионный светодиод 35 и иммерсионный фотодиод 36 с рабочей температурой от 235 до 325 Кис системой их термостабилизации на основе элементов Пельтье 40 и терморезистором для измерения температуры (на фиг. 1-3 не показан) с котировочными элементами 37 и 38 (ООО «ИоффеЛед», www.ioffeled.com.)
Снаружи корпуса измерительной газовой кюветы 31 и цилиндрического канала 26 с аэрозольным металлическим фильтром 16 установлено теплоизолирующее покрытие 32 для уменьшения теплообмена между внешней средой и внутренним объемом измерительной газовой кюветы 31 и ее конструктивными элементами. В качестве теплоизолятора используется порошкообразный материал типа синтетического вспененного каучука. Его использование позволяет существенно уменьшить быстрое термическое влияние потока криогенных, кипящих аэрозолей и низкотемпературных паров углеводородов СПГ на цилиндрический канал 26, корпус измерительной газовой кюветы 31, котировочные элементы 37 и 38 иммерсионного светодиода 35 и иммерсионного фотодиода 36.
В приведенных аналогах и в прототипе в ИК газоанализаторах используются жестко связанные с корпусом измерительной газовой кюветы светодиоды и фотодиоды с широкими диаграммами направленности инфракрасного излучения и его регистрации. Это не критично, так как его большая часть собирается на фотоприемнике. Однако, при узких диаграммах направленности излучения (угол ≤15-25°) светодиода и диаграммы чувствительности его приема фотодиодом, характерных для иммерсионных светодиода и фотодиода, их положение фиксируется гибкой механической связью с корпусом измерительной газовой кюветы котировочными элементами, так как направление распространения излучения источника может не совпадать с максимумом диаграммы направленности чувствительности фотоприемника. Поэтому, иммерсионный светодиод 35 и иммерсионный фотодиод 36 устанавливаются в измерительную газовую кювету с помощью котировочных элементов 37 и 38 для настройки иммерсионной диодной оптопары на максимальную величину выходного сигнала иммерсионного фотодиода. В результате устраняется несоосность оптической схемы и диаграмм направленности излучения иммерсионного светодиода 35 и чувствительности иммерсионного фотодиода 36.
Как и в прототипе в результате установки побудителя 17 расхода воздуха с аэрозолями и парами углеводородов через инфракрасный оптический газоанализатор 15 с аэрозольным металлическим фильтром 16 на внутренней поверхности прямоугольного швеллера и соединения его патрубка выхода фильтрованного воздуха с двумя газопроводами фильтрованного воздуха к защитными от аэрозолей четырем цилиндрическим трубкам 15-27 двух полупроводниковых лазеров 6 и 7 и двух фотодиодов 8 и 9 с оптическими линзами 30 (фиг. 2) для их обдува фильтрованным воздухом достигается уменьшение стохастического фона измерительных каналов 13 и 14 для анализа аэрозолей и паров углеводородов, обусловленного загрязнением оптических линз дисперсным осадком, вследствие осаждения на их поверхность аэрозольных частиц за счет инерции, зацепления и турбулентной диффузии при длительном анализе высококонцентрированных выбросов аэрозолей, что позволяет осуществлять анализ с меньшей ошибкой измерения их оптической плотности и концентрации, а также одновременно, анализировать содержание паров углеводородов СПГ инфракрасным оптическим газоанализатором 15 с инфракрасным оптическим датчиком 27, включающим иммерсионный светодиод 35 и иммерсионный фотодиод 36, связанные гибкой механической связью котировочными элементами 37 и 38 с корпусом измерительной газовой кюветы 37 с теплоизолирующим покрытием 32.
Устройство работает следующим образом. Его подвешивают на мачте или тросе с помощью блока 5 на высоте от 1 до 50 м в атмосфере. Анализируемый конвективный поток воздуха, содержащий аэрозоли и пары углеводородов в выбросах СПГ, поступает в измерительный канал 13 для анализа аэрозолей углеводородов с инерционным сепаратором грубодисперсных аэрозолей 12 и в измерительный канал 14 для анализа аэрозолей и паров углеводородов с установленным в нем инфракрасным оптическим газоанализатором 15 с инфракрасным оптическим датчиком 27 для анализа паров СПГ.
0
1
1
3
В результате одновременно измеряются значения оптической плотности аэрозолей D по измеренным значениям I и I в канале 14 до пористого цилиндра 12, а в канале 13 после него. Это позволяет определить поверхностную концентрацию мелких и грубодисперсных аэрозолей по измеренным значениям D согласно закону Ламберта-Бугера-Беера, описывающего ослабление излучения в дисперсных средах с учетом геометрических размеров устройства (Райст П. Аэрозоли, введение в теорию. Москва. Мир. 280 С. 1987). Одновременно, в канале 14 без пористого цилиндра 12 измеряется объемная концентрация паров углеводородов в воздухе с помощью калиброванного инфракрасного оптического газоанализатора 15 с инфракрасным оптическим датчиком 27, уставноленного внутри швеллера 2 на выходе двухфазного воздушного потока аэрозолей и паров углеводородов из канала 14. С целью увеличения быстродействия осуществляется непрерывная аспирация воздуха с аэрозолями и парами углеводородов СПГ в оптический инфракрасный газоанализатор 15 через цилиндрический канал с теплоизолирующим покрытием 32 и высокоэффективный аэрозольный фильтр 16, состыкованный с корпусом измерительной газовой кюветы 31, с помощью побудителем 17 с расходом Q=200-300 см/с по основному газопроводу 22, соединенному с выходным газовым патрубком 28 измерительной газовой кюветы 31 с теплоизолирующим покрытием 32. Величина быстродействия анализа паров углеводородов СПГ инфракрасным оптическим датчиком 27 составляет τ<0,03 с. Одновременно, осуществляется обдувка поверхности оптических линз (,например, 30 на фиг. 2) полупроводниковых лазеров 6 и 7 и фотодиодов 8 и 9 фильтрованным воздухом, поступающими из патрубка его подачи 25 по газопроводам 23 и 24 в защитные от аэрозолей цилиндрические трубки 18-21. Данные анализа содержания аэрозолей и паров углеводородов при выбросе СПГ передаются электронным блоком 10 по витой паре в удаленный компьютер (на фиг. 1 не показан).
1
Таким образом, достигается технический результат заявляемого устройства для анализа содержания аэрозолей и паров углеводородов при выбросе сжиженного природного газа в атмосферу путем уменьшения времени быстродействия до величины τ<0,03 с инфракрасного оптического газоанализатора 15 с инфракрасным оптическим датчиком 27 для повышения точности одновременного временного анализа содержания аэрозолей и паров углеводородов при выбросе кипящих и быстроиспаряющихся капель сжиженного природного газа в атмосферу.
Пример
1
1
1
2
2
3
Прямоугольные швеллера 1 и 2 были изготовлены из дюраля длиной 100 см и шириной 8 см. Размер отверстий 3 и 4 составлял 27(длина) см и 4 (ширина) см. Напряжение питания 24 В; мощность излучения лазеров 6 и 7 и длина их волны около 5 мВт и 0,7 мкм; быстродействие τ≈1 мс; оптическая длина рассеивающего слоя капель в измерительных каналах анализа аэрозолей L=27 см; диаметр и площадь поперечного сечения лазерного луча в каналах 13 или 14 составляли d≈1,4 см и S≈1,5 см; диаметр приемного объектива фотодиодов 8 или 9 совпадал с величиной d; диапазон измерения оптической плотности аэрозолей D≈0,03-3,5; измеряемая поверхностная концентрация S=1-150 м/м; временное разрешение при регистрации температуры облаков или двухфазных атмосферных выбросов термопарами хромель-алюмель составляло около 150 мс; диаметр пористого цилиндра 12 длиной L=27 см из волокнистого полиэстера D(ц)≈3,5 см, а его емкость по отношению к жидкому фильтрату капель ≈50 г.
1
1
1
Анализ объемной концентрации паров углеводородов при выбросе СПГ в атмосферу осуществлялся инфракрасным оптическим газоанализатором 15 с инфракрасным оптическим датчиком 27 (фиг. 3). В его измерительной газовой кювете 31 использовалась диодная оптопара с иммерсионным светодиодом 35 марки LED34TO8TEC и иммерсионным фотодиодом 36 марки PD34T08TEC с рабочей длиной волны инфракрасного излучения 3,4+/-0,05 мкм и с гибкой механической связью котировочными элементами 37 и 38 с четырьмя стальными пружинами в каждом юстировочном элементе с временем быстродействия τ<0,03 с для регистрации паров углеводородов СПГ с рабочей температурой от 235 до 325 К и с системой их термостабилизации на основе элементов Пельтье и терморезистором для измерения температуры («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). Измеренное значение τ<0,03 с более чем в 30 было меньше величины быстродействия τ≈1 с инфракрасного оптического датчика типа MIPEX, установленного в прототипе.
Снаружи корпуса измерительной газовой кюветы 31 и цилиндрического канала 26 с аэрозольным мембранным медным фильтром 16 было установлено теплоизолирующее покрытие 32 для уменьшения теплообмена между внешней средой и внутренним объемом измерительной газовой кюветы 31 и ее конструктивными элементами. В качестве теплоизолирующего покрытия 32 использовался порошкообразный материал типа синтетического вспененного каучука толщиной около 1 см и теплопроводностью 0,002 Вт/(м⋅°С). Его использование позволило существенно уменьшить термическое влияние потока криогенных, кипящих аэрозолей и низкотемпературных паров углеводородов СПГ на цилиндрический канал 26, корпус измерительной газовой кюветы 31, котировочные элементы 37 и 38 иммерсионного светодиода 35 и иммерсионного фотодиода 36.
1
3
Оптический инфракрасный газоанализатор 15 был установлен по центру отверстия 3 на внутренней стенке швеллера 2 в измерительном канале 14. В качестве побудителя расхода 17 для аспирации смеси воздуха, аэрозолей и паров углеводородов использовался микрокомпрессор с Q=300 см/с и напряжением питания 12 В. Для устранения попадания аэрозольных частиц в инфракрасный оптический датчик 27 анализируемая проба отбиралась через высокоэффективный аэрозольный мембранный медный фильтр 16 класса Н11, установленный на входе в инфракрасный оптический датчик 27 в цилиндрическом канале 26 с теплоизолирующими покрытием 32. Его масса составляла около 50 г.
2
3
Защитные от аэрозолей цилиндрические трубки 18-21 длиной 3 см были изготовлены из латуни с внутренним диаметром 1,4 см и толщиной 0,3 см. Величина объемного расхода фильтрованного воздуха для обдува каждой оптической линзы полупроводниковых лазеров и фотодиодов Q≈75 см/с.
Контроль наружной температуры аэрозолей и паров углеводородов в атмосфере осуществлялся термопарой хромель-алюмель 33, а в инфракрасном оптическом датчике - термопарой хромель-алюмель 34, установленной в цилиндрическом канале 27 после аэрозольного металлического фильтра 16 (фиг. 3).
3
3
1
Разработанное устройство использовалось при детектировании струйных выбросов в атмосферу аэрозолей и паров СПГ при температуре атмосферного воздуха около 290 К. Высота его подвески на мачте составляла 3 м. Время распыления СПГ не превышало 150 секунд, а начальная скорость его струйного выброса в центре затопленной струи составляла около 20 м/с на расстоянии 0,5 м от набора форсунок для распыления СПГ. В результате, были измерены значения плотности D и поверхности S мелких (d<20 мкм) и более крупных (d≈20-2500 мкм) капель с массовой концентрацией ≈250-300 г/м в струе. Одновременно, детектировалось содержание паров СПГ. Их величина конценрации в центре струи флуктуировала во времени от 5-50 г/м, а величина быстродействия составляла τ≈0,028 с.
Результаты одновременного измерения содержания аэрозолей и паров углеводородов при выбросе СПГ в атмосферу передавались электронным блоком 10 каждую миллисекунду по витой паре в удаленный на 1000 м компьютер (на фиг. 1-3 не показан).
0
0
0
Без обдува оптических линз 30 полупроводниковых лазеров 6 и 7 и фотодиодов 8 и 9 фильтрованным воздухом в процессе анализа содержания капель СПГ при его выбросе в атмосферу наблюдалось стохастическое изменение фона измерительных каналов 13 и 14, фиксируемое по изменению величины интенсивности излучения I полупроводниковых лазеров 6 и 7 фотодиодами 8 и 9. Величина I измерительного канала 13 с сепарацией крупных капель была меньше значения I измерительного канала анализа аэрозолей 14. Это обуславливало ошибку измерения параметров D и S, а при длительном анализе высококонцентрированных аэрозолей и паров СПГ может привести к неработоспособности устройства. Этот эффект с достаточной для практики точностью не наблюдался при обдуве поверхности оптических линз фильтрованным воздухом.
Таким образом, в результате использования инфракрасного оптического датчика с измерительной газовой кюветой, отражающие поверхности которой образуют оптическую схему для формирования пучка инфракрасного излучения и установки его источника в виде иммерсионного светодиода, регистрации его излучения фотоприемником в виде иммерсионного фотодиода, создания их гибкой механической связи котировочными элементами с корпусом измерительной газовой кюветы, выполненной с теплоизолирующим покрытием и состыкованной с цилиндрическим каналом с теплоизолирующим покрытием для ввода потока паров углеводородов в измерительную газовую кювету с выходным газовым патрубком, соединенным с побудителем потока аэрозолей и паров углеводородов через инфракрасный оптический газоанализатор, достигается технический результат заявленной полезной модели, а именно унификация конструкции устройства для анализа содержания аэрозолей и паров углеводородов при выбросе сжиженного природного газа в атмосферу и расширение его функциональных возможностей путем уменьшения времени быстродействия инфракрасного оптического газоанализатора для повышения временной точности одновременного анализа содержания аэрозолей и паров углеводородов при выбросе кипящих и быстроиспаряющихся капель сжиженного природного газа в атмосферу.