ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДАТЧИКА ДЛЯ ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗА МИКРОКОНЦЕНТРАЦИЙ КИСЛОРОДА В ГАЗОВОЙ СРЕДЕ

Настоящая полезная модель относится к измерительным системам для измерения микросодержания кислорода в газовой среде, в частности для определения количества кислорода в природном газе магистральном.
Задача измерения содержания кислорода актуальна для многих сфер деятельности: медицинские и биологические исследования, мониторинг окружающей среды, управление технологическими процессами и пр. В частности, газовая и газоперерабатывающая промышленность нуждается в средствах измерений, обеспечивающих определение микросодержаний кислорода (под микросодержанием мы понимаем молярную долю кислорода в анализируемом газе менее 10 ppm) в природном газе магистральном.
Природный газ магистральный является многокомпонентной газовой смесью. Некоторые его компоненты (такие как диоксид углерода, диэтиленгликоль, бензол, толуол, вода и пр.) могут оказать влияние на процесс измерения содержания кислорода, что создает барьер для использования средств измерений, не имеющих избирательной чувствительности, для реализации данных измерений.
0,9
Для обеспечения измерений датчик кислорода должен конструктивно отвечать всем требованиям к рабочим условиям, а также иметь высокую точность измерений и избирательную чувствительность. Такой датчик может быть основан на принципе люминесценции, так как люминесцентные датчики позволяют достигнуть высокой степени точности измерения, сохраняют работоспособность в широком диапазоне температур и давлений, а также обладают малой инерционностью в сравнении с электрохимическими датчиками (параметр Т для последних может составлять десятки минут).
Известен ряд технических решений, позволяющих осуществлять измерение содержания кислорода в газовой среде с использованием люминесцентных датчиков кислорода, таких как RU 135140 U1 от 04.09.2012 и RU 2313778 С1 от 22.05.2006. Последнее было взято в качестве прототипа для полезной модели.
Из патентного документа RU 2313778 C1 известна конструкция кислородного люминесцирующего сенсора, выполненная в виде таблетки из адсорбатов кремнезема, в которую введен люминесцирующий активатор (люминофор), в качестве которого используют краситель трипафлавин, который имеет высокий квантовый выход люминесценции. Таблетка имеет толщину до 1 мм (что много больше, чем толщина носителя в 10 микрон как в прототипе), что позволяет использовать значительно большее количество люминофора. Измерение амплитуды люминесценции в разные интервалы времени позволяет нейтрализовать внешние дестабилизирующие факторы (например, изменение характеристик импульсного источника излучения, шумы электронного устройства), позволяет определять изменение интенсивности люминесценции и время ее затухания, а через эти параметры определить концентрацию кислорода. Все это увеличивает величину оптического сигнала люминесценции, значительно улучшает соотношение сигнал/шум, повышает чувствительность к малым концентрациям кислорода. Определение изменения интенсивности люминесценции и время ее затухания опирается на относительные значения интенсивности люминесценции, что позволяет повысить стабильность измерений.
Недостатками данной конструкции являются высокая степень фотодеградации выбранного люминофора - трипафлавина, а также низкая избирательная чувствительность к различным компонентам анализируемого газа.
Технической задачей заявляемой полезной модели является создание чувствительного элемента для люминесцентного датчика микросодержания кислорода, имеющего высокую избирательную чувствительность к основным компонентам состава природного газа, таким как метан, этан, пропан изобутан, н-бутан, изопентан, н-пентан, неопентан, гексаны, гептаны, октаны, бензол, толуол и диоксид углерода (в диапазонах значений молярной доли указанных в Приложении М к ГОСТ 31369-2008 (ИСО 6976:1995) «Газ природный. Вычисление теплоты сгорания, плотности, относительной плотности и числа Воббе на основе компонентного состава»), а также к таким компонентам как диэтиленгликоль, сероводород, меркаптаны, вода и прочим компонентам, которые могут оказать влияние на измерение содержания кислорода.
Техническая задача настоящей полезной модели решается благодаря тому, что чувствительный элемент датчика для экспресс-анализа микроконцентраций кислорода в газовой среде состоит из защитной оболочки, внутренний объем которой залит полимерным герметизирующим составом, как минимум, одного оптического волновода, предназначенного для передачи возбуждающего излучения от источника излучения к чувствительному элементу, и для передачи излучения люминесценции от чувствительного элемента к аналитическому блоку, оптического окна, выполненного из нелюминесцирующего оптически прозрачного материала, например, кварцевого стекла, полимерной мембраны, содержащей люминофор, и системы фильтров.
Ниже подробно описана и проиллюстрирована (фиг. 1) конструкция заявляемого устройства.
Чувствительный элемент датчика для экспресс-анализа микроконцентраций кислорода в газовой среде заключен в защитную оболочку 1. Внутренний объем оболочки 1 залит полимерным герметизирующим составом 2. Торцы оптического волновода 3, соединенные посредством фитингового соединения или иного соединительного элемента 4, не ограничивающего конструктивного исполнения заявленного технического решения, с защитной оболочкой 1, непосредственно прилегают к внутренней поверхности оптического окна 5, выполненного из нелюминесцирующего оптически прозрачного материала, например, кварцевого стекла. На наружной поверхности оптического окна расположена полимерная мембрана 6, содержащая люминофор. Обратная сторона мембраны 6 граничит с системой фильтров 7, обеспечивающей диффузию кислорода к мембране 6. Система фильтров 7 осуществляет функцию защиты полимерной мембраны 6 от механических и аэрозольных частиц, а также от взаимодействия полимерной мембраны 6 с компонентами анализируемого газа способными оказать влияние на результаты измерений.
Оптический волновод 3 соединен с источником или источниками излучения (на фиг. 1 не указаны) для передачи возбуждающего излучения чувствительному элементу - полимерной мембране 6, содержащей люминофор, а также с аналитическим блоком (на фиг. 1 не указан) для передачи излучения люминесценции от полимерной мембраны 6.
Ниже описан процесс измерения микросодержания кислорода с использованием предложенного технического решения.
Чувствительный элемент датчика для экспресс-анализа микроконцентраций кислорода в газовой среде помещается в газовую среду, в которой необходимо определить значение микросодержания кислорода. Газовая смесь проходит через систему фильтров 7, которая осуществляет функцию защиты полимерной мембраны 6 от механических и аэрозольных частиц, а также от взаимодействия с компонентами анализируемого газа способными оказать влияние на результаты измерений, и достигает полимерной мембраны 6, содержащей люминофор.
Одновременно с прохождением газа, к полимерной мембране 6 посредством оптического волновода 3 поступает возбуждающее излучение. Возбуждающее излучение возбуждает люминофор, что приводит к возникновению эффекта свечения - люминесценции. Время жизни люминесценции (длительность послесвечения люминофора) обратно пропорционально количеству молекул кислорода в анализируемом газе.
Излучение люминесценции от люминофора передается посредством оптического волновода 3 в аналитический блок, где формируется дискретный (цифровой) аналитический сигнал, величина которого пропорциональна содержанию кислорода в анализируемом газе и может быть использована для построения калибровочной характеристики аналитического оборудования (газоанализатора и подобных измерительных систем), применяющего предложенное техническое решение в качестве первичного измерительного преобразователя.
Высокая избирательная чувствительность к основным компонентам состава природного газа, таким как: метан, этан, пропан изобутан, н-бутан, изопентан, м-пентан, неопентан, гексаны, гептаны, октаны, бензол, толуол и диоксид углерода (в диапазонах значений молярной доли указанных в Приложении М к ГОСТ 31369-2008 (ИСО 6976:1995) «Газ природный. Вычисление теплоты сгорания, плотности, относительной плотности и числа Воббе на основе компонентного состава»), а также к таким компонентам как диэтиленгликоль, сероводород, меркаптаны, вода и прочим компонентам, которые могут оказать влияние на измерение содержания кислорода, предложенного технического решения, обеспечивается за счет использования системы фильтров 7 и физико-химических свойств полимерной мембраны 6, содержащей люминофор.
Кроме того, за счет герметичности чувствительного элемента датчика для экспресс-анализа микроконцентраций кислорода в газовой среде достигается возможность использовать полученное техническое решение в диапазоне рабочих давлений магистральных трубопроводов природного газа.
Испытания предложенного датчика подтвердили его работоспобность в широком диапазоне температур и при высоком давлении.