RU2626389C1 - Способ оптического определения компонента, преимущественно сероводорода, и его концентрации в потоке газа - Google Patents
Способ оптического определения компонента, преимущественно сероводорода, и его концентрации в потоке газа Download PDFInfo
- Publication number
- RU2626389C1 RU2626389C1 RU2016101990A RU2016101990A RU2626389C1 RU 2626389 C1 RU2626389 C1 RU 2626389C1 RU 2016101990 A RU2016101990 A RU 2016101990A RU 2016101990 A RU2016101990 A RU 2016101990A RU 2626389 C1 RU2626389 C1 RU 2626389C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radiation
- component
- gas
- concentration
- laser
- Prior art date
Links
- 239000007789 gas Substances 0.000 title claims abstract description 65
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 41
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 17
- RWSOTUBLDIXVET-UHFFFAOYSA-N Dihydrogen sulfide Chemical compound S RWSOTUBLDIXVET-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 16
- 229910000037 hydrogen sulfide Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 14
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 60
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 16
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 10
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims abstract description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 3
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 claims abstract description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract description 7
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 5
- 238000010924 continuous production Methods 0.000 abstract 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 abstract 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 14
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 10
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 description 9
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 8
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 6
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 4
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 description 3
- 229910052976 metal sulfide Inorganic materials 0.000 description 3
- MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N nitrogen oxide Inorganic materials O=[N] MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RAHZWNYVWXNFOC-UHFFFAOYSA-N Sulphur dioxide Chemical compound O=S=O RAHZWNYVWXNFOC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 2
- OSVXSBDYLRYLIG-UHFFFAOYSA-N dioxidochlorine(.) Chemical compound O=Cl=O OSVXSBDYLRYLIG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 2
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 2
- 238000012886 linear function Methods 0.000 description 2
- 229920002521 macromolecule Polymers 0.000 description 2
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 description 2
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- WKBOTKDWSSQWDR-UHFFFAOYSA-N Bromine atom Chemical compound [Br] WKBOTKDWSSQWDR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004155 Chlorine dioxide Substances 0.000 description 1
- YZCKVEUIGOORGS-OUBTZVSYSA-N Deuterium Chemical compound [2H] YZCKVEUIGOORGS-OUBTZVSYSA-N 0.000 description 1
- 238000004566 IR spectroscopy Methods 0.000 description 1
- CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N Ozone Chemical compound [O-][O+]=O CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ISWSIDIOOBJBQZ-UHFFFAOYSA-N Phenol Chemical compound OC1=CC=CC=C1 ISWSIDIOOBJBQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 150000004945 aromatic hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- GDTBXPJZTBHREO-UHFFFAOYSA-N bromine Substances BrBr GDTBXPJZTBHREO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052794 bromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000011088 calibration curve Methods 0.000 description 1
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 1
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000019398 chlorine dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 239000000084 colloidal system Substances 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 229910052805 deuterium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000295 emission spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000001307 laser spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 235000021056 liquid food Nutrition 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000693 micelle Substances 0.000 description 1
- 238000012806 monitoring device Methods 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 230000009022 nonlinear effect Effects 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 244000052769 pathogen Species 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 239000000779 smoke Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000004071 soot Substances 0.000 description 1
- 241000894007 species Species 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 150000003464 sulfur compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000003053 toxin Substances 0.000 description 1
- 231100000765 toxin Toxicity 0.000 description 1
- 108700012359 toxins Proteins 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 1
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
- G01N21/3563—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing solids; Preparation of samples therefor
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области физики, в частности к аналитическому приборостроению и может быть использовано в газоанализаторах, применяемых на установках извлечения серы. Cпособ оптического определения компонента, преимущественно сероводорода, и его концентрации в потоке газа включает облучение пробы исследуемого газа с использованием лазерного излучения с различными длинами волн, при котором производят сложение люминесцентного излучения в УФ или видимом диапазоне с лазерным излучением в ближнем ИК диапазоне для достижения порога интенсивности, при котором возникает эффект вынужденного рассеивания Мандельштама-Бриллюэна с образованием стоксовых составляющих. Далее регистрируют спектральное распределение интенсивности прошедшего через пробу излучения, определяют превышение полученного сигнала над пороговым уровнем шума и сравнивают абсолютные значения полученных пиков и главного максимума, соответствующего лазерному излучению. При этом пробу исследуемого газа облучают в камере газоанализатора, заполненной водой, температуру которой поддерживают в диапазоне 80-85°С. Присутствие компонента идентифицируют по частоте максимума излучения, полученного в результате вынужденного рассеивания Мандельштама-Бриллюэна, а его концентрацию определяют как логарифм интенсивности стоксовой составляющей. Газоанализатор размещают непосредственно в зоне движения потока газа, а в качестве источника лазерного облучения используют по меньшей мере один твердотельный лазер с полупроводниковой накачкой, встроенный в камеру газоанализатора. Длину волны лазерного излучения в УФ и видимом диапазоне выбирают в пределах 200-530 нм, а в ближнем ИК диапазоне - 810-1200 нм. Технический результат - возможность определения компонента, преимущественно сероводорода, и его концентрации в потоке газа с высокой точностью, а также непрерывный мониторинг процесса. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.
Description
Изобретение относится к области физики, в частности к аналитическому приборостроению, и может быть использовано в газоанализаторах, применяемых на установках извлечения серы.
Для оптимального управления технологическим процессом извлечения серы необходимы точные измерения концентраций соединений серы на различных стадиях процесса. Эти измерения в конечном итоге обеспечивают максимальную эффективность технологического процесса и гарантируют соблюдение законодательства в области охраны окружающей среды.
Для определения содержания компонентов в потоках газа широко используется способ, основанный на пропускании через газовый поток оптического излучения и его приеме на частоте поглощения оптического излучения искомым компонентом, и определении концентрации искомого компонента по интенсивности принятого излучения, используя закон Бугера-Ламберта-Бера (Ландсберг Г.С. Оптика. - М.: Наука, 1976).
Однако точность измерений при мониторинге процесса недостаточна из-за набора оптических шумов, а именно высокой зависимости интенсивности излучения от характеристик используемой оптики, а также от шумов источника. Для реализации этого способа в трубах выполняют окна, прозрачные для оптического излучения в широком диапазоне частот. В процессе эксплуатации эти окна достаточно быстро загрязняются, покрываются сажей и, как следствие, теряют свою прозрачность. Это приводит к ошибкам, для устранения которых в паузах между приемами излучения в измерительных каналах требуется калибровка.
Калибровку измерений осуществляют по эталонному газу, помещенному в трубку, устанавливаемую в газоходе так, что вдоль пути прохождения через трубку оптического излучения входное и выходное окна трубки не загрязняются. Эти трубки периодически вводятся в объем текучей среды, транспортируемой по трубе (патент США №4247205 МПК G01N 21/534), или устанавливаются стационарно (патент США №4583859, МПК B01D 46/46, G01N 21/15). В качестве основных элементов приводятся источник света, оптически связанный с ним фотоэлектрический приемник измерительного канала, фотоэлектрический приемник калибровочного канала и блок обработки сигналов, подключенный к выходам фотоэлектрических приемников. Недостаток указанных технических решений связан со сложностью применения как подвижных, так и стационарных калибровочных трубок в трубах больших диаметров.
Известен способ определения концентрации компонентов потока газа (патент РФ №2075066, МПК G01N 21/15; G01N 21/61), включающий пропускание через газовую смесь оптического излучения, одновременный прием прошедшего оптического излучения фотоэлектрическим приемником измерительного канала в полосе частот поглощения искомого компонента и фотоэлектрическим приемником опорного канала в полосе частот, не совпадающей с полосой частот поглощения искомого компонента. Определение концентрации искомого компонента по выходным сигналам измерительного и опорного каналов в соответствии с изобретением осуществляют в два интервала времени. Но данный способ ограничен в применении для встроенного прибора мониторинга из-за высокого порога шума люминесценции.
Известен способ селективного измерения концентрации анализируемого компонента в промышленных газовых выбросах и в технологических газовых смесях с использованием процесс-анализатора ОМА-300 (http://aai.solutions/oma-process-analyzer). Принцип действия основан на оптоволоконном спектрометре. Из света, генерируемого источником (вольфрамовой, ксеноновой или дейтериевой лампой), вырезается при прохождении через голографическую решетку пучок специфической длины волны, имеющей характерное поглощение для анализируемого компонента. Далее свет направляется через оптоволоконный зонд и ячейку с анализируемым газом на диодный матричный детектор, преобразующий световые сигналы в электрические. Спектрометр ОМА-300 в зависимости от конфигурации и настроек оптической схемы позволяет селективно измерять содержание таких компонентов, как сероводород, диоксид серы, меркаптаны, хлор, диоксид хлора, озон, бром, оксиды азота, аммиак, фенол, ароматические углеводороды в широком диапазоне концентраций. К недостаткам этого способа можно отнести низкую точность, составляющую 5% от шкалы.
Существует оптический способ непрерывного мониторинга газов, который позволяет обнаруживать H2S и/или СО2 непосредственно в стволе скважины (патентная заявка США №2013056626, МПК G01V 8/12). Сероводород собирается в пробоотборник, содержащий коллоидный раствор с частицами металла, с которыми сероводород легко образует нелетучие и нерастворимые наночастицы сульфидов металлов. Излучение, выходящее из источника, проходит через смесь, содержащую металлические частицы, необходимые для взаимодействия с сероводородом, образующую агрегацию нерастворимых видов сульфидов металла. Затем с помощью спектроанализатора определяется концентрация сульфидов металла в скважине. При этом точность перестает зависеть от степени загрязненности окон и не требует специальной калибровки.
К недостаткам этого способа относится необходимость введения дополнительной смеси для более точного обнаружения сероводорода и, следовательно, ограничение только одним видом смеси для одного прибора.
Известен способ обнаружения газов, частиц и/или жидкостей (патент РФ №2461815, МПК G01N 21/39) с использованием настраиваемых инфракрасных лазеров Фабри-Перо, лазеров с расщеплением моды или им подобных для обнаружения СО2, СО, NH3, NOx, SO2, СH4, газообразных/жидких углеводородов или подобных веществ и/или дыма/частиц. К недостаткам такого способа относятся: сложность конструкции используемого датчика, недостаточная газочувствительность по отношению к сероводороду и высокая потребляемая на нагрев мощность.
Наиболее близким техническим решением является способ (патент РФ №2563318, МПК G01N 21/01), в котором пробу, содержащую определяемый компонент, облучают с использованием по меньшей мере двух источников лазерного излучения с различными длинами волн, производят сложение излучений, вызванных возбуждением лазером с длинами волн λ1 и λ2, регистрируют распределение интенсивности излучения с получением стоксовых и антистоксовых составляющих, по которым идентифицируют компонент в исследуемой текучей среде.
Однако данный способ позволяет установить только качественное наличие компонента и не может быть использован для определения концентраций, кроме того для идентификации компонента необходимо снятие, как минимум, двух параметров.
Технической задачей, которую решает изобретение, является возможность определения присутствия компонента, преимущественно сероводорода, и его концентрации в потоке газа с высокой точностью, а также обеспечение непрерывной информации о состоянии потока технологического газа.
Техническая задача решается тем, что способ оптического определения компонента, преимущественно сероводорода, и его концентрации в потоке газа включает облучение пробы исследуемого газа с использованием лазерного излучения с различными длинами волн, сложение люминесцентного излучения в УФ или видимом диапазоне с лазерным излучением в ближнем ИК диапазоне для достижения эффекта вынужденного рассеивания Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ) с образованием стоксовых составляющих, регистрацию спектрального распределения интенсивности прошедшего через раствор излучения, определение превышения полученного сигнала над пороговым уровнем шума и сравнение абсолютных значений полученных пиков и главного максимума, соответствующего лазерному излучению. Пробу исследуемого газа облучают в камере газоанализатора, заполненной водой, температура которой поддерживается в диапазоне 80-85°С. При этом присутствие сероводорода идентифицируют по частоте максимума излучения, полученного в результате ВРМБ, а его концентрацию определяют как логарифм интенсивности стоксовой составляющей. Газоанализатор размещают непосредственно в зоне движения потока газа. В качестве источника лазерного облучения используют по меньшей мере один твердотельный лазер с полупроводниковой накачкой, который встроен непосредственно в камеру газоанализатора. Длина волны лазерного излучения в УФ и видимом диапазоне составляет 200-530 нм, а в ближнем ИК диапазоне - 810-1200 нм.
Пробы исследуемых компонентов в воде как в прототипе, так и в изобретении представляют собой коллоидные растворы. Однако исследуемый компонент, описанный в прототипе, относится к коллоидным растворам третьей группы. К таким молекулярным коллоидам относятся растворы природных и синтетических высокомолекулярных веществ с молекулярной массой от 10000 до нескольких миллионов. Молекулы этих компонентов имеют размеры коллоидной частицы, поэтому их называют макромолекулами, что не позволяет с достаточной точностью измерять их концентрацию, поскольку метод ВРМБ представляет собой контроль интенсивности интерференционного поля лазерного излучения и гиперзвуковой волны, отраженной от неоднородности мицеллы. На форму и интенсивность максимума такого спектрального распределения влияет коэффициент формы, что сильно усложняет математическую обработку, к тому же пик стоксовой составляющей при определенных концентрациях переходит в антистоксовую область, и логарифм интенсивности перестает быть однозначной функцией концентрации растворенных компонентов.
В то же время газы представляют собой или истинные (в которых растворенное вещество находится в ионной форме), или коллоидные растворы первой группы - суспензоиды. В пределах кривой растворимости газы находятся в воде в виде молекулярных растворов, т.е. как бы помещаются между молекулами воды. В этом состоянии интенсивность отклика метода ВРМБ соответствует шумам воды и это является недостаточным фактором для точной диагностики.
При исследовании было обнаружено, что для газов различного типа спектральное распределение представляет собой узкий пик, близкий к форме распределения Лоренца. При увеличении концентрации стоксовая составляющая не перемещалась в антистоксовую область, и логарифм интенсивности являлся строго линейной функцией концентрации газа. При этом при контроле смеси газов каждый газ имел строго определенную частоту (длину волны) излучения. Это существенно упрощало обработку сигнала, а именно контроль разности частот между основной лазерной модой и стоксовой составляющей, выделение стоксовой составляющей при диагностике смеси.
Это происходит потому, что при повышении температуры газы, растворенные в воде, переходят в состояние суспензоидов, т.е. они существуют только в виде мельчайших пузырьков сферической формы. Расчет интенсивности отклика шариков сферической формы, который был проделан ранее для метода ИК-спектроскопии (Tatiana Y. Moguilnaia; Elena A. Saguitova; Kiril A. Prokhorov; E.I. Grebenuk; N.A. Grebenuk Laser instrumentation for express diagnostics of impurities and toxins in liquid food roc. SPIE 4206, Photonic Detection and Intervention Technologies for Safe Food, 256 (March 13, 2001); doi: 10.1117 / 12.418736), показал, что интенсивность отклика стоксовой составляющей является практически линейной функцией концентрации, что позволяет определять концентрацию по интенсивности максимума стоксовой составляющей без специальной обработки шумов, связанных с загрязненностью раствора посторонними ионами. Шумы, связанные с возможной нестабильностью лазерного излучения, убираются за счет выбора специального типа лазера и построения калибровочной кривой отношения логарифма интенсивности стоксовой составляющей к интенсивности лазерного излучения.
Экспериментальные исследования показали, что для метода, используемого в соответствии с изобретением, эти условия сохраняются.
Количество газа, которое может раствориться в воде, зависит от его природы, давления над поверхностью воды и от температуры. Растворимость газов при различных температурах (мг/кг) при давлении газа в 1 атм представлена в таблице 1.
Из таблицы следует, что для H2S растворимость составляет порядка 0,7% при 0°С и 0,07% при 80°С и практически падает до 0 при температуре выше 80°С.
Поэтому с целью повышения точности камеру газоанализатора с водой, в которую вводилась проба газовой смеси, было предложено подогревать до 80°С.
Предлагаемый способ оптического определения компонента газовой смеси и его концентрации был выбран потому, что с появлением новых лазерных источников излучения с высокой степенью стабилизации параметров по частоте и мощности, излучающих сразу на двух длинах волн, в видимом и ближнем ИК диапазоне (например, DTL-392QT 527, 1053 нм) или трех длинах волн (УФ, видимый и ближний ИК диапазоны (DTL-394QT (263, 527, 1053 нм), возникла возможность использования сразу двух оптических эффектов - эффекта люминесценции газовой смеси и нелинейного эффекта вынужденного рассеивания Мандельштама-Бриллюэна. То есть излучение на длине волны в диапазоне 200-530 нм используется для возбуждения люминесценции с целью повышения интенсивности поля в среде, поскольку общее поле представляет собой сумму люминесценции и поля лазерного излучения, и таким образом достигается порог нелинейного эффекта ВРМБ.
В то же время излучение на длине волны в диапазоне 810-1200 нм используется для регистрации резонанса, вызванного появлением стоксовых составляющих в ближнем ИК диапазоне, где нет паразитной люминесценции воды (Moguilnaia Т., Bobkov P., Kononenko E. Real-time monitoring of pathogens and nanomarkers in water by resonance laser spectroscopy techniques Book of abstract «Nanotech», 2014, Washington, June 15-18, 2014). Следствием является хорошее отношение сигнал/шум. При определении превышения полученного сигнала над пороговым уровнем шума появляется возможность отделять полезный сигнал от шумового.
Кроме того, при исследовании спектрального распределения интенсивности излучения сравнивают абсолютные значения полученных пиков и главного максимума, что позволяет идентифицировать пики излучения исследуемого компонента в газовом потоке в отличие от главного пика, соответствующего излучению на чистой воде.
В изобретении высокая точность достигается еще и за счет того, что, в способе в соответствии с изобретением в качестве информативного признака появления газа используется не интенсивность длины волны, а длина волны максимума (лазерного) излучения стоксовой составляющей λ, которая зависит только от типа вещества и не зависит от параметров используемой оптики, что видно на фиг. 1, где 1 - распределение моды лазерного излучения, а 2 - стоксовая составляющая. При этом логарифм интенсивности является линейной функцией, о чем свидетельствует кривая, представленная на фиг. 2.
Далее, поскольку люминесценция возбуждается в видимом или УФ диапазоне, а диагностика осуществляется в ИК диапазоне, это позволяет повысить порог чувствительности за счет уменьшения дробового шума лазера.
Кроме того, используется один лазер, который можно разместить непосредственно в зоне движения потока газа, иными словами, встроить газоанализатор в трубопровод сырьевого или технологического газа, обеспечивая непрерывный мониторинг процесса.
Таким образом, несмотря на разницу в физической сущности определяемых компонентов в прототипе и изобретении, способ позволяет с высокой точностью определять как наличие компонента в потоке газа, так и его концентрацию, обеспечивая при этом более простую обработку полученных результатов. Кроме того, способ позволяет осуществлять постоянный мониторинг процесса, что особенно важно для выбросов таких вредных газов, каким является сероводород.
Одновременно следует отметить, что способ позволяет определять наличие и концентрацию любых газовых компонентов, как например, СО2, СО, NH3, NOx, SO2, H2S, СН4, газообразных/жидких углеводородов или подобных веществ. В качестве примера на фиг. 3 представлены спектры определяемых компонентов, где цифрой 3 обозначен пик, показывающий присутствие H2S (808 нм), 4 - сдвоенный пик, показывающий присутствие О2, 5 - пик, показывающий присутствие СО2.
Изобретение будет лучше понятно при ознакомлении с нижеприведенным описанием работы установки, схема которой показана на фиг. 4.
Способ осуществляют следующим образом.
В проточную беспузырьковую камеру 6, встроенную в газоанализатор, с центральной магистрали 7 через трубопровод подают при заданном давлении пробу газа, содержащего определяемый компонент. Одновременно в камеру 6 вводят через волноводы возбуждающее излучение от твердотельного лазера 8 с полупроводниковой накачкой и перестраиваемой мощностью излучения так, чтобы достигался эффект ВРМБ для данного объема воды в камере газоанализатора. Излучение лазера 8 последовательно через камеру поступает на спектроанализатор 9 и в память компьютера 10. Для ввода/вывода излучения в среду и на спектроанализатор используют оптические волноводы. Последующую обработку спектров проводят с помощью специализированного программного пакета статистической обработки экспериментальных данных.
Пример
В качестве образца для исследований использовался газ, содержащий H2S, с разных точек отбора на технологических трубопроводах установки получения серы. Пробу газа, содержащего H2S в различной концентрации (соответственно 0,02, 0,1, 0,2,…1% массовой доли) и при заданном давлении, подают в проточную беспузырьковую камеру 6, температура воды в которой составляет 80°С, где возбуждают излучение от лазерного источника 8. Источником возбуждающего излучения служит твердотельный лазер с полупроводниковой накачкой с длинами волны 0,527 и 1,017 мкм и перестраиваемой мощностью излучения, которая заранее была подобрана таким образом, чтобы достигался эффект ВРМБ для данного объема жидкости. В качестве прибора для регистрации спектров применялся спектроанализатор «Yokogawa» со спектральным разрешением 0,01 нм, оснащенный встроенным микрокомпьютером для обработки и передачи спектров в память компьютера. Чувствительность спектроанализатора составляла ±69 dBm.
Излучение от этого лазера последовательно, через камеру 6 поступает на спектроанализатор 9 и в память компьютера 10. Для стабильности результатов выбирается высокая степень усреднения (50). Запись каждого результата производится два раза через промежуток времени не менее 5 мин.
Для ввода/вывода излучения в камеру и на спектроанализатор использовались оптические волноводы. В начале каждой серии экспериментов помимо спектров, несущих информацию, производилась запись спектра излучения лазера и спектра излучения, прошедшего через чистую камеру (без газа). Результаты фиксировались в памяти компьютера.
Последующая обработка спектров проводилась с помощью специализированного программного пакета статистической обработки экспериментальных данных.
При анализе спектральных образцов было обнаружено вторичное излучение, интенсивность которого сравнима с интенсивностью прошедшего лазерного излучения и является функцией концентрации исследуемого объекта. Излучение наблюдалось в стоксовой области. Пример спектрального распределения приведен на фиг. 1. Максимальная интенсивность пика 2 зависит от концентрации растворенного сероводорода, составляющей 0,8% массовой доли.
Таким образом, способ позволяет с высокой точностью определять как наличие компонента в потоке газа, так и его концентрацию, обеспечивая при этом более простую обработку полученных результатов. Кроме того, способ позволяет осуществлять постоянный мониторинг процесса.
Claims (4)
1. Способ оптического определения компонента, преимущественно сероводорода, и его концентрации в потоке газа, включающий облучение пробы исследуемого газа с использованием лазерного излучения с различными длинами волн, при котором производят сложение люминесцентного излучения в УФ или видимом диапазоне с лазерным излучением в ближнем ИК диапазоне для достижения порога интенсивности, при котором возникает эффект вынужденного рассеивания Мандельштама-Бриллюэна с образованием стоксовых составляющих, регистрируют спектральное распределение интенсивности прошедшего через пробу излучения, определяют превышение полученного сигнала над пороговым уровнем шума и сравнивают абсолютные значения полученных пиков и главного максимума, соответствующего лазерному излучению, отличающийся тем, что пробу исследуемого газа облучают в камере газоанализатора, заполненной водой, температуру которой поддерживают в диапазоне 80-85°C, при этом присутствие компонента идентифицируют по частоте максимума излучения, полученного в результате вынужденного рассеивания Мандельштама-Бриллюэна, а его концентрацию определяют как логарифм интенсивности стоксовой составляющей.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что газоанализатор размещают непосредственно в зоне движения потока газа.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве источника лазерного облучения используют по меньшей мере один твердотельный лазер с полупроводниковой накачкой, встроенный в камеру газоанализатора.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что длина волны лазерного излучения в УФ и видимом диапазоне составляет 200-530 нм, а в ближнем ИК диапазоне - 810-1200 нм.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016101990D RU2016101990A (ru) | 2016-01-22 | 2016-01-22 | Способ оптического определения компонента, преимущественно, сероводорода и его концентрации в потоке газа |
RU2016101990A RU2626389C1 (ru) | 2016-01-22 | 2016-01-22 | Способ оптического определения компонента, преимущественно сероводорода, и его концентрации в потоке газа |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016101990A RU2626389C1 (ru) | 2016-01-22 | 2016-01-22 | Способ оптического определения компонента, преимущественно сероводорода, и его концентрации в потоке газа |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2626389C1 true RU2626389C1 (ru) | 2017-07-26 |
Family
ID=59495828
Family Applications (2)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016101990A RU2626389C1 (ru) | 2016-01-22 | 2016-01-22 | Способ оптического определения компонента, преимущественно сероводорода, и его концентрации в потоке газа |
RU2016101990D RU2016101990A (ru) | 2016-01-22 | 2016-01-22 | Способ оптического определения компонента, преимущественно, сероводорода и его концентрации в потоке газа |
Family Applications After (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016101990D RU2016101990A (ru) | 2016-01-22 | 2016-01-22 | Способ оптического определения компонента, преимущественно, сероводорода и его концентрации в потоке газа |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (2) | RU2626389C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114839154A (zh) * | 2022-04-29 | 2022-08-02 | 杭州电子科技大学平湖数字技术创新研究院有限公司 | 一种用于检测硫化氢气体的装置及方法 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU270330A1 (ru) * | Масс-спектрометр | |||
US3788742A (en) * | 1971-06-24 | 1974-01-29 | Westinghouse Electric Corp | Gas monitoring system |
US4648714A (en) * | 1985-09-11 | 1987-03-10 | University Of Utah | Molecular gas analysis by Raman scattering in intracavity laser configuration |
US6570159B2 (en) * | 2000-03-29 | 2003-05-27 | Dragerwerk Aktiengesellschaft | Gas-measuring system |
-
2016
- 2016-01-22 RU RU2016101990A patent/RU2626389C1/ru not_active IP Right Cessation
- 2016-01-22 RU RU2016101990D patent/RU2016101990A/ru unknown
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU270330A1 (ru) * | Масс-спектрометр | |||
US3788742A (en) * | 1971-06-24 | 1974-01-29 | Westinghouse Electric Corp | Gas monitoring system |
US4648714A (en) * | 1985-09-11 | 1987-03-10 | University Of Utah | Molecular gas analysis by Raman scattering in intracavity laser configuration |
US6570159B2 (en) * | 2000-03-29 | 2003-05-27 | Dragerwerk Aktiengesellschaft | Gas-measuring system |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114839154A (zh) * | 2022-04-29 | 2022-08-02 | 杭州电子科技大学平湖数字技术创新研究院有限公司 | 一种用于检测硫化氢气体的装置及方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2016101990A (ru) | 2017-07-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN107110776B (zh) | 具有复杂背景成分的样品气体中的目标分析物检测和量化 | |
US10495578B2 (en) | Methods and systems to analyze a gas-mixture | |
KR101684407B1 (ko) | 광학 센서를 이용한 수질 오염 측정 시스템 및 수질 오염 측정 장치 | |
US7994479B2 (en) | Infrared spectrometer | |
JP2009510480A (ja) | 2線のガス分光法の較正 | |
Hummelga et al. | Low-cost NDIR based sensor platform for sub-ppm gas detection | |
Mikołajczyk et al. | Detection of gaseous compounds with different techniques | |
JP2010517043A (ja) | 工業プロセス制御用の化学分析装置 | |
Banik et al. | An EC-QCL based N 2 O sensor at 5.2 μm using cavity ring-down spectroscopy for environmental applications | |
US7427760B2 (en) | Infrared spectrometer | |
CN105765381A (zh) | 用于测量溶解在液体中的气体的气体浓度的方法及*** | |
Li et al. | Study on the origin of linear deviation with the Beer-Lambert law in absorption spectroscopy by measuring sulfur dioxide | |
Pal et al. | Simultaneous monitoring of 32 S, 33 S and 34 S isotopes of H 2 S using cavity ring-down spectroscopy with a mid-infrared external-cavity quantum cascade laser | |
Zhang et al. | A sensor based on high-sensitivity multi-pass resonant photoacoustic spectroscopy for detection of hydrogen sulfide | |
Petrov et al. | Multipass Raman gas analyzer for monitoring of atmospheric air composition | |
US8538717B2 (en) | Method of absorbance correction in a spectroscopic heating value sensor | |
Chibirev et al. | Raman spectrometer for field determination of H2O in natural gas pipelines | |
Darby et al. | Cavity-enhanced absorption using an atomic line source: application to deep-UV measurements | |
Kumar et al. | Dual absorption broadband photoacoustic technique to eliminate interference in gas mixtures | |
RU2626389C1 (ru) | Способ оптического определения компонента, преимущественно сероводорода, и его концентрации в потоке газа | |
Singh et al. | Isotopic trace analysis of water vapor with multipass cavity Raman scattering | |
Aljalal et al. | Detection of nitrogen dioxide with tunable multimode blue diode Lasers | |
John et al. | A broadband cavity-enhanced spectrometer for atmospheric aerosol light extinction measurements | |
Lendl et al. | Mid-IR quantum cascade lasers as an enabling technology for a new generation of chemical analyzers for liquids | |
Salim et al. | An optical spectroscopic based reflective sensor for CO2 measurement with signal to noise ratio improvement |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190123 |