RU2679905C1 - Water vapor content in the natural gas measuring method and system - Google Patents

Water vapor content in the natural gas measuring method and system Download PDF

Info

Publication number
RU2679905C1
RU2679905C1 RU2018109253A RU2018109253A RU2679905C1 RU 2679905 C1 RU2679905 C1 RU 2679905C1 RU 2018109253 A RU2018109253 A RU 2018109253A RU 2018109253 A RU2018109253 A RU 2018109253A RU 2679905 C1 RU2679905 C1 RU 2679905C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
water vapor
analytical
natural gas
absorption spectrum
spectrum
Prior art date
Application number
RU2018109253A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Алексеевич Абрикосов
Максим Владимирович Спиридонов
Федор Юрьевич Хаджийский
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "СпектраТех"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "СпектраТех" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "СпектраТех"
Priority to RU2018109253A priority Critical patent/RU2679905C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2679905C1 publication Critical patent/RU2679905C1/en

Links

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
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03—Cuvette constructions
    • G01N21/031—Multipass arrangements
    • 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
    • G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers
    • 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
    • G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers
    • G01N2021/396—Type of laser source
    • G01N2021/399—Diode laser

Abstract

FIELD: measurement technology.SUBSTANCE: group of inventions relates to the field of gases analysis. Water vapor content in the natural gas measuring method and the system for its implementation include recording, using diode laser spectroscopy, of the natural gas sample in the analytical cell analytical absorption spectrum and the reference gas in the reference cell reference absorption spectrum. Measuring the natural gas sample in the analytical cell temperature and pressure, and recording the analytical and reference absorption spectra in the spectrum working region of about 940 nm, for which only the water absorption band is observed. Recorded the analytical spectrum using the multiple-pass analytical cell. As the reference gas the pure water vapor is used. By the reference absorption spectrum determining the wavelengths in the spectrum working region absolute scale. For the natural gas sample temperature and pressure measured values, calculating the water vapor in the analytical cell single concentration absorption spectrum. Using the least squares method, by the water vapor single concentration calculated absorption spectrum, determining the desired water vapor concentration in the natural gas sample in the selected measurement units as the analytical absorption spectrum in the absolute wavelength scale linear regression coefficient.EFFECT: reducing the water vapor content in the natural gas measurements time, the measurement system simplification, increase in its reliability, enabling high measurement accuracy and the measured values range expansion.13 cl, 7 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY

Изобретение относится к способу и системе для определения с помощью диодной лазерной спектроскопии содержания водяного пара в составе природного газа и может быть использовано на газоперерабатывающих и газотранспортных предприятиях.The invention relates to a method and system for determining the content of water vapor in natural gas using diode laser spectroscopy and can be used in gas processing and gas transmission enterprises.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND OF THE INVENTION

Природный газ - один из наиболее доступных и экологически чистых источников энергии. Основным видом его транспортировки является прокачка по трубам под давлением 75 атм. Перед транспортировкой природный газ очищается несколькими последовательными процессами. Одним из загрязнителей, представляющих особый интерес, является водяной пар, чрезмерное содержание которого является основной причиной коррозии трубопровода. Также наличие водяного пара является фактором, снижающим теплотворную способность (удельную теплоту сгорания) природного газа. В связи с этим для магистрального газа концентрация водяного пара в природном газе обычно не должна превышать ~ 20 частей на миллион по объему, то есть, 20 ppmv. Превышение допустимого уровня влажности природного газа может привести к существенным потерям доходов из-за исков потребителей и вынужденной остановки газотранспортной системы.Natural gas is one of the most affordable and environmentally friendly sources of energy. The main type of transportation is pumping through pipes at a pressure of 75 atm. Before transportation, natural gas is purified by several sequential processes. One of the pollutants of particular interest is water vapor, the excessive content of which is the main cause of pipeline corrosion. Also, the presence of water vapor is a factor that reduces the calorific value (specific heat of combustion) of natural gas. In this regard, for the main gas, the concentration of water vapor in natural gas should usually not exceed ~ 20 ppmv, i.e., 20 ppmv. Exceeding the permissible moisture level of natural gas can lead to significant loss of income due to consumer claims and the forced shutdown of the gas transmission system.

В настоящее время для измерения влажности природного газа используются устройства, работающие на различных физических принципах:Currently, to measure the humidity of natural gas, devices are used that operate on various physical principles:

- анализаторы, измеряющие температуру конденсации паров воды на охлаждаемом зеркале (патент РФ №2346264, опубл. 2009.02.10);- analyzers measuring the temperature of condensation of water vapor on a cooled mirror (RF patent No. 2346264, publ. 2009.02.10);

- анализаторы с электролитической ячейкой (патент РФ №2263936, опубл. 2005.11.10).- analyzers with an electrolytic cell (RF patent No. 2263936, publ. 2005.11.10).

- анализаторы, использующие емкостные датчики (патент РФ №2296318, опубл. 2007.03), в которых емкость конденсатора, образованного двумя электродами и диэлектриком изменяется при изменении давления паров воды.- analyzers using capacitive sensors (RF patent No. 2296318, publ. 2007.03), in which the capacitance of a capacitor formed by two electrodes and a dielectric changes when the water vapor pressure changes.

Однако эти методы и устройства и обладают рядом недостатков:However, these methods and devices have several disadvantages:

- длительное время измерения, например, для образования конденсата на охлаждаемом зеркале при низкой влажности может потребоваться несколько часов;- a long measurement time, for example, it may take several hours to form condensate on a cooled mirror at low humidity;

- неспособность отличить воду от технологических примесей (метанол, диэтиленгликоль, СО2 и т.д.), содержащихся в природном газе, из-за чего фактически измеряется содержание водяного раствора примесей, а не чистой воды, что может привести к существенному искажению результатов;- the inability to distinguish water from technological impurities (methanol, diethylene glycol, CO 2 , etc.) contained in natural gas, which is why the content of an aqueous solution of impurities rather than pure water is actually measured, which can lead to a significant distortion of the results;

- неизбежное загрязнение чувствительного элемента прибора при помещении его в газовый поток, когда поверхность датчика покрывается пленкой диэтиленгликоля, которая изолирует его от измеряемого газа.- the inevitable contamination of the sensitive element of the device when it is placed in a gas stream when the surface of the sensor is covered with a film of diethylene glycol, which isolates it from the measured gas.

Указанные недостатки могут быть устранены на основе способов и систем диодной лазерной спектроскопии, являющейся одним из наиболее мощных современных методов газового анализа, уникальные диагностические возможности которой обусловлены редким сочетанием спектральных свойств перестраиваемых диодных лазеров, обладающих одновременно узкой линией и широкодиапазонной перестройкой частоты генерации (Диодная лазерная спектроскопия и анализ молекул-биомаркеров / Е. В. Степанов. - Москва: Физматлит, 2009). Низкий уровень амплитудных и частотных шумов перестраиваемых диодных лазеров позволяет регистрировать резонансное молекулярное поглощение с чувствительностью к изменению оптической плотности вплоть до 10-7 и спектральным разрешением ~ 3-10-4 см-1. Электронное управление параметрами излучения перестраиваемых диодных лазеров дает возможность достаточно легко автоматизировать системы на основе таких лазеров и обеспечивает высокие скорости управления частотой их излучения.These shortcomings can be eliminated on the basis of methods and systems of diode laser spectroscopy, which is one of the most powerful modern methods of gas analysis, the unique diagnostic capabilities of which are due to the rare combination of spectral properties of tunable diode lasers, which have both a narrow line and a wide-range tuning of the generation frequency (Diode laser spectroscopy and analysis of biomarker molecules / E. V. Stepanov. - Moscow: Fizmatlit, 2009). The low level of amplitude and frequency noise of tunable diode lasers makes it possible to register resonant molecular absorption with a sensitivity to a change in optical density of up to 10 -7 and a spectral resolution of ~ 3-10 -4 cm -1 . Electronic control of the radiation parameters of tunable diode lasers makes it possible to easily automate systems based on such lasers and provides high speeds for controlling the frequency of their radiation.

Так, из патента США 7679059, опубл. 03.16.2010, известен способ измерения содержания водяного пара в природном газе, включающий регистрацию с помощью диодной лазерной спектроскопии аналитического спектра поглощения пробы природного газа в аналитической кювете и реперного спектра поглощения реперного газа в реперной кювете.So, from US patent 7679059, publ. 03/03/2010, there is a known method for measuring the water vapor content in natural gas, including registration by diode laser spectroscopy of the analytical absorption spectrum of a natural gas sample in an analytical cell and the reference absorption spectrum of a reference gas in a reference cell.

Способ и система для его реализации позволяют количественно определять низкие концентрации водяного пара в природном газе на основе спектроскопии дифференциального поглощения с использованием в качестве реперного газа дегидратированного образца природного газа. Регистрацию осуществляют в рабочих областях спектра, находящихся в диапазоне от 1359,5 до 2740,3 нм, в которых поглощение молекулами воды отличается от поглощения молекулами природного газа. Спектральный принцип позволяет безошибочно отличать воду от других веществ, тем самым повышая точность измерений. При этом не требуется датчиков, входящих в контакт с исследуемым газом, поэтому отсутствие в газовом тракте чувствительного элемента избавляет от необходимости менять этот элемент при загрязнении, снижая стоимость эксплуатации.The method and system for its implementation make it possible to quantify low concentrations of water vapor in natural gas based on differential absorption spectroscopy using a dehydrated sample of natural gas as a reference gas. Registration is carried out in the working spectral ranges in the range from 1359.5 to 2740.3 nm, in which the absorption by water molecules differs from the absorption by natural gas molecules. The spectral principle makes it possible to accurately distinguish water from other substances, thereby increasing the accuracy of measurements. At the same time, sensors that come into contact with the test gas are not required; therefore, the absence of a sensitive element in the gas path eliminates the need to change this element in case of contamination, reducing the cost of operation.

Однако способ дифференциальной спектроскопии поглощения требует процедуры дегидратации пробы природного газа при каждом измерении, что увеличивает время измерения, усложняет устройство для измерения влажности природного газа и увеличивает стоимость его эксплуатации.However, the differential absorption spectroscopy method requires a natural gas sample dehydration procedure for each measurement, which increases the measurement time, complicates the device for measuring the humidity of natural gas and increases the cost of its operation.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, относится к созданию способа и системы для измерения с высокой точностью содержания водяного пара в природном газе, в том числе при низких, ~ 1 ppm, концентрациях, обеспечение высокой надежности и низкой стоимости эксплуатации системы измерений.The technical problem to which the invention is directed relates to the creation of a method and system for measuring with high accuracy the water vapor content in natural gas, including at low, ~ 1 ppm, concentrations, ensuring high reliability and low cost of operation of the measurement system.

Достижение указанных целей возможно с помощью способа измерения содержания водяного пара в природном газе, включающего регистрацию с помощью диодной лазерной спектроскопии аналитического спектра поглощения пробы природного газа в аналитической кювете и реперного спектра поглощения реперного газа в реперной кювете.Achieving these goals is possible using a method of measuring the water vapor content in natural gas, which includes recording, using diode laser spectroscopy, an analytical absorption spectrum of a natural gas sample in an analytical cell and a reference absorption spectrum of a reference gas in a reference cell.

Отличие способа состоит в том, что измеряют температуру и давление пробы природного газа в аналитической кювете,The difference between the method is that they measure the temperature and pressure of a natural gas sample in an analytical cell,

аналитический и реперный спектры поглощения регистрируют в рабочей области спектра около 940 нм, для которой наблюдается только полоса поглощения воды, причем аналитический спектр регистрируют, используя многопроходную аналитическую кювету,analytical and reference absorption spectra are recorded in the working region of the spectrum at about 940 nm, for which only the water absorption band is observed, and the analytical spectrum is recorded using a multi-pass analytical cell,

в качестве реперного газа используют чистый водяной пар, и по реперному спектру поглощения определяют абсолютную шкалу длин волн в рабочей области спектра,pure water vapor is used as the reference gas, and the absolute wavelength scale in the working region of the spectrum is determined from the reference absorption spectrum

для измеренных значений температуры и давления пробы природного газа рассчитывают спектр поглощения паров воды единичной концентрации в аналитической кювете,for the measured values of temperature and pressure of the natural gas sample, the absorption spectrum of water vapor of a single concentration in the analytical cell is calculated,

методом наименьших квадратов определяют в выбранных единицах измерения искомую концентрацию паров воды в пробе природного газа как коэффициент линейной регрессии аналитического спектра поглощения в абсолютной шкале длин волн по расчетному спектру поглощения паров воды единичной концентрации.the least squares method is used to determine the desired concentration of water vapor in the sample of natural gas in the selected units of measurement as the coefficient of linear regression of the analytical absorption spectrum in the absolute wavelength scale from the calculated absorption spectrum of water vapor of a single concentration.

Предпочтительно определяют центры спектральных линий в реперном спектре поглощения, идентифицируют линии в реперном спектре поглощения, определяют длины волн в центрах линий реперного спектра поглощения и получают абсолютную шкалу длин волн во всей рабочей области спектра.Preferably, the centers of the spectral lines in the reference absorption spectrum are determined, the lines in the reference absorption spectrum are identified, the wavelengths in the centers of the lines of the reference absorption spectrum are determined, and an absolute wavelength scale is obtained over the entire working region of the spectrum.

Предпочтительно, что в рабочей области спектра, соответствующей области спектральной перестройки диодного лазера, наблюдается не менее трех спектральных линий поглощения водяного параIt is preferable that at least three spectral absorption lines of water vapor are observed in the working region of the spectrum corresponding to the region of spectral tuning of the diode laser

Предпочтительно давление водяного пара в реперной кювете находится в диапазоне от 103 до 3⋅103 Па.Preferably, the water vapor pressure in the reference cell is in the range of 10 3 to 3 × 10 3 Pa.

Предпочтительно определяют длины волн в центрах линий реперного спектра и рассчитывают спектр поглощения паров воды, используя базу данных молекулярного поглощения с высоким разрешением, например, базу данных HITRAN (англ.- high-resolution transmission molecular absorption database.).Preferably, the wavelengths are determined at the centers of the lines of the reference spectrum and the absorption spectrum of water vapor is calculated using a high-resolution molecular absorption database, for example, a HITRAN (high-resolution transmission molecular absorption database).

Предпочтительно длина оптического пути в многопроходной аналитической кювете составляет от 10 до 30 мPreferably, the optical path length in the multi-pass analytical cell is 10 to 30 m

В вариантах изобретения ширина линии излучения лазера не более 10-4 нм.In embodiments of the invention, the laser emission line width is not more than 10 -4 nm.

Предпочтительно излучение диодного лазера выводят в оптическое волокно и направляют в аналитическую кювету и в реперную кювету, используя оптоволоконный разветвитель.Preferably, the diode laser radiation is output into an optical fiber and sent to an analytical cell and a reference cell using a fiber optic splitter.

В другом аспекте изобретение относится к системе для измерения содержания водяного пара в природном газе с помощью диодной лазерной спектроскопии, включающей в себя перестраиваемый диодный лазер и блок обработки и управления с каналами регистрации аналитического спектра поглощения пробы природного газа в аналитической кювете и реперного спектра поглощения реперного газа в реперной кювете.In another aspect, the invention relates to a system for measuring the water vapor content in natural gas using diode laser spectroscopy, which includes a tunable diode laser and a processing and control unit with channels for recording the analytical absorption spectrum of a natural gas sample in an analytical cell and a reference absorption spectrum of a reference gas in the reference cell.

Система характеризуется тем, что диапазон перестройки диодного лазера включает в себя длину волны 940 нм, аналитическая кювета является многопроходной и оснащена датчиками измерения температуры и давления пробы природного газа, блок обработки и управления обеспечивает: определение по реперному спектру поглощения абсолютной шкалы длин волн в диапазоне перестройки диодного лазер; расчет спектра поглощения паров воды единичной концентрации в аналитической кювете при измеренных значениях температуры и давления пробы природного газа; определение искомой концентрации паров воды в пробе природного газа как коэффициента линейной регрессии аналитического спектра поглощения в абсолютной шкале длин волн по расчетному спектру поглощения паров воды единичной концентрации.The system is characterized by the fact that the tuning range of the diode laser includes a wavelength of 940 nm, the analytical cell is multi-pass and is equipped with sensors for measuring temperature and pressure of a natural gas sample, the processing and control unit provides: determination of the absolute absorption wavelength spectrum in the tuning range by the reference absorption spectrum diode laser; calculation of the absorption spectrum of water vapor of a single concentration in the analytical cell at the measured values of temperature and pressure of the natural gas sample; determination of the desired concentration of water vapor in a natural gas sample as a linear regression coefficient of the analytical absorption spectrum in the absolute wavelength scale from the calculated absorption spectrum of water vapor of a single concentration.

Предпочтительно реперным газом служит чистый водяной пар с давлением от 103 до 3⋅103 Па, при этом ширина диапазона перестройки диодного лазера обеспечивает наблюдение в нем, по меньшей мере, трех спектральных линий поглощения водяного пара.Preferably, the reference gas is pure water vapor with a pressure of from 10 3 to 3 × 10 3 Pa, while the width of the tuning range of the diode laser allows at least three spectral absorption lines of water vapor to be observed in it.

Ширина линии излучения диодного лазера может быть не более 10-4 нм.The width of the emission line of a diode laser can be no more than 10 -4 nm.

Длина оптического пути в многопроходной аналитической кювете предпочтительно составляет от 10 до 30 м.The optical path length in the multi-pass analytical cell is preferably 10 to 30 m.

Предпочтительно диодный лазер имеет оптоволоконный вывод излучения, и лазерное излучение направляется в аналитическую кювету и в реперную кювету с помощью оптоволоконного разветвителя.Preferably, the diode laser has a fiber optic output, and the laser radiation is directed to the analytical cell and to the reference cell using a fiber optic splitter.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является высокая, до ±0.1 ppmv, точность измерений концентрации водяного пара в природном газе, в том числе при низких, до 0.2 ppmv, концентрациях паров воды, сокращение времени измерений, упрощение и повышение надежности системы измерений, снижение стоимости ее эксплуатации.The technical result provided by the given set of features is high, up to ± 0.1 ppmv, accuracy of measuring water vapor concentration in natural gas, including at low, up to 0.2 ppmv, water vapor concentrations, reducing measurement time, simplifying and increasing the reliability of the measurement system, reduction in the cost of its operation.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Сущность изобретения поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На Фиг. 1 схематично изображена система для измерения содержания водяного пара в природном газе.In FIG. 1 schematically shows a system for measuring the content of water vapor in natural gas.

На Фиг. 2 - полосы поглощения метана и воды в ближней ИК области.In FIG. 2 - absorption bands of methane and water in the near infrared region.

На Фиг. 3 - форма тока инжекции диодного лазера.In FIG. 3 is a form of injection current of a diode laser.

На Фиг. 4 - сигналы в трех оптических каналах системы.In FIG. 4 - signals in the three optical channels of the system.

На Фиг. 5 - измеренный и расчетный спектры поглощения.In FIG. 5 - measured and calculated absorption spectra.

На Фиг. 6 - результат измерения концентрации паров воды, варьируемой от 0.2 до 170 ppm в пробе газа.In FIG. 6 - the result of measuring the concentration of water vapor, varying from 0.2 to 170 ppm in the gas sample.

На Фиг. 7 - Результат измерения, показанный на участке шкалы от 34.9125 до 35.9525 ppm, характеризующий малую величину отношения сигнал/шум.In FIG. 7 - The measurement result, shown on the section of the scale from 34.9125 to 35.9525 ppm, characterizing a small signal-to-noise ratio.

На чертежах совпадающие элементы устройства имеют одинаковые номера позиций.In the drawings, matching device elements have the same item numbers.

Данные чертежи не охватывает и, тем более, не ограничивают весь объем вариантов реализации данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частных случаев его выполнения.These drawings do not cover and, moreover, do not limit the entire scope of options for implementing this technical solution, but are only illustrative materials of particular cases of its implementation.

ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯMODES FOR CARRYING OUT THE INVENTION

На Фиг. 1 изображена система для измерения с помощью диодной лазерной спектроскопии содержания водяного пара в природном газе. Система включает в себя перестраиваемый диодный лазер 1 и блок обработки и управления 2, определяющий на основе сигналов первого фотодетектора 3 и второго фотодетектора 4 спектры поглощения соответственно пробы природного газа в аналитической кювете 5 и реперного газа в реперной кювете 6.In FIG. 1 shows a system for measuring the content of water vapor in natural gas using diode laser spectroscopy. The system includes a tunable diode laser 1 and a processing and control unit 2, which determines, based on the signals from the first photodetector 3 and the second photodetector 4, the absorption spectra of the natural gas sample in the analytical cell 5 and the reference gas in the reference cell 6, respectively.

Диапазон перестройки диодного лазер включает в себя длину волны 940 нм.The tuning range of the diode laser includes a wavelength of 940 nm.

Аналитическая кювета 5 является многопроходной и оснащена датчиками 7 измерения температуры и давления пробы природного газа.The analytical cell 5 is multi-pass and is equipped with sensors 7 for measuring the temperature and pressure of a natural gas sample.

Блок обработки и управления 2 обеспечивает:The processing and control unit 2 provides:

- определение по реперному спектру поглощения абсолютной шкалы длин волн в диапазоне перестройки диодного лазера 1;- determination from the reference absorption spectrum of the absolute wavelength scale in the tuning range of the diode laser 1;

- расчет спектра поглощения паров воды единичной концентрации в аналитической кювете 5 при измеренных значениях температуры и давления пробы природного газа;- calculation of the absorption spectrum of water vapor of a single concentration in the analytical cell 5 at the measured values of temperature and pressure of the natural gas sample;

- определение методом наименьших квадратов в выбранных единицах измерения искомой концентрации паров воды в пробе природного газа как коэффициента линейной регрессии аналитического спектра поглощения в абсолютной шкале длин волн по расчетному спектру поглощения паров воды единичной концентрации.- determination by the least squares method in the selected units of measurement of the desired concentration of water vapor in the natural gas sample as a linear regression coefficient of the analytical absorption spectrum in the absolute wavelength scale from the calculated absorption spectrum of water vapor of a single concentration.

Блок обработки и управления 2 выполнен с возможностью обеспечения работы системы для измерения содержания водяного пара в природном газе в программируемом автоматическом режиме. Предпочтительно блок обработки и управления 2 снабжен панелью индикации и управления, а также средствами, в том числе беспроводными, передачи данных на внешние интерфейсы.The processing and control unit 2 is configured to provide a system for measuring the content of water vapor in natural gas in a programmable automatic mode. Preferably, the processing and control unit 2 is provided with an indication and control panel, as well as means, including wireless, for transmitting data to external interfaces.

Предпочтительно реперным газом служит чистый водяной пар при давлении от 103 до 3⋅103 Па, обеспечивающем минимальное уширение линий поглощения. Для высокой точности определения абсолютной шкалы длин волн по реперному спектру диапазон перестройки диодного лазера выбран так, чтобы обеспечить наблюдение в нем, по меньшей мере, трех спектральных линий поглощения водяного пара.Preferably, the reference gas is pure water vapor at a pressure of from 10 3 to 3 · 10 3 Pa, which ensures minimal broadening of the absorption lines. For high accuracy in determining the absolute wavelength scale from the reference spectrum, the tuning range of the diode laser is chosen so as to ensure that it observes at least three absorption lines of water vapor.

Пробы природного газа в аналитическую кювету 5 подаются через входной газовый порт 8, а затем удаляются через выходной газовый порт 9. Предпочтительно управление газовыми портами 8, 9 осуществляется с помощью электромагнитных клапанов. Входной порт 8 может быть подсоединен к трубопроводу через устройство отбора пробы газа с газовым редуктором, понижающим давление в газовой линии, соединенной с входным портом 8. Входной и выходной порты могут быть смонтированы на одном общем патрубке аналитической кюветы.Natural gas samples are supplied to the analytical cell 5 through the inlet gas port 8, and then removed through the outlet gas port 9. Preferably, the gas ports 8, 9 are controlled by electromagnetic valves. The inlet port 8 can be connected to the pipeline through a gas sampling device with a gas reducer that reduces the pressure in the gas line connected to the inlet port 8. The inlet and outlet ports can be mounted on the same common pipe of the analytical cell.

Диодный лазер 1 предпочтительно имеет вывод излучения в оптоволокно 10. При этом излучение диодного лазера направляется в аналитическую кювету 5 и в реперную кювету 6 с помощью оптоволоконного делителя 11, оптических волокон 12, 13 и оптических коллиматоров 14, 15.The diode laser 1 preferably has a radiation output to the optical fiber 10. In this case, the radiation of the diode laser is directed to the analytical cell 5 and to the reference cell 6 using the optical fiber divider 11, optical fibers 12, 13 and optical collimators 14, 15.

Для увеличения оптического пути лазерный пучок 16 в аналитической кювете 5 многократно отражается от системы зеркал 17, 18, проходя через оптические окна 19, 20 аналитической кюветы.To increase the optical path, the laser beam 16 in the analytical cell 5 is repeatedly reflected from the system of mirrors 17, 18, passing through the optical windows 19, 20 of the analytical cell.

В реперной кювете 5 лазерный пучок 21 может иметь отражение от зеркала 22.In the reference cell 5, the laser beam 21 may be reflected from the mirror 22.

Сигналы с фотодетекторов 3, 4, предпочтительно снабженных усилителями, поступают на блок обработки и управления 2 соответственно по аналитическому каналу 23 и реперному каналу 24. Сигнал с фотодетектора (не показан), регистрирующего излучение на выходе диодного лазера 1, поступает на блок обработки и управления 2 по каналу базовой линии 25. Этот сигнал необходим для нормировки интенсивностей сигналов в реперном и аналитическом каналах 23, 24.The signals from the photodetectors 3, 4, preferably equipped with amplifiers, are fed to the processing and control unit 2, respectively, through the analytical channel 23 and the reference channel 24. The signal from the photodetector (not shown), which registers the radiation at the output of the diode laser 1, is fed to the processing and control unit 2 along the channel of the baseline 25. This signal is necessary to normalize the signal intensities in the reference and analytical channels 23, 24.

В соответствии с изобретением рабочая область спектра, соответствующая диапазону перестройки диодного лазера, включает в себя длину волны 940 нм. Выбор рабочей спектральной области около 940 нм обусловлен следующими факторами, иллюстрируемыми Фиг. 2, на которой представлены полосы поглощения воды и метана в ближней ИК области.In accordance with the invention, the working region of the spectrum corresponding to the tuning range of the diode laser includes a wavelength of 940 nm. The choice of the working spectral region of about 940 nm is due to the following factors, illustrated in FIG. 2, which shows the absorption bands of water and methane in the near infrared region.

В областях около 1.12 и 1.4 мкм линии воды полностью маскируются линиями метана, поэтому измерение содержания воды с требуемой чувствительностью, около 1 ppm, практически невозможно.In areas of about 1.12 and 1.4 μm, water lines are completely masked by methane lines, so measuring the water content with the required sensitivity, about 1 ppm, is almost impossible.

В области 1.9 мкм ситуация иная, и именно в этой области работают известные оптические системы, измеряющие концентрацию воды в природном газе. В этой области есть всего одна частично разрешенная линия поглощения воды на длине волны 1.877 мкм (5327.4 см-1), пригодная для измерений. Однако, эта линия поглощения воды, хорошо выделяющаяся на фоне спектра метана при концентрации воды 100 ppm, почти неразличима при концентрации воды 5 ppm, что не позволяет измерять содержание воды на уровне 1 ppm.In the 1.9 μm region, the situation is different, and it is in this region that well-known optical systems that measure the concentration of water in natural gas work. In this area there is only one partially resolved water absorption line at a wavelength of 1.877 μm (5327.4 cm -1 ), suitable for measurements. However, this water absorption line, which stands out well against the background of the methane spectrum at a water concentration of 100 ppm, is almost indistinguishable at a water concentration of 5 ppm, which does not allow measuring the water content at 1 ppm.

По этим причинам спектральная область около 940 нм, например в диапазоне от 920 до 960 нм, оптимальна для измерения влажности природного газа, так как в ней наблюдается только полоса поглощения воды, Фиг. 2. Вместе с тем, в этой области коэффициент поглощения воды относительно мал, примерно в 20 раз меньше, чем для области 1.9 мкм, что определяет необходимость использования многопроходной аналитической кюветы, предпочтительно с длиной оптического пути от 10 до 30 метров, для измерений малых, 1 ppm и менее, концентраций паров воды.For these reasons, the spectral region of about 940 nm, for example in the range from 920 to 960 nm, is optimal for measuring the moisture content of natural gas, since only the absorption band of water is observed in it, FIG. 2. However, in this region, the water absorption coefficient is relatively small, about 20 times less than for the 1.9 μm region, which determines the need for using a multi-pass analytical cell, preferably with an optical path length of 10 to 30 meters, for measuring small, 1 ppm or less, water vapor concentrations.

В вариантах изобретения многопроходная оптическая система зеркал 19, 20 аналитической кюветы 5 может быть построена по известной схеме Эррио (Herriott) с вводом и выводом излучения с противоположных сторон системы через оптические отверстия в зеркалах 19, 20. В этой схеме полное число проходов N=8М+1, где М -число орбит, которые луч должен описать для полного обхода и замыкания системы. В варианте изобретения, реализованном в опытном образце системы, М=8, полное число проходов N=65, радиус кривизны зеркал R=1 м, расстояние между зеркалами S=0,2765 м, полная оптическая длина системы L=S⋅N=18 м.In embodiments of the invention, the multi-pass optical system of mirrors 19, 20 of the analytical cell 5 can be constructed according to the well-known Herriott scheme with the input and output of radiation from opposite sides of the system through the optical holes in the mirrors 19, 20. In this scheme, the total number of passes N = 8M +1, where M is the number of orbits that the beam must describe to completely bypass and close the system. In the embodiment of the invention implemented in the prototype system, M = 8, the total number of passes N = 65, the radius of curvature of the mirrors R = 1 m, the distance between the mirrors S = 0.2765 m, the total optical length of the system L = S⋅N = 18 m

Существенным преимуществом предложенной системы для измерения содержания водяного пара в природном газе от известных аналогов, основанных на диодной лазерной спектроскопии дифференциального поглощения, является повышение точности измерений и устранение трудоемкой процедуры подготовки проб реперного газа при каждом измерении, что значительно упрощает систему измерений, повышает ее надежность, снижает стоимость эксплуатации.A significant advantage of the proposed system for measuring the water vapor content in natural gas from known analogues based on differential absorption diode laser spectroscopy is an increase in measurement accuracy and elimination of the laborious procedure for preparing reference gas samples for each measurement, which greatly simplifies the measurement system and increases its reliability, reduces the cost of operation.

Способ измерения содержания водяного пара в природном газе с использованием системы, изображенной на Фиг. 1, осуществляют, следующим образом.A method for measuring water vapor content in natural gas using the system shown in FIG. 1 is carried out as follows.

С помощью диодной лазерной спектроскопии регистрируют аналитический спектр поглощения пробы природного газа в аналитической кювете и реперный спектр поглощения реперного газа в реперной кювете.Using diode laser spectroscopy, the analytical absorption spectrum of a natural gas sample in an analytical cell and the reference absorption spectrum of a reference gas in a reference cell are recorded.

Для генерации перестраиваемого по длине волны лазерного излучения на диодный лазер 1 подают периодический ток инжекции специальной формы. Один из периодов тока инжекции диодного лазера показан на Фиг. 3. На периоде тока инжекции можно выделить три области.To generate a tunable laser wavelength, a periodic injection current of a special shape is supplied to the diode laser 1. One of the periods of the injection current of the diode laser is shown in FIG. 3. In the injection current period, three regions can be distinguished.

I - нулевой ток, диодный лазер выключен; в этой области записывают электрический уровень оптического нуля.I - zero current, diode laser is off; in this area, the electrical level of the optical zero is recorded.

II - область выхода диодного лазера на стационарный режим работы; это нерабочая область с постоянным током инжекции, она необходима для завершения переходных процессов в диодном лазере после его включения.II - the region where the diode laser reaches the stationary mode of operation; this is a non-working area with a direct injection current, it is necessary to complete the transient processes in a diode laser after it is turned on.

III - основная рабочая область; в этой области ток инжекции линейно нарастает, что приводит к сканированию длины волны излучения диодного лазера.III - the main work area; In this region, the injection current increases linearly, which leads to a scan of the radiation wavelength of the diode laser.

Предпочтительно излучение диодного лазера 1 выводят в оптическое волокно 10 и направляют в аналитическую кювету 5 и в реперную кювету 6, используя оптоволоконный разветвитель 11 и оптические волокна 12, 13 с оптическими коллиматорами 14, 15.Preferably, the radiation from the diode laser 1 is output to an optical fiber 10 and sent to an analytical cell 5 and a reference cell 6 using an optical fiber splitter 11 and optical fibers 12, 13 with optical collimators 14, 15.

Ширина линии излучения диодного лазера предпочтительно составляет не более 10-4 нм, что дает возможность измерять истинную форму спектральных линий.The width of the radiation line of the diode laser is preferably not more than 10 -4 nm, which makes it possible to measure the true shape of the spectral lines.

Излучение от диодного лазера 1 регистрируют блоком обработки и управления 2 по трем оптическим каналам: каналу базовой линии 25, реперному каналу 24, аналитическому каналу 23, Фиг. 1. В процессе регистрации сигналы усиливают и отцифровывают.The radiation from the diode laser 1 is recorded by the processing and control unit 2 via three optical channels: the channel of the baseline 25, the reference channel 24, the analytical channel 23, FIG. 1. During the registration process, the signals are amplified and digitized.

На Фиг. 4 для одного из вариантов показан сигнал 26 канала базовой линии, сигнал 27 реперного канала и сигнал 28 аналитического канала, полученные с опытным образцом системы для измерения содержания водяного пара в природном газе. Сигнал канала базовой линии 26 используется для получения в других каналах базовой линии нулевого поглощения и для нормировки интенсивностей сигналов 27, 28 реперного и аналитического каналов в процессе обработки для получения аналитического и реперного спектров.In FIG. 4 for one of the options shows the signal 26 of the channel of the baseline, the signal 27 of the reference channel and the signal 28 of the analytical channel obtained with a prototype system for measuring the content of water vapor in natural gas. The channel signal of the baseline 26 is used to obtain zero absorption in other channels of the baseline and to normalize the intensities of the signals 27, 28 of the reference and analytical channels during processing to obtain analytical and reference spectra.

В соответствии с изобретением получают аналитический и реперный спектры поглощения в рабочей области спектра около 940 нм, для которой наблюдается только полоса поглощения воды. Для этого перестройку диодного лазера осуществляют в диапазоне, включающем в себя длину волны 940 нм.In accordance with the invention, analytical and reference absorption spectra are obtained in the working region of the spectrum of about 940 nm, for which only a water absorption band is observed. For this, the tuning of the diode laser is carried out in the range including the wavelength of 940 nm.

Для обеспечения высокой, до 0.2 ppm, чувствительности системы измерений содержания водяного пара в природном газе, а также для ее компактности, используют многопроходную аналитическую кювету 5, длина оптического пути в которой предпочтительно составляет от 10 до 30 м. Аналитическая кювета оснащена датчиками 7, с помощью которых измеряют температуру и давление пробы природного газа в аналитической кювете.To ensure a high sensitivity, up to 0.2 ppm, of the system for measuring the water vapor content in natural gas, as well as for its compactness, a multi-pass analytical cell 5, the optical path length of which is preferably from 10 to 30 m, is used. The analytical cell is equipped with sensors 7, s with the help of which the temperature and pressure of a natural gas sample are measured in an analytical cell.

В качестве реперного газа используют чистый водяной пар. Определяют центры спектральных линий в реперном спектре поглощения, идентифицируют линии в реперном спектре поглощения, определяют длины волн в центрах линий реперного спектра поглощения и получают абсолютную шкалу длин волн во всей рабочей области спектра. В реперной кювете водяной пар содержат при низком давлении, в диапазоне от 103 до 3⋅103 Па, чтобы обеспечить минимальное уширение линий поглощения. Ширина рабочей области спектра выбирается так, чтобы в ней наблюдалось не менее трех спектральных линий поглощения водяного пара. Это обеспечивает высокую точность определения абсолютной шкалы длин волн, используемой для получения аналитического спектра поглощения.Pure water vapor is used as the reference gas. The centers of the spectral lines in the reference absorption spectrum are determined, the lines in the reference absorption spectrum are identified, the wavelengths in the centers of the lines of the reference absorption spectrum are determined, and an absolute wavelength scale is obtained in the entire working region of the spectrum. The reference cell contains water vapor at low pressure, in the range from 10 3 to 3 × 10 3 Pa, to ensure minimal broadening of the absorption lines. The width of the working region of the spectrum is chosen so that at least three spectral absorption lines of water vapor are observed in it. This provides high accuracy in determining the absolute wavelength scale used to obtain the analytical absorption spectrum.

Для измеренных с помощью датчиков 7 значений температуры и давления пробы природного газа рассчитывают спектр поглощения паров воды единичной концентрации (например, 1 ppm) в аналитической кювете 5. Затем методом наименьших квадратов определяют в выбранных единицах измерения (в данном примере- в ppm) искомую концентрацию паров воды в пробе природного газа как коэффициент линейной регрессии аналитического спектра поглощения в абсолютной шкале длин волн по расчетному спектру поглощения паров воды единичной концентрации.For the temperature and pressure values of natural gas samples measured using sensors 7, the absorption spectrum of water vapor of a single concentration (for example, 1 ppm) is calculated in analytical cuvette 5. Then, the least concentration is determined in the selected units (in this example, in ppm) by the least squares method water vapor in a natural gas sample as a linear regression coefficient of the analytical absorption spectrum in the absolute wavelength scale according to the calculated absorption spectrum of water vapor of a single concentration.

Для иллюстрации на Фиг. 5 представлены полученный аналитический спектр поглощения 29 (белая линия) и расчетный спектр 30 поглощения паров воды в аналитической кювете (выделен закрашенной областью под спектральной кривой). На Фиг. 5 спектры выражены в виде зависимостей коэффициента поглощения от волнового числа. Коэффициент регрессии находится методом наименьших квадратов так, чтобы среднеквадратичное отклонение расчетного спектра 30 от полученного аналитического спектра поглощения 29 было минимальным, предпочтительно не более 0,3%.To illustrate in FIG. Figure 5 shows the obtained analytical absorption spectrum 29 (white line) and the calculated absorption spectrum 30 of water vapor in the analytical cell (highlighted by the shaded area under the spectral curve). In FIG. 5 spectra are expressed as dependences of the absorption coefficient on the wave number. The regression coefficient is found by the least squares method so that the standard deviation of the calculated spectrum 30 from the obtained analytical absorption spectrum 29 is minimal, preferably not more than 0.3%.

В предпочтительных вариантах изобретения определение длин волн в центрах линий реперного спектра и расчет спектра поглощения паров воды единичной концентрации производят, используя базу данных молекулярного поглощения с высоким разрешением HITRAN (англ.- high-resolution transmission molecular absorption database).In preferred embodiments of the invention, the determination of wavelengths at the centers of the lines of the reference spectrum and the calculation of the absorption spectrum of water vapor of a single concentration are performed using the high-resolution transmission molecular absorption database (HITRAN).

В одном из вариантов реализации настоящего изобретения были получены следующие основные результаты.In one embodiment of the present invention, the following main results have been obtained.

Нижний предел измерения содержания паров воды был достигнут при заполнении до нормального давления аналитической кюветы поверочным «нулевым» газом - азотом марки А. После продувки аналитической кюветы поверочным газом минимальное измеренное содержание паров воды составило 0.2 ppm, ошибка измерений (шумовая дорожка) была не более ±0.1 ppm. Затем был открыт натекатель для напуска воздуха в аналитическую кювету, после чего содержание водяного пара в ней выросло с 0.2 до 107 ppm за 20 минут, как иллюстрируется Фиг. 6, на котором показана зависимость 31 изменения содержания паров воды в пробе газа от времени в данном тесте.The lower limit of the measurement of water vapor content was achieved when the analytical cell was filled to normal pressure with a “zero” gas — grade A nitrogen. After purging the analytical cell with a calibration gas, the minimum measured water vapor content was 0.2 ppm, the measurement error (noise path) was not more than ± 0.1 ppm. Then, a leak was opened to allow air to enter the analytical cell, after which the water vapor content in it increased from 0.2 to 107 ppm in 20 minutes, as illustrated in FIG. 6, which shows the dependence of 31 changes in water vapor content in a gas sample on time in this test.

Также измерялось содержание водяного пара в пробах, отбираемых из баллона с сжиженном природным газом. После нескольких смен проб газа измеряемая величина стабилизировалась на уровне 35 ppm. На Фиг. 7 зависимостью 32 представлен результат измерения содержания водяного пара в природном газе, показанный так, чтобы было видно каждое измеренное значение. Для этого приведены значения для 256 последовательных измерений, показанных на участке шкалы ординат от 34.9125 до 35.9525 ppm. Из Фиг. 7 видно, что погрешность измерений не превышает ±0.1 ppm.The water vapor content of the samples taken from the liquefied natural gas cylinder was also measured. After several changes in gas samples, the measured value stabilized at 35 ppm. In FIG. 7, dependence 32 shows the result of measuring the water vapor content in natural gas, shown so that each measured value is visible. To do this, the values for 256 consecutive measurements shown on the plot of the ordinate scale from 34.9125 to 35.9525 ppm are given. From FIG. 7 shows that the measurement error does not exceed ± 0.1 ppm.

В целом, система измерения содержания воды в природном газе, выполненная в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает:In General, a system for measuring the water content in natural gas, made in accordance with the present invention provides:

- точность измерения на уровне ±0,1 ppm,- measurement accuracy at the level of ± 0.1 ppm,

- диапазон измеряемых значений 0.2-30000 ppm,- range of measured values 0.2-30000 ppm,

- отсутствие влияния примесей на измерения,- the absence of the influence of impurities on the measurements,

- устранение трудоемкой процедуры подготовки проб реперного газа при каждом измерении- elimination of the laborious procedure for preparing samples of reference gas for each measurement

- работу в автоматизированном режиме с низкими эксплуатационными затратами.- work in an automated mode with low operating costs.

Указанные характеристики значительно превосходят параметры аналогов.The specified characteristics significantly exceed the parameters of analogues.

Таким образом, техническим результатом изобретения является сокращение времени измерений содержания водяного пара в природном газе, упрощение системы измерений, повышение ее надежности, снижение стоимости эксплуатации, обеспечение высокой точности измерений и расширение диапазона измеряемых значений.Thus, the technical result of the invention is to reduce the measurement time of the water vapor content in natural gas, simplify the measurement system, increase its reliability, reduce operating costs, ensure high accuracy of measurements and expand the range of measured values.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ.INDUSTRIAL APPLICABILITY.

Предлагаемое изобретение предназначено для контроля содержания водяного пара в составе природного газа на газоперерабатывающих и газотранспортных предприятиях.The present invention is intended to control the content of water vapor in the composition of natural gas in gas processing and gas transportation enterprises.

Claims (24)

1. Способ измерения содержания водяного пара в природном газе, включающий регистрацию с помощью диодной лазерной спектроскопии аналитического спектра поглощения пробы природного газа в аналитической кювете и реперного спектра поглощения реперного газа в реперной кювете, характеризующийся тем, что1. The method of measuring the content of water vapor in natural gas, including registration using diode laser spectroscopy of the analytical absorption spectrum of a natural gas sample in an analytical cell and a reference absorption spectrum of a reference gas in a reference cell, characterized in that измеряют температуру и давление пробы природного газа в аналитической кювете,measure the temperature and pressure of a natural gas sample in an analytical cell, аналитический и реперный спектры поглощения регистрируют в рабочей области спектра около 940 нм, для которой наблюдается только полоса поглощения воды, причем аналитический спектр регистрируют, используя многопроходную аналитическую кювету,analytical and reference absorption spectra are recorded in the working region of the spectrum at about 940 nm, for which only the water absorption band is observed, and the analytical spectrum is recorded using a multi-pass analytical cell, в качестве реперного газа используют чистый водяной пар, и по реперному спектру поглощения определяют абсолютную шкалу длин волн в рабочей области спектра;pure water vapor is used as the reference gas, and the absolute wavelength scale in the working region of the spectrum is determined from the reference absorption spectrum; для измеренных значений температуры и давления пробы природного газа рассчитывают спектр поглощения паров воды единичной концентрации в аналитической кювете;for the measured values of temperature and pressure of the natural gas sample, the absorption spectrum of water vapor of a single concentration in the analytical cell is calculated; методом наименьших квадратов определяют в выбранных единицах измерения искомую концентрацию паров воды в пробе природного газа как коэффициент линейной регрессии аналитического спектра поглощения в абсолютной шкале длин волн по расчетному спектру поглощения паров воды единичной концентрации.the least squares method is used to determine the desired concentration of water vapor in the sample of natural gas in the selected units of measurement as the coefficient of linear regression of the analytical absorption spectrum in the absolute wavelength scale from the calculated absorption spectrum of water vapor of a single concentration. 2. Способ по п. 1, в котором определяют центры спектральных линий в реперном спектре поглощения, идентифицируют линии в реперном спектре поглощения, определяют длины волн в центрах линий реперного спектра поглощения и получают абсолютную шкалу длин волн во всей рабочей области спектра.2. The method according to claim 1, in which the centers of the spectral lines in the reference absorption spectrum are determined, the lines in the reference absorption spectrum are identified, the wavelengths in the centers of the lines of the reference absorption spectrum are determined, and an absolute wavelength scale is obtained in the entire working region of the spectrum. 3. Способ по п. 1, в котором в рабочей области спектра, соответствующей области спектральной перестройки диодного лазера, наблюдается не менее трех спектральных линий поглощения водяного пара.3. The method according to claim 1, in which at least three spectral absorption lines of water vapor are observed in the working region of the spectrum corresponding to the spectral tuning region of the diode laser. 4. Способ по п. 2, в котором давление водяного пара в реперной кювете находится в диапазоне от 103 до 3⋅103 Па.4. The method according to p. 2, in which the pressure of water vapor in the reference cell is in the range from 10 3 to 3-10 3 PA. 5. Способ по п. 1, в котором определяют длины волн в центрах линий реперного спектра и рассчитывают спектр поглощения паров воды, используя базу данных молекулярного поглощения с высоким разрешением, например базу данных HITRAN (англ. - high-resolution transmission molecular absorption database.).5. The method according to claim 1, in which the wavelengths at the centers of the lines of the reference spectrum are determined and the absorption spectrum of water vapor is calculated using a high-resolution molecular absorption database, for example, the HITRAN database (English - high-resolution transmission molecular absorption database. ) 6. Способ по п. 1, в котором длина оптического пути в многопроходной аналитической кювете составляет от 10 до 30 м.6. The method according to p. 1, in which the length of the optical path in a multi-pass analytical cell is from 10 to 30 m 7. Способ по п. 1, в котором ширина линии излучения диодного лазера не более 10-4 нм.7. The method according to p. 1, in which the width of the radiation line of the diode laser is not more than 10 -4 nm. 8. Способ по п. 1, в котором излучение диодного лазера выводят в оптическое волокно и направляют в аналитическую кювету и в реперную кювету, используя оптоволоконный разветвитель.8. The method according to p. 1, in which the radiation of the diode laser is output into the optical fiber and sent to the analytical cell and the reference cell using a fiber optic splitter. 9. Система для измерения содержания водяного пара в природном газе с помощью диодной лазерной спектроскопии, включающая в себя перестраиваемый диодный лазер и блок обработки и управления с каналами регистрации аналитического спектра поглощения пробы природного газа в аналитической кювете и реперного спектра поглощения реперного газа в реперной кювете, характеризующаяся тем, что9. A system for measuring the water vapor content in natural gas using diode laser spectroscopy, which includes a tunable diode laser and a processing and control unit with channels for recording the analytical absorption spectrum of a natural gas sample in an analytical cell and a reference absorption spectrum of a reference gas in a reference cell, characterized in that диапазон перестройки диодного лазера включает в себя длину волны 940 нм,the tuning range of the diode laser includes a wavelength of 940 nm, аналитическая кювета является многопроходной и оснащена датчиками измерения температуры и давления пробы природного газа,the analytical cell is multi-pass and is equipped with sensors for measuring the temperature and pressure of a natural gas sample, блок обработки и управления обеспечивает:processing and control unit provides: определение по реперному спектру поглощения абсолютной шкалы длин волн в диапазоне перестройки диодного лазера,determination by the reference absorption spectrum of the absolute wavelength scale in the tuning range of the diode laser, расчет спектра поглощения паров воды единичной концентрации в аналитической кювете при измеренных значениях температуры и давления пробы природного газа,calculation of the absorption spectrum of water vapor of a single concentration in the analytical cell at the measured temperature and pressure of the natural gas sample, определение искомой концентрации паров воды в пробе природного газа как коэффициента линейной регрессии аналитического спектра поглощения в абсолютной шкале длин волн по расчетному спектру поглощения паров воды единичной концентрации.determination of the desired concentration of water vapor in a natural gas sample as a linear regression coefficient of the analytical absorption spectrum in the absolute wavelength scale from the calculated absorption spectrum of water vapor of a single concentration. 10. Система по п. 9, в которой реперным газом служит чистый водяной пар с давлением от 103 до 3⋅103 Па, при этом ширина диапазона перестройки диодного лазера обеспечивает наблюдение в нем по меньшей мере трех спектральных линий поглощения водяного пара.10. The system of claim 9, wherein the reference gas is pure water vapor with a pressure of from 10 3 to 3⋅10 3 Pa, while the width of the tuning range of the diode laser provides for the observation of at least three absorption lines of water vapor in it. 11. Система по п. 9, в которой ширина линии излучения диодного лазера не более 10-4 нм.11. The system according to claim 9, in which the width of the radiation line of the diode laser is not more than 10 -4 nm. 12. Система по п. 9, в которой длина оптического пути в многопроходной аналитической кювете составляет от 10 до 30 м.12. The system of claim 9, wherein the optical path length in the multi-pass analytical cell is from 10 to 30 m. 13. Система по п. 9, в которой диодный лазер имеет оптоволоконный вывод излучения, и лазерное излучение направляется в аналитическую кювету и в реперную кювету с помощью оптоволоконного разветвителя.13. The system of claim 9, wherein the diode laser has a fiber optic output, and the laser radiation is directed to the analytical cell and to the reference cell using an optical fiber splitter.
RU2018109253A 2018-03-15 2018-03-15 Water vapor content in the natural gas measuring method and system RU2679905C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018109253A RU2679905C1 (en) 2018-03-15 2018-03-15 Water vapor content in the natural gas measuring method and system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018109253A RU2679905C1 (en) 2018-03-15 2018-03-15 Water vapor content in the natural gas measuring method and system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2679905C1 true RU2679905C1 (en) 2019-02-14

Family

ID=65442686

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018109253A RU2679905C1 (en) 2018-03-15 2018-03-15 Water vapor content in the natural gas measuring method and system

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2679905C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111781166A (en) * 2019-04-04 2020-10-16 深圳米字科技发展有限公司 Simultaneous analysis of H in natural gas2O and H2Laser detection method for S content

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2334216C1 (en) * 2007-03-12 2008-09-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт микроэлектронной аппаратуры "Прогресс" Chemical substance content measuring system for gas medium
US7679059B2 (en) * 2006-04-19 2010-03-16 Spectrasensors, Inc. Measuring water vapor in hydrocarbons
RU2014132834A (en) * 2014-08-08 2016-02-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) METHOD FOR MEASURING THE RELATIONSHIP OF CARBON ISOTOPES IN CARBONIC GAS
EA028994B1 (en) * 2015-12-18 2018-01-31 Общество С Ограниченной Ответственностью "Микросенсор Технолоджи" MINIATURE OPTICAL CELL BASED ON LIGHT-EMITTING DIODES OF 1600-5000 nm SPECTRAL RANGE

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7679059B2 (en) * 2006-04-19 2010-03-16 Spectrasensors, Inc. Measuring water vapor in hydrocarbons
RU2334216C1 (en) * 2007-03-12 2008-09-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт микроэлектронной аппаратуры "Прогресс" Chemical substance content measuring system for gas medium
RU2014132834A (en) * 2014-08-08 2016-02-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) METHOD FOR MEASURING THE RELATIONSHIP OF CARBON ISOTOPES IN CARBONIC GAS
EA028994B1 (en) * 2015-12-18 2018-01-31 Общество С Ограниченной Ответственностью "Микросенсор Технолоджи" MINIATURE OPTICAL CELL BASED ON LIGHT-EMITTING DIODES OF 1600-5000 nm SPECTRAL RANGE

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111781166A (en) * 2019-04-04 2020-10-16 深圳米字科技发展有限公司 Simultaneous analysis of H in natural gas2O and H2Laser detection method for S content
CN111781166B (en) * 2019-04-04 2023-04-07 武汉米字能源科技有限公司 Simultaneous analysis of H in natural gas 2 O and H 2 Laser detection method for S content

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8143581B2 (en) Absorption biased NDIR gas sensing methodology
KR102455470B1 (en) Hydrogen gas sensor and method for measurement of hydrogen under atmospheric and elevated pressure
CN104280362B (en) A kind of superheated vapor laser spectrum on-line detecting system
US7957001B2 (en) Wavelength-modulation spectroscopy method and apparatus
US7499169B2 (en) Fuel cell and product of combustion humidity sensor
US9194797B2 (en) Method and system for detecting moisture in a process gas involving cross interference
US4943161A (en) Method and apparatus for the detection of hydrocarbons dissolved in bodies of water
US5693945A (en) Gas analyzer
US3727050A (en) Gas analyzer
US20140361172A1 (en) Detection of h2s in natural gas and hydrocarbon streams using a dual-path near-ir spectroscopy system
US6536946B1 (en) Device and method for directly measuring calorific energy contained in a fuel gas
CN105203460A (en) Infrared laser spectrum system for detecting trace quantity of water steam, and detection method thereof
RU2679905C1 (en) Water vapor content in the natural gas measuring method and system
CN114526831A (en) Dew point frost point temperature sensor and measuring method thereof
US7227642B2 (en) Absorbance monitor
WO2008011140A2 (en) Humidity sensor for fuel cells and combustion exhaust streams
Sebacher Airborne nondispersive infrared monitor for atmospheric trace gases
Chang et al. Detection of O18 and D Isotopes in Water Vapor using a Fiber-Coupled Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy Multi-Pass Cell
Wu et al. Methane detector based on the principle of NDIR
Song et al. Application of laser photoacoustic spectroscopy for the detection of water vapor near 1.38 μm
CN113533207B (en) High-accuracy detection device and correction method based on TDLAS technology
Khadzhiyskaya et al. TDLAS TECHNOLOGY IN THE DESIGN OF A DEVICE FOR ASSESSING THE HUMIDITY OF NATURAL GAS
Benoy et al. Metrology of Airborne Molecular Contaminants: Towards Trace HCl Measurement using Multipass-Assisted multiplexed dTDLAS/WMS
Müller et al. Comparison of photoacoustic spectroscopy and cavity ring-down spectroscopy for ambient methane monitoring at Hohenpeißenberg
LT7040B (en) Optical CO2 concentration meter based on gas absorption

Legal Events

Date Code Title Description
PC41 Official registration of the transfer of exclusive right

Effective date: 20211221

TK4A Correction to the publication in the bulletin (patent)

Free format text: CORRECTION TO CHAPTER -PC4A- IN JOURNAL 36-2021