СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ ГАЗА Российский патент 2020 года по МПК G01N21/31 

Перекрестная ссылка на родственную заявку

[0001] Настоящая заявка испрашивает преимущества согласно заявке США № 62/366,594, поданной 25 июля 2016 г., содержание которой полностью включено в настоящую заявку посредством ссылки.

Область техники

[0002] Изобретение в целом относится к системам и способам обнаружения и измерения газов в образце. Более конкретно, в определенных вариантах реализации настоящего изобретения изобретение относится к системам абсорбционной спектроскопии и способам количественного определения редких веществ (например, сероводорода) в образце газа, например в образце природного газа.

Уровень техники

[0003] Увеличилось значение природного газа для таких отраслей промышленности, как производство электроэнергии, для соответствия более строгим нормативным ограничениям и обеспечения более чистых альтернатив для сокращения технического обслуживания оборудования и ухода за ним. По мере быстрого увеличения объема поставок инфраструктурных элементов и оборудования для гидроразрыва пласта на рынках США и за рубежом происходит смешивание надежных традиционных запасов природного газа с природным газом с большей физической изменчивостью состава или их замена на такой природный газ. Поставки природного газа становятся все более доступными. Распределительные пункты и связанная с ними инфраструктура, например порты, делают такие продукты, как сжатый природный газ и сжиженный природный газ, более доступными для замены других видов ископаемого топлива, таких как уголь и нефть. Однако, поскольку происходит смешивание этих традиционных и новых источников в трубопроводах и в продаваемом продукте, эти смеси становятся все более разнообразными и требуют более точного и более высокого временного разрешения при постоянном тестировании на нежелательные загрязнители, если компания собирается соответствовать ожиданиям потребителей.

[0004] Природный газ состоит в основном из метана (CH₄) и углеводородных газов и примесей, таких как диоксид углерода (CO₂), азот (N₂), сероводород (H₂S) и вода (H₂O). По мере того, как все больше источников газа, получаемого при гидроразрыве пласта, используются в работе, и отрасли промышленности переходят на более чистые виды топлива, такие как сжатый природный газ, состав сжатого природного газа становится все более разнообразным и включает такие вещества, как соединения серы, которые могут вызывать проблемы, связанные с коррозией и производительностью.

[0005] В ее наиболее распространенной восстановленной форме сера присутствует в природном газе в виде сероводорода (H₂S). Молекула сероводорода состоит из двух атомов водорода, связанных с одним атомом серы. Его молекулярный состав подобен составу воды (H₂O), в которой два атома водорода связаны с одним атомом кислорода. Поскольку сера может заменять кислород в качестве окислителя, H₂S может быть легко образован в анаэробной среде из серы, оставшейся от разложившихся органических веществ, таких как встречающиеся в ископаемом топливе. H₂S обычно обнаруживают в повышенных концентрациях в газе, полученном при гидроразрыве пласта, вследствие ассоциации природного газа и H₂S в пустотах пористого материала, в которых возникает получаемый при гидроразрыве газ. Гидроразрыв пласта представляет собой способ добычи сланцевого газа, который представляет собой природный газ, захваченный в слоях и порах горных пород или пограничных слоев. Бурное развитие технологии гидроразрыва пласта в начале 2000-х годов привело к появлению множества источников газа, которые различны по качеству и физическим характеристикам, таким как содержание серы. Природный газ называют «кислым» при содержании в нем высокого процента сероводорода. По оценке от 15 до 25% природного газа в США может содержать сероводород на уровне нескольких объемных частей на миллион.

[0006] Энергетические компании должны гарантировать, что подача газа из гидроразрыва пласта соответствует отраслевым стандартам качества до распределения его своим потребителям. Быстрый и сверхчувствительный прибор для измерения H₂S имеет решающее значение для эффективности и экономической эффективности этих операций. Кроме того, место продажи или передачи газа одной компанией другой компании, например, из места гидроразрыва пласта в трубопроводную компанию, называют «точкой передачи продукта». В этой точке передачи газа покупатель газа должен измерить концентрацию сероводорода или риск повреждения трубопровода или повреждения оборудования в расположенном ниже по потоку месте расположения заказчика или потребителя. В большинстве соглашений о поставках природного газа Федеральная комиссия по регулированию в области энергетики (FERC) требует, чтобы трубопроводный газ содержал сероводород в количествах, на превышающих 4 частей на миллион по объему. В большинстве контрактов о передаче продукта потребителю также указано это предельное значение.

[0007] Вода также присутствует в природном газе и может быть в большей степени сконцентрирована в газе из гидроразрыва пласта вследствие дополнительной связи с пустотами в пористом материале и необходимости впрыскивания большого количества воды в процессе гидроразрыва. При соединении воды с углекислым газом и сероводородом она образует углекислоту и серную кислоту, которые чрезвычайно коррозийны в отношении металлов. Кислоты могут быстро разрушать металлические трубы, резервуары или другие металлические материалы, с которыми они вступают в контакт. Коррозийная природа H₂S может вызвать утечку в трубах или резервуарах или ослабить конструкцию, что приведет к поломке.

[0008] Таким образом, существует необходимость в улучшенном способе и системе для мониторинга сероводорода, воды или других веществ в следовых количествах в природном газе.

Раскрытие сущности изобретения

[0009] В настоящем документе описаны системы и способы для количественного определения следового и/или ультраследового уровня вещества - например, H₂S или H₂О - в трубопроводе природного газа. Эти системы и способы используют перестраиваемый лазер, такой как перестраиваемый диодный лазер (например, лазер с распределенной обратной связью (DFB), полупроводниковый лазер с вертикальным резонатором и поверхностным излучением (VCSEL), диодный лазер с внешним резонатором или полупроводниковый лазер с вертикальным внешним резонатором и поверхностным излучением (VECSEL) или перестраиваемый квантовый каскадный лазер (QCL). Лазер вырабатывает выходной пучок в относительно (например, очень) узком (или "с высоким разрешением") диапазоне длин волн, центр которого может непрерывно или дискретно быть сосканирован с частотой от примерно 0,1 Гц до примерно 1000 Гц. Образец природного газа, содержащий следовой уровень содержания представляющего интерес вещества (например, H₂S или H₂О), проходит через проточную ячейку, в которую направлен выходной пучок лазера. Оптический детектор получает свет от проточной ячейки, вырабатывая сигнал, указывающий на ослабление вследствие поглощения, на основании которого определяют концентрацию вещества на следовом уровне (например, посредством хемометрического анализа вырабатываемого спектра поглощения во временной или частотной области).

[0010] Согласно одной особенности настоящее изобретение направлено на разработку спектроскопической системы [например, системы перестраиваемой диодной лазерной абсорбционной спектроскопии (TDLAS) или системы перестраиваемого квантового каскадного лазера (QCL)] для измерения следового уровня содержания (например, не более 1000 частей на миллион, например, не более 500 частей на миллион, например, не более 250 частей на миллион, например, не более 200 частей на миллион, например, не более 100 частей на миллион, например, не более 50 частей на миллион, например, не более 25 частей на миллион, например, не более 10 частей на миллион, например, не более 5 частей на миллион, например, не более 2 частей на миллион, например, не более 1 части на миллион) и/или ультраследового уровня содержания (например, менее 1 части на миллион, например, менее 500 частей на миллиард, например, менее 250 частей на миллиард, например, менее 100 частей на миллиард, например, менее 50 частей на миллиард, например, менее 25 частей на миллиард, например, менее 10 частей на миллиард, например, менее 5 частей на миллиард, например, менее 2 частей на миллиард, например, менее 1 части на миллиард) первого газа (например, сероводорода или H₂O) в образце природного газа, причем система содержит: лазер [например, перестраиваемый диодный лазер, такой как лазер с распределенной обратной связью (DFB), полупроводниковый лазер с вертикальным резонатором и поверхностным излучением (VCSEL), диодный лазер с внешней резонатором или полупроводниковый лазер с вертикальным внешним резонатором и поверхностным излучением (VECSEL)] [например, перестраиваемый квантовый каскадный лазер (QCL)] для выработки выходного пучка в совокупности одного или более дискретных или непрерывных диапазонов длин волн при частоте сканирования от примерно 0,1 Гц до примерно 1000 Гц по совокупности из одного или более дискретных или непрерывных диапазонов длин волн [например, с разрешением от 0,01 см^-1 до 0,0001 см^-1, например, со сверхвысоким разрешением, например, с разрешением 0,001 см^-1 или меньше (/ лучше)]; передающую оптику для направления и/или формирования выходного пучка от перестраиваемого диодного лазера к образцу природного газа [например, для направления и/или формирования пучка в проточную ячейку (например, многопроходную ячейку), через которую протекает образец природного газа, например, в которых образец природного газа представляет собой поглощающую среду]; оптический детектор (например, фотодиод или другой детектор с быстрым откликом) для приема света от образца природного газа и выработки детекторного сигнала, соответствующего принятому свету (например, указанный принятый свет был передан через и/или отражен от передающей оптики, расположенной между образцом природного газа и оптическим детектором); процессор вычислительного устройства и запоминающее устройство (некратковременный компьютерочитаемый носитель) с хранимыми на нем инструкциями, которые при их исполнении процессором побуждают процессор вычислять следовой уровень содержания (например, не более 1000 частей на миллион, например, не более 500 частей на миллион, например, не более 250 частей на миллион, например, не более 200 частей на миллион, например, не более 100 частей на миллион, например, не более 50 частей на миллион, например, не более 25 частей на миллион, например не более 10 частей на миллион, например не более 5 частей на миллион, например не более 2 частей на миллион, например не более 1 части на миллион) и/или ультраследовой уровень содержания (например, менее 1 части на миллион, например, менее 500 частей на миллиард, например менее 250 частей на миллиард, например менее 100 частей на миллиард, например менее 50 частей на миллиард, например менее 25 частей на миллиард, например менее 10 частей на миллиард, например, менее 5 частей на миллиард, например менее 2 частей на миллиард, например менее 1 части на миллиард) первого газа (например, сероводорода или H₂O) в образце природного газа на основании сигнала, соответствующего принятому свету.

[0011] В определенных вариантах реализации настоящего изобретения первый газ представляет собой сероводород, причем совокупность из одного или более дискретных или непрерывных диапазонов длин волн содержит одну или оба диапазона (i) и (ii) из следующих диапазонов: (i) первого диапазона, шириной по меньшей мере 0,05 см^-1 (например, не менее 1 см^-1, не менее 2 см^-1, не менее 3 см^-1, не менее 4 см^-1, не менее 5 см^-1, не менее 8 см^-1) (например, шириной не более 50 см^-1, например, не более 40 см^-1, не более 30 см^-1, не более 20 см^-1, не более 15 см^-1 по ширине), причем указанный первый диапазон содержит по меньшей мере одно значение волнового числа из диапазона от 5066 см^-1 до 5076 см^-1 (например, указанный диапазон содержит или перекрывает по меньшей мере частично диапазон волновых чисел 5070±6 см^-1); и (ii) второго диапазона шириной не менее 0,05 см^-1 (например, не менее 1 см^-1, не менее 2 см^-1, не менее 3 см^-1, не менее 4 см^-1, не менее 5 см^-1, не менее 8 см^-1) (например, и/или не более 50 см^-1 в ширину, например, не более 40 см^-1, не более 30 см^-1, не более 20 см^-1, не более 15 см^-1 по ширине), причем указанный второй диапазон содержит по меньшей мере одно значение волнового числа из диапазона от 5086 см^-1 до 5097 см^-1 (например, указанный диапазон содержит или перекрывает по меньшей мере частично диапазон волновых чисел 5092±6 см^-1).

[0012] В определенных вариантах реализации настоящего изобретения инструкции при их исполнении их процессором побуждают процессор синхронизировать сканирование лазером по длине волны с сигналом детектора для выравнивания во временной области результата измерения сигнала детектора со сканированием по длине волны для выработки спектра поглощения.

[0013] В определенных вариантах реализации настоящего изобретения инструкции при их исполнении их процессором побуждают процессор анализировать выработанный спектр поглощения [например, выполнить хемометрический анализ выработанного спектра поглощения либо во временной области, либо в частотной области (посредством демодуляции), например, анализируя, тем самым, спектральное поглощение в одном или более дискретных или непрерывных диапазонах длин волн и интерференционных пиках], для определения следового уровня и/или ультраследового уровня содержания первого газа (например, сероводорода или H₂O) в образце природного газа.

[0014] В определенных вариантах реализации настоящего изобретения образец природного газа содержит по меньшей мере 20% метана (например, по меньшей мере 30%, по меньшей мере 40%, по меньшей мере 50%, по меньшей мере 60%, по меньшей мере 80% или по меньшей мере 90%) [например, при наличии пика поглощения метана, который служит помехой пику поглощения первого газа (например, сероводорода или H₂O), который присутствует в образце газа только в следовом количестве (например, не более 1000 частей на миллион, например, не более 500 частей на миллион, например, не более 250 частей на миллион, например, не более 200 частей на миллион, например, не более 100 частей на миллион, например, не более 50 частей на миллион, например, не более 25 частей на миллион, например, не более 10 частей на миллион, например, не более 5 частей на миллион, например, не более 2 частей на миллион, например, не более 1 части на миллион) и/или в ультраследовом количестве (например, менее 1 части на миллион, например, менее 500 частей на миллиард, например, менее 250 частей на миллиард, например, менее 100 частей на миллиард, например, менее 50 частей на миллиард, например, менее 25 частей на миллиард, например, менее 10 частей на миллиард, например, менее 5 частей на миллиард, например, менее 2 частей на миллиард, например, менее 1 части на миллиард].

[0015] В определенных вариантах реализации настоящего изобретения инструкции при их исполнении их процессором идентифицируют пик поглощения, соответствующий метану в образце природного газа, и используют пик поглощения, соответствующий метану, для блокировки линии (или, что эквивалентно, для блокировки частотной нагрузки) выходной длины волны (или частоты) лазера и стабилизации одного или более диапазонов выходных длин волн лазера (например, совокупности из одного или более дискретных или непрерывных диапазонов длин волн), уменьшая тем самым ошибку, вызванную дрейфом лазера, без использования отдельной газовой ячейки сравнения (например, для метана).

[0016] В определенных вариантах реализации настоящего изобретения система дополнительно содержит дополнительный оптический детектор для приема света от выходного пучка лазера (например, направленного посредством передаточной оптики от лазера к дополнительному оптическому детектору), который не проходит через образец природного газа, а также для получения в результате результирующего дополнительного сигнала, причем инструкции при их исполнении их процессором анализируют дополнительный сигнал для определения сигнатуры базовой линии канала сравнения (например, на основании воспроизводимых модальных флуктуаций интенсивности лазерного излучения) и вычитания сигнатуры базовой линии канала сравнения из базового сигнала для образца газа (указанный базовый сигнал для образца газа определен из сигнала фотоприемника, соответствующего свету, принятому от образца природного газа), что, тем самым, уменьшает шум (например, определяемый из дополнительного сигнала).

[0017] В определенных вариантах реализации настоящего изобретения система дополнительно содержит систему кондиционирования образца газа (например, нагреватель и/или регулятор температуры и/или фильтр для кондиционирования образца природного газа (например, перед подачей образца природного газа через проточную ячейку)).

[0018] В определенных вариантах реализации настоящего изобретения система дополнительно содержит устройство управления потоком для управления скоростью потока образца природного газа в/через проточную ячейку.

[0019] В определенных вариантах реализации настоящего изобретения система дополнительно содержит насос для управления давлением и/или снижения давления образца природного газа перед подачей образца в/через проточную ячейку.

[0020] В определенных вариантах реализации настоящего изобретения система дополнительно содержит вакуумный насос (например, ниже по потоку от проточной ячейки) для образования вакуума (пониженного давления) образца природного газа в проточной ячейке (например, для измерения сероводорода в образце природного газа) (например, при содержании в образце природного газа по меньшей мере 20% метана, например, по меньшей мере 30%, по меньшей мере 40%, по меньшей мере 50%, по меньшей мере 60%, по меньшей мере 70%, по меньшей мере 80% или по меньшей мере 90% метана).

[0021] Согласно другой его особенности настоящее изобретение относится к спектроскопическому способу [например, способу абсорбционной спектроскопии с перестраиваемым диодным лазером (способ TDLAS) или способу квантового каскадного лазера (QCL)] для измерения следового уровня и/или ультраследового уровня содержания первого газа в образце природного газа, причем способ включает: образование выходного пучка по совокупности из одного или более дискретных или непрерывных диапазонов длин волн с частотой сканирования от примерно 0,1 Гц до примерно 1000 Гц по указанной совокупности из одного или более дискретных или непрерывных диапазонов длин волн [например, с разрешением от 0,01 до 0,0001 см^-1, например, со сверхвысоким разрешением, например, с разрешением 0,001 см^-1 или ниже (/ лучше)] (например, лазером [например, перестраиваемым диодным лазером, таким как лазер с распределенной обратной связью (DFB), полупроводниковым лазером с вертикальным резонатором и поверхностным излучением (VCSEL), диодным лазером с внешним резонатором или полупроводниковым лазером с вертикальным внешним резонатором и поверхностным излучением (VECSEL)] [например, перестраиваемый квантовый каскадный лазер (QCL)]); введение образца природного газа в проточную ячейку, причем образец природного газа содержит следовой уровень (например, не более 1000 частей на миллион, например, не более 500 частей на миллион, например, не более 250 частей на миллион, например, не более 200 частей на миллион, например, не более 100 частей на миллион, например, не более 50 частей на миллион, например, не более 25 частей на миллион, например, не более 10 частей на миллион, например, не более 5 частей на миллион, например, не более 2 частей на миллион, например, не более 1 части на миллион) и/или ультраследовой уровень содержания (например, менее 1 части на миллион, например, менее 500 частей на миллиард, например, менее 250 частей на миллиард, например, менее 100 частей на миллиард, например, менее 50 частей на миллиард, например, менее 25 частей на миллиард, например, менее 10 частей на миллиард, например, менее 5 частей на миллиард, например, менее 2 частей на миллиард, например, менее 1 части на миллиард) первого газа (например, сероводорода или H₂O) (например, при содержании в образце природного газа по меньшей мере 20% метана, например, по меньшей мере 30%, по меньшей мере 40%, по меньшей мере 50%, по меньшей мере 60%, по меньшей мер 70%, по меньшей мере 80% или по меньшей мере, 90 % метана); направление и/или формирование выходного пучка (например, посредством передающей оптики) от перестраиваемого диодного лазера к образцу природного газа [например, направление и/или формирование пучка в проточную ячейку (например, многопроходную ячейку), через которую протекает образец природного газа, например, в которых образец природного газа представляет собой поглощающую среду]; прием света оптическим детектором (например, фотодиодом или другим детектором с быстрым откликом) от образца природного газа и выработка детекторного сигнала, соответствующего принятому свету (например, указанный принятый свет был передан через и/или отражен от передающей оптики, расположенной между образцом природного газа и оптическим детектором); и определение посредством процессора вычислительного устройства и запоминающего устройства (некратковременного компьютерочитаемого носителя) с хранимыми на нем инструкциями для следового уровня и/или ультраследового уровня содержания первого газа в образце природного газа на основании сигнала, соответствующего принятому свету.

[0022] В определенных вариантах реализации настоящего изобретения первый газ представляет собой сероводород, причем совокупность из одного или более дискретных или непрерывных диапазонов длин волн включает один или оба диапазона (i) и (ii) из следующих диапазонов: (i) первого диапазона шириной по меньшей мере 0,05 см^-1 (например, не менее 1 см^-1, не менее 2 см^-1, не менее 3 см^-1, не менее 4 см^-1, не менее 5 см^-1, не менее 8 см^-1) (например, шириной не более 50 см^-1, например, не более 40 см^-1, не более 30 см^-1, не более 20 см^-1, не более 15 см^-1 по ширине), причем указанный первый диапазон содержит по меньшей мере одно значение волнового числа из диапазона от 5066 см^-1 до 5076 см^-1 (например, указанный диапазон содержит или перекрывает по меньшей мере частично диапазон волновых чисел 5070±6 см^-1); и (ii) второго диапазона шириной не менее 0,05 см^-1 (например, не менее 1 см^-1, не менее 2 см^-1, не менее 3 см^-1, не менее 4 см^-1, не менее 5 см^-1, не менее 8 см^-1) (например, и/или не более 50 см^-1 в ширину, например, не более 40 см^-1, не более 30 см^-1, не более 20 см^-1, не более 15 см^-1 по ширине), причем указанный второй диапазон содержит по меньшей мере одно значение волнового числа из диапазона от 5086 см^-1 до 5097 см^-1 (например, указанная полоса содержит или перекрывает по меньшей мере частично диапазон волновых чисел 5092±6 см^-1).

[0023] В определенных вариантах реализации настоящего изобретения способ дополнительно включает синхронизацию, посредством процессора, сканирования лазером по длине волны с сигналом детектора для выравнивания во временной области результата измерения сигнала детектора со сканированием по длине волны для выработки спектра поглощения.

[0024] В определенных вариантах реализации настоящего изобретения способ дополнительно содержит анализ процессором выработанного спектра поглощения [например, выполнение хемометрического анализа выработанного спектра поглощения либо во временной области, либо в частотной области (посредством демодуляции), например, анализируя, тем самым, спектральное поглощение в одном или более дискретных или непрерывных диапазонах длин волн и интерференционных пиках], для определения следового уровня и/или ультраследового уровня содержания первого газа (например, сероводорода или H₂O) в образце природного газа.

[0025] В определенных вариантах реализации настоящего изобретения образец природного газа содержит по меньшей мере 20% метана (например, по меньшей мере 30%, по меньшей мере 40%, по меньшей мере 50%, по меньшей мере 60%, по меньшей мере 80% или по меньшей мере 90%) [например, при наличии пика поглощения метана, который служит помехой пику поглощения первого газа (например, сероводорода или H₂O), который присутствует в образце газа только в следовом количестве (например, не более 1000 частей на миллион, например, не более 500 частей на миллион, например, не более 250 частей на миллион, например, не более 200 частей на миллион, например, не более 100 частей на миллион, например, не более 50 частей на миллион, например, не более 25 частей на миллион, например, не более 10 частей на миллион, например, не более 5 частей на миллион, например, не более 2 частей на миллион, например, не более 1 части на миллион) и/или в ультраследовом количестве (например, менее 1 части на миллион, например, менее 500 частей на миллиард, например, менее 250 частей на миллиард, например, менее 100 частей на миллиард, например, менее 50 частей на миллиард, например, менее 25 частей на миллиард, например, менее 10 частей на миллиард, например, менее 5 частей на миллиард, например, менее 2 частей на миллиард, например, менее 1 части на миллиард].

[0026] В определенных вариантах реализации настоящего изобретения способ дополнительно включает идентификацию процессором пика поглощения, соответствующего метану в образце природного газа; и использование пика поглощения, соответствующего метану, для блокировки процессором линии (или, что то же самое, для блокировки частотной нагрузки) выходной длины волны (или частоты) лазера и стабилизации одного или более диапазонов выходных длин волн лазера (например, совокупности одного или более дискретных или непрерывных диапазонов длин волн), уменьшая тем самым ошибку, вызванную дрейфом лазера, без использования отдельной газовой (например, для метана) ячейки сравнения.

[0027] В определенных вариантах реализации настоящего изобретения способ дополнительно включает прием света (например, с помощью дополнительного оптического детектора) от выходного пучка лазера (например, направленного посредством передаточной оптики от лазера к дополнительному оптическому детектору), который не проходит через образец природного газа; выработку результирующего дополнительного сигнала; и анализ, с помощью процессора, дополнительного сигнала для определения сигнатуры базовой линии канала сравнения (например, на основании воспроизводимых модальных флуктуаций интенсивности лазерного излучения) и вычитания сигнатуры базовой линии канала сравнения из базового сигнала для образца газа (указанный базовый сигнал для образца газа определен из сигнала фотоприемника, соответствующего свету, принятому из образца природного газа), что, тем самым, уменьшает шум.

[0028] В определенных вариантах реализации настоящего изобретения способ дополнительно включает кондиционирование образца природного газа (например, с использованием нагревателя и/или регулятора температуры и/или фильтра) (например, перед подачей образца природного газа через проточную ячейку).

[0029] В определенных вариантах реализации настоящего изобретения способ дополнительно включает управление скоростью потока образца природного газа в/через проточную ячейку (например, посредством устройства управления потоком).

[0030] В определенных вариантах реализации настоящего изобретения способ дополнительно содержит регулирование и/или снижение давления образца природного газа перед подачей образца в проточную ячейку / через нее (например, посредством насоса).

[0031] В определенных вариантах реализации настоящего изобретения способ дополнительно включает образование вакуума (пониженного давления) (например, вакуумным насосом) образца природного газа в проточной ячейке (например, для измерения сероводорода в образце природного газа) (например, при содержании в образце природного газа по меньшей мере 20% метана, например по меньшей мере 30%, по меньшей мере 40%, по меньшей мере 50%, по меньшей мере 60%, по меньшей мере 70%, по меньшей мере 80% или не менее 90% метана).

[0032] Согласно другой его особенности настоящее изобретение направлено на систему для измерения сероводорода в природном газе, содержащую: источник света, излучающий свет с частотой, по существу соответствующей линии поглощения сероводорода в диапазоне длин волн 5066 см^-1-5076 см^-1 ( 1970 нм-1974 нм) и/или в диапазоне длин волн 5086 см^-1-5097 см^-1 (1962 нм-1966 нм), причем источник света размещен с возможностью испускания света через природный газ; первый детектор, выполненный с возможностью определения интенсивности света, излучаемого источником света; второй детектор, выполненный с возможностью определения интенсивности света после прохождения через природный газ; и модуль обработки, связанный с первым и вторым детекторами для определения уровня содержания сероводорода в природном газе.

[0033] В определенных вариантах реализации настоящего изобретения источник света проводит сканирование в диапазоне длин волн с частотой от 10 Гц до 200 Гц.

[0034] В определенных вариантах реализации настоящего изобретения сигналы от детекторов дискретизированы с разрешением от 0,01 см^-1 до 0,0001 см^-1.

[0035] Элементы вариантов реализации, содержащие один аспект настоящего изобретения (например, способы), могут быть использованы в вариантах реализации настоящего изобретения, содержащих другие аспекты изобретения (например, системы), и наоборот.

Краткое описание чертежей

[0036] Описанные в настоящем документе преимущества вместе с дополнительными преимуществами можно лучше понять, обратившись к нижеследующему описанию в сочетании с прилагаемыми чертежами. Чертежи не обязательно выполнены в масштабе, вместо этого, как правило, сделан акцент на иллюстрации принципов вариантов реализации.

[0037] На ФИГ. 1 схематически показана система измерения сероводорода в природном газе в соответствии с иллюстративным вариантом реализации настоящего изобретения.

[0038] На ФИГ. 2 схематически показан блок перестраиваемого диодного лазера (TDL) в соответствии с иллюстративным вариантом реализации настоящего изобретения.

[0039] На ФИГ. 3 показан график линий поглощения лазера, иллюстрирующий, как близость одной линии к другой влияет на форму каждого пика в соответствии с иллюстративным вариантом реализации настоящего изобретения.

[0040] На ФИГ. 4 показан график, иллюстрирующий примеры коэффициентов поглощения для разных пиков, выбранных для количественного определения, согласно иллюстративному варианту реализации настоящего изобретения.

[0041] На ФИГ. 5 показан график диаграммы оценки эффективности и чувствительности для различных линий поглощения H₂S в соответствии с иллюстративным вариантом реализации настоящего изобретения.

[0042] На ФИГ. 6 показан график пиков в диапазоне волновых чисел, содержащем две полосы-кандидата для обнаружения и количественного определения H₂S, демонстрирующих низкий уровень шума и низкие помехи, в соответствии с иллюстративным вариантом реализации настоящего изобретения.

[0043] На ФИГ. 7 показан график со вставкой, показывающей в увеличенном виде область, содержащую два возможных пика по ФИГ. 6, в соответствии с иллюстративным вариантом реализации настоящего изобретения.

[0044] На ФИГ. 8 показан график, иллюстрирующий дальнейшее увеличение окна «Полоса 1», идентифицированного на ФИГ. 7, в соответствии с иллюстративным вариантом реализации настоящего изобретения.

[0045] На ФИГ. 9 показан график характеристик поглощения в диапазоне настройки лазера в соответствии с иллюстративным вариантом реализации настоящего изобретения.

[0046] На ФИГ. 10 показана блок-схема взятого в качестве примера сетевого окружения для использования с описанной в настоящем документе системой или в указанной системе согласно иллюстративному варианту реализации настоящего изобретения.

[0047] На ФИГ. 11 показана блок-схема взятого в качестве примера вычислительного устройства и взятого в качестве примера мобильного вычислительного устройства для использования в иллюстративных вариантах реализации настоящего изобретения.

[0048] На ФИГ. 12 схематически показана спектроскопическая система в соответствии с иллюстративным вариантом реализации настоящего изобретения.

[0049] На ФИГ. 13 схематически показан спектроскопический способ в соответствии с иллюстративным вариантом реализации настоящего изобретения.

Осуществление изобретения

[0050] Описанные в настоящем документе варианты реализации настоящего изобретения относятся к системам абсорбционной спектроскопии и способам измерения сероводорода в природном газе. Эти системы и способы основаны на поглощении электромагнитной энергии с определенными длинами волн, при котором сероводород интенсивно поглощает энергию. Описанные в настоящем документе варианты реализации настоящего изобретения также относятся к измерению воды и других веществ и соединений в природном газе.

[0051] Сероводород проявляет свойства поглощения как в средней инфракрасной области, так и в ближней инфракрасной области электромагнитного спектра. Поглощение в средней инфракрасной области обычно интенсивнее полос поглощения в ближней инфракрасной области. Однако наложение полос поглощения многих других соединений, таких как вода, на полосы H₂S в средней инфракрасной области представляет собой затруднение для многих приборов при точной регистрации соединений. В средней инфракрасной области также обычно необходимо использование квантовых каскадных лазеров (QCL) для генерации частот в этих областях электромагнитного спектра. Использование более слабых полос поглощения в средней инфракрасной области приводит к более низкому значению отношения сигнал/шум, причем при этом также возникают помехи, в частности, от метана (CH₄), диоксида углерода (CO₂) и алканов (например, пропана (C₃H₈)).

[0052] Перестраиваемый диодный лазер (TDL) представляет собой определенный тип лазера (причем слово «лазер» означает «усиление света посредством вынужденного излучения»). Это лазерный диод, похожий на светоизлучающий диод (LED), который обладает переходом между двумя полупроводниками (один положительный, другой отрицательный). Этот переход называют p-n переходом. Эти полупроводниковые элементы чрезвычайно малы, выполнены из очень тонких пластин полупроводникового материала и очень тщательно изготовлены для образования p-n перехода. Перестраиваемый диодный лазер представляет собой лазер, который благодаря своей полупроводниковой конструкции и элементному составу позволяет лазеру излучать в узкой области. Затем можно выбрать очень узкую линию излучения, используя внутреннюю или внешнюю брэгговскую решетку (или аналогичное устройство) или внешний эталон для сканирования характеристик поглощения целевого соединения.

[0053] Например, при использовании внутренней брэгговской решетки настройка частоты лазерного диода выполнена посредством изменения температуры внутренней или внешней решетки, что изменяет период решетки и частоту режима электромагнитных колебаний в устройстве для изменения частоты, излучаемой полупроводниковым устройством. Температура может быть изменена посредством непосредственного управления температурой решетки с помощью такого устройства, как термоэлектрический охладитель Пельтье (TEC), или посредством изменения тока накачки, подаваемого в перестраиваемый диодный лазер для выработки большего избыточного тепла, влияющего на температуру решетки. Выходная частота перестраиваемого диодного лазера также может быть настроена с использованием внешнего эталона, который также может быть подвергнут влиянию температуры для достижения представляющих интерес воспроизводимых частот. Частотная флуктуация представляет собой еще один способ настройки длины волны, который включает включение и выключение лазера, так что происходит быстрый нагрев и охлаждение лазера с охватом ряда представляющих интерес частот. Однако в процессе изготовления перестраиваемого диодного лазера должна быть указана правильная центральная частота, близкая к представляющим интерес частотам. Обычно это необходимо, поскольку перестраиваемый диодный лазер способен работать в относительно узких полосах вокруг центральной частоты устройства. Кроме того, ранее была разработана технология перестраиваемого диодного лазера для передачи цифровых данных по оптоволоконному кабелю. Рабочие характеристики доступных перестраиваемых диодных лазеров не сфокусированы на областях электромагнитного спектра, в которых имеют место перекрывающиеся частоты (например, при анализе газа, в котором многие соединения имеют спектральные характеристики, перекрываемые друг с другом).

[0054] Лазеры представляют собой монохроматические устройства. При работе лазера в резонаторе многие фотоны света с одинаковой частотой будут выполнять коаксиальное перемещение вследствие ограничений, накладываемых волноводом, что вынуждает их аддитивно взаимодействовать друг с другом, что стабилизирует осцилляцию и моды распространения электромагнитной волны. В лазерном диоде излучение света происходит вследствие наличия как электронов в качестве отрицательно заряженной субстанции, так и дырок (отсутствия электронов) в качестве положительно заряженной субстанции. При наличии отрицательно заряженной субстанции электроны в качестве отрицательно заряженной субстанции выполняют перескоки, заполняя дырки в положительно заряженной субстанции. При перескоке электронов они теряют энергию в виде фотонов, представляющих собой «кванты света», то есть малые неделимые части света. Поскольку все электроны выполняют перескок вниз с заполнением дырок в определенном полупроводниковом материале, все фотоны имеют одинаковую частоту. Это приводит к образованию лазерного пучка, выходящего из грани лазерного диода. Часть пучка, отраженная обратно через полость, помогает стимулировать этот процесс и, тем самым, усиливать излучение света.

[0055] В определенных вариантах реализации настоящего изобретения лазер работает в режиме постоянного тока. В этом режиме диод обратной связи не нужен. Однако в определенных вариантах реализации настоящего изобретения, которые работают в режиме постоянной мощности, диод обратной связи нужен. Поскольку лазерные диоды должны работать при относительно высокой плотности тока и иметь низкое значение прямого сопротивления при действии лазерного излучения, они имеют риск разрушения вследствие теплового пробоя. Их рабочая световая плотность может также быть поднята до уровня, при котором может начаться расслоение покрытия волновода. Это означает, что ток лазерного диода должен быть отрегулирован цепью постоянного тока (а не простым последовательным резистором), а температуру лазерного устройства следует регулировать термоэлектрическим охладителем Пельтье. При работе в режиме постоянной мощности большинство лазерных диодов содержит кремниевый PIN-фотодиод, встроенный прямо в корпус и расположенный таким образом, что он автоматически получает фиксированную часть выходного сигнала лазера для контроля выходного сигнала лазера. Выходной сигнал этого контрольного диода может затем быть использован для ограничения или управления током, подаваемым через лазер цепью управления током, для стабильной и надежной работы.

[0056] На ФИГ. 1 схематически показана система 100 измерения сероводорода в природном газе в соответствии с иллюстративным вариантом реализации настоящего изобретения. Источник 104 газа (например, трубопровод природного газа) подает газ-образец в систему 108 кондиционирования газа. Система 108 кондиционирования газа выполнена, например, с возможностью при необходимости снижать давление газа от уровня давления подачи, например, от газопровода природного газа, для дальнейшей обработки. В определенных вариантах реализации настоящего изобретения система 108 кондиционирования газа также нагревает газ и/или уменьшает содержание частиц в газе посредством фильтрации газа. Дополнительный нагрев предназначен для предотвращения фазовых переходов в образце газа и предотвращения конденсации влаги или углеводородов из-за эффекта Джоуля-Томпсона в быстро сбрасывающем давление газе. Добавление тепла в систему предотвращает возникновение этого явления и позволяет точно считывать состав образца газа на основе отношения значений объемной концентрации. Нагрев образца помогает поддерживать постоянные свойства образца и поэтому спектральные линии остаются однородными. Кроме того, нагрев образца, например, до 50-60°С, предотвращает конденсацию образца на оптических элементах, сохраняя образец в паровой фазе.

[0057] Затем кондиционированный газ подают в устройство 112 управления потоком, которое управляет скоростью потока газа в ячейку 116 для образца. Устройство 112 управления потоком может быть, например, отверстием или клапаном, используемым для изменения потока газа. Источник 120 света (например, блок перестраиваемого диодного лазера) подает световой пучок 124 с требуемой частотой в совокупность передающей оптики 128. Передающая оптика 128 содержит одно или больше зеркал, линз и/или фильтров для изменения по мере необходимости формы или ориентации светового пучка 124, для направления его на последующие оптические компоненты системы 100. Для измерения сероводорода в газе блок 120 перестраиваемого диодного лазера выводит свет 124 с частотой, по существу соответствующей линии поглощения сероводорода в диапазоне 5066 см^-1-5076 см^-1 (от 1970 нм до 1974 нм) или в диапазоне волновых чисел 5086 см^-1-5097 см^-1 (от 1962 нм до 1966 нм). Выбор этих пиков поглощения из сотен других частот, где другие целевые соединения присутствуют на уровне нескольких процентов или на следовом уровне концентрации, не является тривиальной задачей. Посредством аналитической и экспериментальной идентификации этого конкретного диапазона длин волн заявитель способен обнаруживать H₂S в природном газе с такими уровнями чувствительности и точности, которые необходимы для практического использования.

[0058] Комплексный метод был использован для выбора представляющих интерес пиков, который был бы успешен при измерении следовых уровней H₂S на фоне высокой концентрации углеводородов, обнаруживаемой в типичных матрицах образцами природного газа. Техническая проблема при измерении состояла в выделении следов H₂S (уровень несколько частей на миллион) на очень сильном фоне CH₄ (например, обнаруживаемом в типичных матрицах образцов природного газа, например, из газопровода) (например, от примерно 90% до примерно 100%, и, например, на уровне около 100%) и на фоне другого более низкого процентного содержания углеводородов, а также содержания диоксида углерода, серы и влаги на уровне нескольких частей на миллион. Традиционные оптические измерения с некогерентным источником света не способны зарегистрировать такой широкий динамический диапазон с разрешением обычно не выше 0,1 см^-1, что затрудняет разделение сильно перекрывающихся спектров поглощения H₂S и CH₄. Поэтому в качестве источника был использован лазер с распределенной обратной связью (DFB), который может достигать гораздо лучшего разрешения; обычно превышающего 0,001 см^-1. При таком разрешении отдельные пики поглощения могут быть разделены, и пики H₂S могут быть отделены от пиков поглощения CH₄ для количественного определения. В этой работе было продемонстрировано, что с помощью перестраиваемой диодной лазерной абсорбционной спектроскопии с использованием лазера с распределенной обратной связью (DFB-TDLAS) может быть достигнуто обнаружение H₂S на уровне меньше нескольких частей на миллион на фоне природного газа.

[0059] Возможность выделения линий H₂S при наличии 90-100% CH₄ была серьезной проблемой. Линия поглощения H₂S должна быть рядом с относительно слабыми полосами поглощения CH₄; в противном случае помехи превысят возможности любого способа обработки данных. Работа по моделированию была основана на базе данных HITRAN.

[0060] На ФИГ. 3 показан график линий поглощения лазера, иллюстрирующий, как близость одной линии к другой (расстояние между ними) влияет на форму каждого пика посредством уравнения, представленного на чертеже. Для выполнения должным образом модели моделирования воздействий, которые ближайшие пики оказывают на целевой пик внутрирезонаторной лазерной спектроскопии, уравнение искажения, которое ближайшие линии Лоренца оказывают на целевой пик для H₂S (например, при низких давлениях, например, при давлениях около 100 Торр (13,3 кПа) или менее), смоделировано и применено ко всем возможным пикам поглощения целевого соединения в спектре целевого соединения. Спектр целевого соединения для H₂S содержит сотни возможных пиков для количественного определения. Для правильного выбора пика в качестве цели для количественного определения необходимо было исследовать пики и количественно оценить искажения в отношении влияния всех возможных других соединений в матрице образца, которые могут присутствовать. Искажение было измерено и определено количественно посредством поддержания постоянной пиковой концентрации целевого соединения и возмущения любых близлежащих пиковых концентраций соединений для каждой из возможных помех, которые могут присутствовать в матрице образца. Этот способ расчета помех представляет собой анализ наихудшего случая и не учитывает улучшений, которые могут иметь место при использовании многокомпонентных хемометрических моделей. Кроме того, также была исследована чувствительность, основанная на коэффициенте поглощения этих пиков. Оба этих фактора были смоделированы для выбора наилучшего целевого пика соединения для количественного определения. Затем были исследованы лазерные источники для выбора того из них, который имеет надлежащий диапазон излучения, и определения, существует ли они или должны быть разработаны. Было обнаружено, что лазерные источники с этими частотами не существуют и должны быть разработаны по просьбе заявителя. Также были изучены помехи от углеводородов, отличных от CH₄. В сочетании с полным сканированием посредством инфракрасного спектрометра с преобразованием Фурье (FTIR) было получено влияние помех от других газов, обычно встречающихся в матрице образца, на выбранную длину волны.

[0061] Для достижения лучшего разделения между соседними линиями поглощения газовый датчик работал при давлении 0,1 атм для сужения полос поглощения без существенного изменения высоты пиков полос. Существовали два основных ограничения на выбор правильной длины волны для измерения H₂S: (1) интенсивность линии поглощения H₂S; (2) интенсивность соседней линии поглощения CH₄ и (3) расстояние между двумя линиями. На ФИГ. 5 основанное на оценках качества визуальное представление показывает эффекты искажения от близлежащих пиков и чувствительность пиков на основе коэффициента поглощения для этого пика (наклон функции для площади пика в зависимости от концентрации от калибровочной кривой для этого пика) для каждого отдельного пика по отношению к уровню шума базовой линии на этой максимальной частоте целевого соединения H₂S, показанной на ФИГ. 4. ФИГ. 4 иллюстрирует примеры коэффициентов поглощения для различных пиков, выбранных для количественного определения (это данные чувствительности, соответствующие кружкам на ФИГ. 5). Большее значение наклона указывает на более чувствительный пик.

[0062] На ФИГ. 5 показано сравнение между различными линиями поглощения H₂S. Кружки над пиками показывают уровни шума в каждой линии, которые обратно пропорциональны интенсивности поглощения в линии и пропорциональны шуму от источника и электроники, в течение определенного времени наблюдения. Квадратики над пиками отражают оценки качества линии, которые оценивают влияние (искажение) помех от соседних линий поглощения других газов, обнаруженных в матрице образца. На ФИГ. 5 желательна более низкая оценка для каждого символа, то есть, желательно расположение квадратиков и кругов на более низком уровне. Для вычисления искажений были рассмотрены следующие газы: CH₄, H₂О и CО₂. На этом графике представлены две линии-кандидаты, имеющие низкий уровень шума и малые помехи для успешного обнаружения и количественного определения H₂S: 5070 см^-1 и 5092 см^-1. Эти две линии представляют собой выбранные полосы для этого иллюстративного варианта реализации. Та же самая система оценки была использована при исследовании всего диапазона от ближней ИК-области до средней ИК-области. Эти две линии оказались наилучшими кандидатами для выбора и разработки аппаратного обеспечения.

[0063] На ФИГ. 6 область, содержащая два выбранных пика, окружена рамкой в части ближней ИК-области, рассматриваемой для этого иллюстративного варианта реализации. В этом исследовании были рассмотрены все спектральные области (средняя ИК-область и ближняя ИК-область) в диапазоне 650 см^-1-7000 см^-1. Область внутри рамки представляет собой область с низко расположенными квадратиками и кружками. Можно видеть сотни пиков, представленных в окне шириной всего в 300 см^-1 в ближней ИК-области. Определение диапазонов длин волн очень сложно, поскольку невозможно просто выбрать область или волновое число посредством визуального поиска пика-кандидата. Был рассмотрен весь электромагнитный спектр в средней ИК и ближней ИК-областях, содержащий более тысячи пиков-кандидатов. На основе этого моделирования были определены два лучших пика-кандидата. Затем было разработано оборудование для этих целевых пиков.

[0064] На ФИГ. 7 рамка, содержащая два пика-кандидата, была дополнительно увеличена на вставке, для демонстрации того, что идентифицированная область рамки все еще содержит большое количество пиков-кандидатов. При наложении трех помех, смоделированных и идентифицированных как «совокупный спектр», визуальную идентификацию этих двух возможных пиков будет невозможно выделить среди огромного числа полос поглощения мешающих материалов. На ФИГ.7 показана область пиков-кандидатов, идентифицированных моделями в отношении подсовокупности спектра в ближней ИК-области, показывающая как пики целевого соединения (нижний спектр), так и смесь мешающих пиков в одном спектре (верхний спектр). На вставке верхний спектр предназначен для целевого соединения, а нижний спектр представляет собой помехи.

[0065] На ФИГ. 8, дальнейшее увеличение окна, показанного на ФИГ. 7 и идентифицированного как содержащее два целевых пика полосы 1 для успешной идентификации и количественного определения H₂S в матрице образца, обогащенной углеводородами, такой как трубопроводный газ, демонстрирует, что модель была успешной при выборе двух пиков из более чем тысячи других пиков-кандидатов для разработки этого иллюстративного варианта. Полоса 1 представляет собой диапазон волновых чисел 5066 см^-1-5076 см^-1 (от 1970 нм до 1974 нм). Полоса 2 (также показанная на ФИГ. 7) представляет собой диапазон волновых чисел 5086 см^-1-5097 см^-1 (от 1962 нм до 1966 нм), что также подтверждает, что модель была успешной. Визуальное определение этих двух полос было бы практически невозможно выполнить без использования этой двухфакторной модели и дальнейшей проверки моделирования с использованием суррогатных полос поглощения от лазера, использованного в этом исследовании.

[0066] В определенных вариантах реализации настоящего изобретения изменение выходной частоты источника 120 света происходит таким образом, что она многократно сканируется в диапазоне длин волн с частотой от 1 Гц до 1 КГц, причем выходная частота источника 120 света изменяется и, в конечном счете, дискретизируется электроникой с разрешением от 0,01 см^-1 до 0,0001 см^-1. Возможность сканирования полосы поглощения с использованием узкополосного перестраиваемого диодного лазера (или квантового каскадного лазера) со сверхвысоким (0,001 см^-1 или выше) разрешением позволяет пользователю затем получить информацию о пике спектрального поглощения соединения. Эти полосы могут затем быть использованы с их мешающими пиками в мощных хемометрических моделях для дальнейшего улучшения пределов обнаружения.

[0067] Передающая оптика 128 выполнена с возможностью отражения части света 126 в направлении детектора 132 и другой части света 134 в направлении ячейки 116 для образца. Свет 126, отраженный передающей оптикой 128, направлен на первый детектор 132, в котором происходит его измерение. Таким образом, детектор 132 использован для регистрации спектральных свойств (например, интенсивности, спектрального состава) света, излучаемого блоком 120 перестраиваемого диодного лазера, но не проходящего через образец газа в ячейке 116. Использование двух детекторов (132 и 152) приводит к возможности вычитать сигнатуру базовой линии канала сравнения (не подвергнутого воздействию матрицы образца газа) из базовой линии образца газа для уменьшения уровня шумов при измерении и улучшения пределов обнаружения концентрации газа H₂S в матрице образца.

[0068] Свет 134, входящий в ячейку 116 для образца, проходит через линзу 138 в корпусе ячейки 116 для образца. Обычно цель этого типа ячейки для образца состоит в улучшении чувствительности регистрации посредством увеличения общей длины оптического пути, который свет проходит через небольшой объем образца. Увеличение длины пути приводит к повышению чувствительности регистрации. Фокусирующие зеркала использованы в ячейке для образца для перенаправления света в каждой точке отражения, в результате чего световой пучок ограничен заранее заданным пространством вдоль контролируемого пути, пока он не выйдет из ячейки для образца. Выход ячейки представляет собой вход оптического детектора, который обнаруживает определенные изменения в свойствах света, происходящие во время взаимодействия с образцом в ячейке. После прохождения света 134 в ячейку 116 для образца происходит отражение света 134 назад и вперед внутри ячейки 116 между полевым зеркалом 136 и двумя объективными зеркалами 140, расположенными напротив полевого зеркала 136. Оптические ячейки, в которых происходит многократное отражение света взад и вперед, часто называют многопроходными ячейками. Ячейки Уайта и ячейки Херриотта представляют собой два примера многопроходных ячеек, используемых в спектроскопических приложениях, таких как это. В определенных вариантах реализации настоящего изобретения ячейка 116 и зеркала 136 и 140 выполнены с возможностью отражения света назад и вперед несколько раз, пока свет не пройдет достаточное расстояние для взаимодействия с образцом в ячейке 116 для достижения желаемой чувствительности измерения. В определенных вариантах реализации настоящего изобретения ячейка 116 и зеркала 136 и 140 выполнены так, что свет проходит 10,2 метра до выхода из ячейки 116 через линзу 142.

[0069] Свет 144, выходящий из ячейки 116, проходит к комплекту передающей оптики 148, который направляет свет 144 на второй детектор 152. Детектор 152, таким образом, использован для регистрации спектральных свойств (например, интенсивности, спектрального содержания) света, излучаемого блоком 120 перестраиваемого диодного лазера, но проходящего через образец в ячейке 116. Детекторы 132 и 152 преобразуют принятый свет в сигналы 160 и 164, соответственно, которые соответствуют спектральным свойствам света, измеренным детекторами. Например, сигналы 160 и 164 могут быть сигналами напряжения, пропорциональными спектральным свойствам принятого света. В определенных вариантах реализации настоящего изобретения детекторы 132 и 152 представляют собой детекторы, охлаждаемые нежидким азотом и реагирующие на представляющую интерес область целевого соединения, которые основаны на полупроводниковой технологии, выбранной из группы: теллурид ртути и кадмия (МСТ), дейтерированный триглицинсульфат (DTGS), арсенид индия, антимонид индия, арсенид индия-галлия или другой материал типа диода или полупроводника.

[0070] Детекторы 132 и 152 подают на выход сигналы 160 и 164, соответственно, в модуль 156 обработки. Модуль 156 обработки (например, компьютерный процессор или аналоговая электроника) синхронизирует сканирование по длине волны перестраиваемого диодного лазера 120 и получение сигнала детектора, и вырабатывает спектры поглощения образца газа в ячейке 116 для образца. Синхронизация позволяет согласовать во временной области измерение сигнала детектора с возбуждением лазера, чтобы можно было более точно назначить правильные волновые числа для спектра, образуемого детектором. Модуль 156 обработки также проводит хемометрический анализ спектров поглощения либо во временной области, либо в частотной области (посредством демодуляции) для дифференциации различных компонентов в газовой смеси.

[0071] В определенных вариантах реализации настоящего изобретения давление в ячейке 116 для образца уменьшено насосом 168 до желаемого уровня, измеряемого датчиком 172 давления. Насос 168 может быть, например, вакуумным насосом, используемым для понижения давления в ячейке 116. В определенных вариантах реализации настоящего изобретения давление в ячейке 116 для образца уменьшено ниже давления окружающего воздуха (то есть ниже 1 атмосферы на уровне моря) для улучшения чувствительности системы 100 для регистрации субстанций (например, H₂S) в ячейке для образца. В определенных вариантах реализации настоящего изобретения давление уменьшают, например, до 1/20 атмосферы или ниже, или немного менее 1 атмосферы. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения давление будет поддерживаться на уровне 1 атм. Рабочее давление будет зависеть от наличия пиков мешающих субстанций, причем необходимо более низкое давление для сужения полной ширины пика поглощения на половине его высоты таким образом, чтобы пик поглощения целевого газа H₂S или модулированный пик был отделен от любых других пиков. Снижение давления газа уменьшает спектральную ширину линии всех газов в образце. Посредством уменьшения давления природного газа в ячейке для образца система 100 уменьшает помехи от природного газа и повышает чувствительность и точность системы при измерении H₂S в ячейке 116 для образца. Обходной канал 180 использован для обеспечения возможности приведения образца газа, в котором была измерена концентрации H₂S, к давлению окружающей среды, так что дополнительные пики воды могут быть измерены при давлении 1 атм. Трехходовой клапан 190 использован для сброса вакуума в системе или для получения в системе давления окружающей среды. Устройство 194 представляет собой альтернативный источник давления, который можно использовать для изменения давления внутри системы.

[0072] На ФИГ. 2 схематически показан блок 200 перестраиваемого диодного лазера согласно иллюстративному варианту реализации настоящего изобретения. Блок 200 содержит лазерный волновод 204 и подложку 208 блока. Подложка 208 блока оперативно соединена с лазерным волноводом 204 для управления температурой лазерного волновода 204. Блок 200 также содержит контроллер 216, используемый для управления температурой подложки 208 блока. Контроллер 216 принимает данные о температуре от подложки 208 блока и выводит сигнал тока на подложку блока 208 для управления или, например, поддержания подложки 208 блока при желательной температуре для стабилизации температуры лазерного волновода 204. Контроллер 212 соединен с лазерным волноводом 204 для управления током, подаваемым на лазерный волновод 204. Частотой света 216, выводимого блоком 200 перестраиваемого диодного лазера, управляют посредством изменения температуры лазерного диода, которая зависит как от температуры подложки 208 блока, так и от тока, подаваемого контроллером 212. В определенных вариантах реализации настоящего изобретения настройка лазерного волновода выполнена посредством изменения температуры оптической решетки в лазерном волноводе 204, что изменяет частоту, испускаемую полупроводниковым устройством.

[0073] При использовании спектроскопии на основе перестраиваемого диодного лазера общей проблемой для долгосрочной стабильности является дрейф длины волны излучения диодного лазера. Например, точность измерения уменьшена при отсутствии коррекции дрейфа. Широко используемый способ блокировки линии перестраиваемого диодного лазера и предотвращения дрейфа заключается в установке отдельного стандарта длины волны в оптическом пути. Например, эталон или газовая ячейка сравнения, которая обеспечивает модуляцию длины волны, достаточно стабильную для измерения дрейфа диодного лазера, могут быть установлены в качестве отдельного стандарта длины волны на оптическом пути. Результатом измерения может быть либо обратная связь с лазерным управлением для компенсации дрейфа, либо входные данные для спектроскопической обработки с целью коррекции сдвига по оси x в спектре. Однако отдельный оптический путь со стандартом длины волны усложняет систему, снижает надежность и увеличивает стоимость системы.

[0074] Для устранения недостатков, вызванных добавлением в систему отдельного оптического пути со стандартом длины волны, пик поглощения метана был использован для синхронизации линии (или частотной нагрузки) излучения лазера с распределенной обратной связью-перестраиваемого диодного лазера для измерения H₂S на фоне природного газа (ФИГ. 9). Такая система, использующая другой фоновый спектр в качестве паразитного способа блокировки линии, не распространена, например, в лазерной спектроскопии для природного газа.

[0075] На ФИГ. 9 показан пример характеристик поглощения в диапазоне настройки лазера. Красная кривая представляет собой пик поглощения метана. Два синих пика представляют собой выбранные характеристики поглощения, используемые для измерения H₂S. По оси y отложены единицы поглощения. По оси x отложена длина волны в единицах, связанных с положением настройки лазера. При стабильности излучения перестраиваемого диодного лазера центр красного пика размещен примерно на отметке 10, а центры двух синих пиков размещены примерно на отметках 52 и 108, соответственно. При наличии дрейфа лазера происходит изменение соотношения между фактической длиной волны излучения и положением настройки лазера. Дрейф лазера вызывает смещение положений пиков от ожидаемых положений пиков, что приводит к ошибкам при обработке спектра. Как описано в настоящем документе, красный пик на ФИГ. 9 соответствует метану, который существует на фоне природного газа. В предлагаемой системе происходит варьирование тока накачки лазера для компенсации любого дрейфа частоты лазера и фиксации красного пика для его постоянного нахождения на отметке около 10. Таким образом, пики H₂S могут быть заблокированы на линии (или заблокированы на частоте нагрузки) на отметках около 52 и около 108. Такая настройка уменьшает шум.

[0076] В этой заявке, включая указанные ниже определения, термин «модуль» или термин «контроллер» можно заменить термином «схема». Термин «модуль» может относиться к, быть частью или содержать: специализированную интегральную схему (ASIC); цифровую, аналоговую или смешанную аналогово-цифровую дискретную схему; цифровую, аналоговую или смешанную аналогово-цифровую интегральную схему; комбинационную логическую схему; программируемую пользователем вентильную матрицу (FPGA); схему процессора (совместно используемую, выделенную или групповую), которая выполняет код; схему запоминающего устройства (совместно используемую, выделенную или групповую), в которой хранится код, исполняемый схемой процессора; другие подходящие аппаратные компоненты, обеспечивающие описанные функциональные возможности; или сочетание некоторых или всего вышеперечисленного, например, в системе на кристалле.

[0077] Используемый выше термин «код» может означать программное обеспечение, встроенное программное обеспечение и/или микрокод и может иметь отношение к программам, подпрограммам, функциям, классам, структурам данных и/или объектам. Термин «схема с общим процессором» означает схему с одним процессором, которая выполняет некоторый или весь код из множества модулей. Термин «групповая схема процессора» означает схему процессора, которая в сочетании с дополнительными схемами процессора выполняет некоторый или весь код из одного или более модулей. Ссылки на множество процессорных схем означают множество процессорных схем на дискретных матрицах, множество процессорных схем на одном кристалле, множество ядер одной процессорной схемы, множество потоков одной процессорной схемы или комбинацию вышеперечисленного. Термин «схема совместно используемого запоминающего устройства» означает одну схему запоминающего устройства, в которой хранится часть или весь код из множество модулей. «Схема группового запоминающего устройства» означает схему запоминающего устройства, которая в сочетании с дополнительным запоминающим устройством хранит некоторый или весь код из одного или более модулей.

[0078] Термин «схема запоминающего устройства» представляет собой подмножество термина «компьютерочитаемый носитель». Используемый в настоящем документе термин «компьютерочитаемый носитель» не охватывает кратковременные электрические или электромагнитные сигналы, распространяющиеся в среде (например, на несущей волне); поэтому термин «компьютерочитаемый носитель» можно считать материальным и некратковременным. Неограничивающие примеры некратковременных материальных компьютерочитаемых носителей представляют собой энергонезависимые схемы запоминающего устройства (такие как схема флэш-память, стираемая программируемая схема постоянного чтения или схема запоминающего устройства только для чтения), энергозависимые схемы запоминающего устройства (такие как статическая схема произвольного доступа или схема динамического запоминающего устройства с произвольным доступом), магнитные носители данных (такие как аналоговая или цифровая магнитная лента или жесткий диск) и оптические носители данных (такие как компакт-диск (CD), универсальный цифровой диск (DVD) или диск формата Blu-ray).

[0079] Устройства и способы, описанные в этой заявке, могут быть частично или полностью реализованы компьютером специального назначения, созданным посредством конфигурирования компьютера общего назначения для выполнения одной или более конкретных функций, воплощенных в компьютерных программах. Описанные выше функциональные блоки и элементы блок-схемы служат в качестве спецификаций программного обеспечения, которые могут быть преобразованы в компьютерные программы посредством обычной работы квалифицированного специалиста или программиста.

[0080] На ФИГ. 10 показана иллюстративная сетевая среда 1000 для использования в системах, описанных в настоящем документе. В кратком обзоре со ссылками на ФИГ. 10 показана и описана блок-схема взятой в качестве примера облачной вычислительной среды 1000. Среда 1000 облачных вычислений может содержать один или более поставщиков 1002a, 1002b, 1002c ресурсов (собирательно - 1002). Каждый поставщик 1002 ресурсов может содержать вычислительные ресурсы. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения вычислительные ресурсы могут содержать любое аппаратное и/или программное обеспечение, используемое для обработки данных. Например, вычислительные ресурсы могут содержать аппаратное и/или программное обеспечение, способное выполнять алгоритмы, компьютерные программы и/или компьютерные приложения. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения взятые в качестве примера вычислительные ресурсы могут содержать серверы приложений и/или базы данных с возможностями хранения и поиска. Каждый поставщик 1002 ресурсов может быть подключен к любому другому поставщику 1002 ресурсов в среде 1000 облачных вычислений. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения поставщики 1002 ресурсов могут быть подключены через компьютерную сеть 1008. Каждый поставщик 1002 ресурсов может быть подключен к одному или более вычислительным устройствам 1004a, 1004b, 1004c (собирательно - 1004) по компьютерной сети 1008.

[0081] Среда 1000 облачных вычислений может содержать менеджер 1006 ресурсов. Менеджер 1006 ресурсов может быть подключен к поставщикам 1002 ресурсов и вычислительным устройствам 1004 через компьютерную сеть 1008. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения менеджер 1006 ресурсов может облегчать предоставление вычислительных ресурсов посредством одного или более поставщиков 1002 ресурсов одному или более вычислительным устройствам 1004. Администратор 1006 ресурсов может принимать запрос на вычислительный ресурс от конкретного вычислительного устройства 1004. Диспетчер 1006 ресурсов может идентифицировать одного или более поставщиков 1002 ресурсов, способных предоставить вычислительный ресурс, запрошенный вычислительным устройством 1004. Администратор 1006 ресурсов может выбрать поставщика 1002 ресурсов для предоставления вычислительного ресурса. Менеджер 1006 ресурсов может облегчать соединение между поставщиком 1002 ресурсов и конкретным вычислительным устройством 1004. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения менеджер 1006 ресурсов может устанавливать соединение между конкретным поставщиком 1002 ресурсов и конкретным вычислительным устройством 1004. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения диспетчер 1006 ресурсов может перенаправить конкретное вычислительное устройство 1004 конкретному поставщику 1002 ресурсов с запрошенным вычислительным ресурсом.

[0082] На ФИГ. 11 показан пример вычислительного устройства 1100 и мобильного вычислительного устройства 1150, которые можно использовать в способах и системах, указанных в этом описании. Вычислительное устройство 1100 предназначено для представления различных видов цифровых компьютеров, таких как ноутбуки, настольные компьютеры, рабочие станции, персональные цифровые помощники, серверы, сверхкомпактные серверы, мэйнфреймы и другие соответствующие компьютеры. Мобильное вычислительное устройство 1150 предназначено для представления различных форм мобильных устройств, таких как персональные цифровые помощники, сотовые телефоны, смартфоны и другие подобные вычислительные устройства. Компоненты, показанные в настоящем документе, их связи и взаимодействия, а также их функции, предназначены только для примера, а не для ограничения.

[0083] Вычислительное устройство 1100 содержит процессор 1102, запоминающее устройство 1104, устройство 1106 хранения, высокоскоростной интерфейс 1108, соединенный с запоминающим устройством 1104 и множеством высокоскоростных портов 1110 расширения, и низкоскоростной интерфейс 1112, соединенный с низкоскоростным портом 1114 расширения и устройством 1106 хранения. Каждый элемент из процессора 1102, запоминающего устройства 1104, устройства 1106 хранения, высокоскоростного интерфейса 1108, высокоскоростных портов 1110 расширения и низкоскоростного интерфейса 1112 взаимосвязаны с использованием различных шин и могут быть установлены на общей материнской плате или другими способами, в зависимости от ситуации. Процессор 1102 способен обрабатывать инструкции для исполнения в вычислительном устройстве 1100, включая инструкции, хранимые в запоминающем устройстве 1104 или в устройстве 1106 хранения, для отображения графической информации для графического интерфейса пользователя на внешнем устройстве ввода / вывода, таком как дисплей 1116, связанный с высокоскоростным интерфейсом 1108. В других реализациях настоящего изобретения может быть использовано множество процессоров и/или множество шин, в зависимости от ситуации, наряду с множеством запоминающих устройств и типов запоминающих устройств. Кроме того, может быть подключено множество вычислительных устройств, причем каждое устройство обеспечивает выполнение части необходимых операций (например, в качестве банка серверов, группы сверхкомпактных серверов или многопроцессорной системы).

[0084] Запоминающее устройство 1104 хранит информацию в вычислительном устройстве 1100. В некоторых вариантах реализациях настоящего изобретения запоминающее устройство 1104 представляет собой блок или блоки энергозависимого запоминающего устройства. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения запоминающее устройство 1104 представляет собой блок или блоки энергонезависимого запоминающего устройства. Запоминающее устройство 1104 также может быть другой формой компьютерочитаемого носителя, такого как магнитный или оптический диск.

[0085] Устройство 1106 хранения данных способно обеспечить массовое хранение данных для вычислительного устройства 1100. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения устройство 1106 хранения данных может быть выполнено в виде компьютерочитаемого носителя (или содержать его), такого как устройство для гибких дисков, устройство на жестком диске, устройство на оптическом диске, или ленточное устройство, флэш-память или другое подобное твердотельное запоминающее устройство, или массив устройств, включая устройства в сети хранения данных или другие конфигурации. Инструкции могут храниться на носителе информации. Инструкции при их исполнении одним или более устройствами обработки (например, процессором 1102) реализуют один или более способов, таких как описанные выше. Инструкции также могут храниться одним или более устройствами хранения, такими как машиночитаемые или компьютерочитаемые носители (например, запоминающее устройство 1104, устройство 1106 хранения или запоминающее устройство в процессоре 1102).

[0086] Высокоскоростной интерфейс 1108 управляет операциями с интенсивной полосой пропускания для вычислительного устройства 1100, тогда как низкоскоростной интерфейс 1112 управляет операциями с меньшей полосой пропускания. Такое распределение функций является лишь примером. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения высокоскоростной интерфейс 1108 связан с запоминающим устройством 1104, дисплеем 1116 (например, через графический процессор или ускоритель) и с высокоскоростными портами 1110 расширения, которые могут принимать различные карты расширения (не показаны). В одном варианте реализации низкоскоростной интерфейс 1112 соединен с устройством 1106 хранения и низкоскоростным портом 1114 расширения. Низкоскоростной порт 1114 расширения, который может содержать различные порты связи (например, USB, Bluetooth®, Ethernet, беспроводной Ethernet) может быть подключен к одному или более устройствам ввода / вывода, таким как клавиатура, указательное устройство, сканер или сетевое устройство, такое как коммутатор или маршрутизатор, например, через сетевой адаптер.

[0087] Вычислительное устройство 1100 может быть реализовано в нескольких различных формах, как показано на чертеже. Например, оно может быть реализовано как стандартный сервер 1120 или множество раз в группе таких серверов. Кроме того, оно может быть реализовано в виде персонального компьютера, такого как портативный компьютер 1122. Оно также может быть реализовано как часть системы 1124 сервера на стойке. В качестве альтернативы компоненты вычислительного устройства 1100 могут быть объединены с другими компонентами в мобильном устройстве (не показано), например, в мобильном вычислительном устройстве 1150. Каждое из таких устройств может содержать одно или более вычислительных устройств 1100 и мобильных вычислительных устройств 1150, и вся система может состоять из множества вычислительных устройств, взаимодействующих друг с другом.

[0088] Мобильное вычислительное устройство 1150 содержит, наряду с другими компонентами, процессор 1152, запоминающее устройство 1164, устройство ввода / вывода, такое как дисплей 1154, интерфейс 1166 связи и приемопередатчик 1168. Мобильное вычислительное устройство 1150 также может быть снабжено устройством хранения данных, таким как микропривод или другое устройство, для предоставления дополнительного объема хранения данных. Каждый элемент из процессора 1152, запоминающего устройства 1164, дисплея 1154, интерфейса 1166 связи и приемопередатчика 1168 соединены между собой с использованием различных шин, а некоторые из компонентов могут быть установлены на общей материнской плате или другими подходящими способами.

[0089] Процессор 1152 может выполнять инструкции в мобильном вычислительном устройстве 1150, включая инструкции, хранимые в запоминающем устройстве 1164. Процессор 1152 может быть реализован в виде совокупности микросхем, которые содержат отдельные и множественные аналоговые и цифровые процессоры. Процессор 1152 способен обеспечивать, например, координацию других компонентов мобильного вычислительного устройства 1150, таких как управление пользовательскими интерфейсами, приложениями, выполняемыми мобильным вычислительным устройством 1150, и беспроводную связь посредством мобильного вычислительного устройства 1150.

[0090] Процессор 1152 может быть связан с пользователем через интерфейс 1158 управления и интерфейс 1156 дисплея, связанный с дисплеем 1154. Дисплей 1154 может быть, например, выполнен в виде жидкокристаллического дисплея с тонкопленочными транзисторами (TFT) или дисплея на основе органического светоизлучающего диода (OLED) или на основе другой соответствующая технология отображения. Интерфейс 1156 дисплея может содержать соответствующую схему для приведения в действие дисплея 1154 для представления графической и другой информации пользователю. Интерфейс 1158 управления может принимать команды от пользователя и преобразовывать их для передачи в процессор 1152. Кроме того, внешний интерфейс 1162 способен обеспечивать связь с процессором 1152 для обеспечения ближней связи мобильного вычислительного устройства 1150 с другими устройствами. Внешний интерфейс 1162 способен обеспечивать, например, проводную связь в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения или беспроводную связь в других вариантах реализации, а также могут быть использованы множество интерфейсов.

[0091] Запоминающее устройство 1164 хранит информацию в мобильном вычислительном устройстве 1150. Запоминающее устройство 1164 может быть реализовано в виде одного или более устройств из компьютерочитаемого носителя или носителей, блока или блоков энергозависимого запоминающего устройства или блока или блоков энергонезависимого запоминающего устройства. Расширительное запоминающее устройство 1174 также может быть обеспечено и подключено к мобильному вычислительному устройству 1150 через интерфейс 1172 расширения, который может содержать, например, интерфейс SIMM-карты (модуль с однорядным расположением микросхем памяти). Расширительное запоминающее устройство 1174 способно предоставлять дополнительное пространство хранения для мобильного вычислительного устройства 1150 или также может хранить приложения или другую информацию для мобильного вычислительного устройства 1150. В частности, дополнительное запоминающее устройство 1174 может содержать инструкции для выполнения или дополнения процессов, описанных выше, и может также содержать защищенную информацию. Таким образом, например, запоминающее устройство 1174 расширения может быть предоставлено в качестве модуля безопасности для мобильного вычислительного устройства 1150 и может быть запрограммировано инструкциями, которые разрешают безопасное использование мобильного вычислительного устройства 1150. Кроме того, защищенные приложения могут быть обеспечены посредством SIMM-карты вместе с дополнительной информацией, например путем размещения идентификационной информации на SIMM-карте с защитой от хакерских атак.

[0092] Запоминающее устройство может содержать, например, флэш-память и/или память типа NVRAM (энергонезависимое оперативное запоминающее устройство), как обсуждается ниже. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения инструкции хранят на носителе информации, и при их исполнении одним или более устройствами обработки (например, процессором 1152) они реализуют один или более способов, таких как описанные выше. Инструкции также могут быть сохранены на одном или более устройствах хранения, таких как один или более машиночитаемых или компьютерочитаемых носителей (например, запоминающее устройство 1164, запоминающее устройство 1174 расширения или запоминающее устройство на процессоре 1152). В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения инструкции могут быть приняты в распространяемом сигнале, например, через приемопередатчик 1168 или внешний интерфейс 1162.

[0093] Мобильное вычислительное устройство 1150 может осуществлять беспроводную связь через интерфейс 1166 связи, который может содержать схемы цифровой обработки сигналов, где это необходимо. Интерфейс 1166 связи может обеспечивать связь в различных режимах или протоколах, таких как голосовые вызовы глобальной система мобильной связи (GSM), служба коротких сообщений (SMS), усовершенствованная служба обмена сообщениями (EMS) или служба обмена мультимедийными сообщениями (MMS), множественный доступ с кодовым разделением (CDMA), множественный доступ с временным разделением (TDMA), персональная цифровая сотовая связь (PDC), широкополосный множественный доступ с кодовым разделением (WCDMA), CDMA2000 или служба комплектной радиосвязи общего назначения (GPRS) и другие. Такая связь может происходить, например, через приемопередатчик 1168 с использованием радиочастоты. Кроме того, может происходить связь на короткие расстояния, например, с использованием Bluetooth®, Wi-Fi™ или другого такого трансивера (не показан). Кроме того, модуль 1170 приемника глобальной системы позиционирования (GPS) может предоставлять дополнительные беспроводные данные, связанные с навигацией и местоположением, в мобильное вычислительное устройство 1150, которое может быть использовано в зависимости от ситуации приложениями, работающими на мобильном вычислительном устройстве 1150.

[0094] Мобильное вычислительное устройство 1150 также может осуществлять звуковую связь с использованием аудиокодека 1160, который способен принимать речевую информацию от пользователя и преобразовывать ее в пригодную для использования цифровую информацию. Аудиокодек 1160 также может генерировать слышимый звук для пользователя, например, через динамик, например, в трубке мобильного вычислительного устройства 1150. Такой звук может содержать звук от голосовых телефонных вызовов, может содержать записанный звук (например, голосовые сообщения, музыкальные файлы и т. д.) и может также содержать звук, генерируемый приложениями, работающими на мобильном вычислительном устройстве 1150.

[0095] Мобильное вычислительное устройство 1150 может быть реализовано в нескольких различных формах, как показано на чертеже. Например, оно может быть реализовано как сотовый телефон 1180. Оно также может быть реализовано как часть смартфона 1182, персонального цифрового помощника или другого аналогичного мобильного устройства.

[0096] Различные реализации систем и способов, описанных в настоящем документе, могут быть реализованы в цифровых электронных схемах, интегральных схемах, специально разработанных специализированных интегральных схемах (ASIC), компьютерном оборудовании, программно-аппаратном обеспечении, программном обеспечении и/или в их комбинациях. Эти различные варианты реализации могут представлять собой реализацию в виде одной или более компьютерных программ, которые исполняемы и/или интерпретируемы в программируемой системе, содержащей по меньшей мере один программируемый процессор, который может быть выполнен как процессор специального или общего назначения, связанный с приемом данных и инструкций от системы хранения по меньшей мере одного устройства ввода и по меньшей мере одного устройства вывода и для передачи данных и инструкций в эту систему и эти устройства.

[0097] Эти компьютерные программы (также известные как программы, программное обеспечение, программные приложения или код) включают в себя машинные инструкции для программируемого процессора и могут быть реализованы на высокоуровневом процедурном и/или объектно-ориентированном языке программирования и/или на ассемблере/машинном языке. Используемые в настоящем документе термины «машиночитаемый носитель» и «компьютерочитаемый носитель» относятся к любому компьютерному программному продукту, аппарату и/или устройству (например, к магнитным дискам, оптическим дискам, запоминающему устройству, программируемым логическим устройствам (PLD)), используемым для предоставления машинных инструкций и/или данных в программируемый процессор, включая машиночитаемый носитель, который принимает машинные инструкции в качестве машиночитаемого сигнала. Термин «машиночитаемый сигнал» относится к любому сигналу, используемому для подачи машинных инструкций и/или данных в программируемый процессор.

[0098] Для обеспечения взаимодействия с пользователем описанные в настоящем документе системы и способы могут быть реализованы на компьютере, имеющем устройство отображения (например, электронно-лучевую трубку (CRT) или жидкокристаллический дисплей (LCD) для отображения информации пользователю и клавиатуру и указательное устройство (например, мышь или трекбол), с помощью которого пользователь может вводить данные в компьютер. Другие виды устройств также могут быть использованы для обеспечения взаимодействия с пользователем; например, обратная связь, предоставляемая пользователю, может быть любой формой сенсорной обратной связи (например, визуальной обратной связью, слуховой обратной связью или тактильной обратной связью); и ввод от пользователя может быть получен в любой форме, включая акустический, речевой или тактильный ввод.

[0099] Описанные в настоящем документе системы и способы могут быть реализованы в вычислительной системе, содержащей внутренний компонент (например, в качестве сервера данных), или содержащей компонент промежуточного программного обеспечения (например, сервер приложений), или содержащей передний конечный компонент (например, клиентский компьютер, имеющий графический пользовательский интерфейс или веб-браузер, с помощью которого пользователь может взаимодействовать с реализацией систем и способов, описанных в настоящем документе), или любую комбинацию таких внутренних компонентов, промежуточного программного обеспечения или внешних компонентов. Компоненты системы могут быть связаны любой формой или средой передачи цифровых данных (например, сетью связи). Примеры сетей связи включают в себя локальную сеть (LAN), глобальную сеть (WAN) и Интернет.

[0100] Вычислительная система может содержать клиентов и серверы. Клиент и сервер обычно удалены друг от друга и обычно взаимодействуют через сеть связи. Отношения между клиентом и сервером возникают благодаря компьютерным программам, работающим на соответствующих компьютерах и имеющим отношения типа «клиент-сервер» друг с другом.

[0101] Хотя настоящее описание содержит конкретные варианты реализации настоящего изобретения, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что в него могут быть внесены различные изменения в форме и деталях, не выходящие за пределы сущности и объема изобретения, которые определены в прилагаемой формуле изобретения.

Эквиваленты

[0102] Хотя изобретение было конкретно показано и описано со ссылками на конкретные предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что в него могут быть внесены различные изменения в форме и деталях, не выходящие за пределы сущности и объема изобретения, определенных в прилагаемой формуле изобретения. Соответствующее содержание всех ссылок, патентов и патентных заявок, цитируемых в данном документе, включено в настоящий документ посредством ссылок во всей их полноте.

Изобретение относится к системам и способам обнаружения и измерения газов в образце, а более конкретно к системам абсорбционной спектроскопии и способам количественного определения редких веществ (например, сероводорода) в образце газа, например в образце природного газа. Заявленная спектроскопическая система для измерения следового уровня и/или ультраследового уровня содержания сероводорода в образце природного газа содержит: лазер для генерации выходного пучка в совокупности из одного или более дискретных или непрерывных диапазонов длин волн при частоте сканирования от примерно 0,1 Гц до примерно 1000 Гц в указанной совокупности из одной или более дискретных или непрерывных диапазонов длин волн; передающую оптику для направления и/или формирования выходного пучка от лазера к образцу природного газа; оптический детектор для приема света из образца природного газа и выработки детекторного сигнала, соответствующего принятому свету; и процессор вычислительного устройства и запоминающее устройство (некратковременный компьютерочитаемый носитель), в котором хранятся инструкции, которые при их исполнении процессором, побуждают процессор вычислять следовой и/или ультраследовой уровень содержания сероводорода в образце природного газа на основании сигнала, соответствующего принятому свету. Причем совокупность из одного или более дискретных или непрерывных диапазонов длин волн содержит один или оба диапазона (i) и (ii) из следующих: (i) первого диапазона шириной по меньшей мере 0,05 см^-1, содержащего по меньшей мере одно значение волнового числа в диапазоне от 5066 см^-1 до 5076 см^-1; и (ii) второго диапазона шириной, по меньшей мере, 0,05 см^-1, содержащего по меньшей мере одно значение волнового числа в диапазоне от 5086 см^-1 до 5097 см^-1. Технический результат - улучшение способа и системы для мониторинга сероводорода в природном газе. 3 н. и 20 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Спектроскопическая система для измерения следового уровня и/или ультраследового уровня содержания сероводорода в образце природного газа, содержащая:

лазер для генерации выходного пучка в совокупности из одного или более дискретных или непрерывных диапазонов длин волн при частоте сканирования от примерно 0,1 Гц до примерно 1000 Гц в указанной совокупности из одной или более дискретных или непрерывных диапазонов длин волн;

передающую оптику для направления и/или формирования выходного пучка от лазера к образцу природного газа;

оптический детектор для приема света из образца природного газа и выработки детекторного сигнала, соответствующего принятому свету; и

процессор вычислительного устройства и запоминающее устройство (некратковременный компьютерочитаемый носитель), в котором хранятся инструкции, которые при их исполнении процессором, побуждают процессор вычислять следовой и/или ультраследовой уровень содержания сероводорода в образце природного газа на основании сигнала, соответствующего принятому свету, причем

совокупность из одного или более дискретных или непрерывных диапазонов длин волн содержит один или оба диапазона (i) и (ii) из следующих:

(i) первого диапазона шириной по меньшей мере 0,05 см^-1, содержащего по меньшей мере одно значение волнового числа в диапазоне от 5066 см^-1 до 5076 см^-1; и

(ii) второго диапазона шириной, по меньшей мере, 0,05 см^-1, содержащего по меньшей мере одно значение волнового числа в диапазоне от 5086 см^-1 до 5097 см^-1.

2. Система по п. 1, в которой инструкции при их исполнении их процессором побуждают процессор синхронизировать сканирование по длине волны лазера с сигналом детектора для выравнивания во временной области результата измерения сигнала детектора со сканированием по длине волны для генерации спектра поглощения.

3. Система по п. 2, в которой инструкции при их исполнении их процессором побуждают процессор анализировать выработанное поглощение для определения следового уровня и/или ультраследового уровня содержания сероводорода в образце природного газа.

4. Система по любому из предыдущих пунктов, в которой образец природного газа содержит по меньшей мере 20% метана.

5. Система по любому из предыдущих пунктов, в которой инструкции при их исполнении их процессором идентифицируют пик поглощения, соответствующий метану в образце природного газа, и используют пик поглощения, соответствующий метану, для блокировки линии (или, что эквивалентно, для блокировки частотной нагрузки) выходной длины волны (или частоты) лазера и стабилизации одного или более диапазонов выходных длин волн лазера, тем самым уменьшая ошибку, вызванную дрейфом лазера, без использования отдельной газовой ячейки сравнения.

6. Система по любому из предыдущих пунктов, дополнительно содержащая дополнительный оптический детектор для приема света от выходного пучка лазера, который не проходит через образец природного газа, и для

получения результирующего дополнительного сигнала, причем

инструкции при их исполнении их процессором анализируют дополнительный сигнал для определения сигнатуры базовой линии канала сравнения и вычитают сигнатуру базовой линии канала сравнения из базового сигнала для образца газа (указанный базовый сигнал для образца газа определен из сигнала фотоприемника, соответствующего свету, принятому от образца природного газа), тем самым уменьшая шум.

7. Система по любому из предыдущих пунктов, дополнительно содержащая систему кондиционирования образца газа.

8. Система по любому из предыдущих пунктов, дополнительно содержащая устройство управления потоком для управления скоростью потока образца природного газа в/через проточную ячейку.

9. Система по любому из предыдущих пунктов, дополнительно содержащая насос для регулирования и/или снижения давления образца природного газа перед подачей образца в/через проточную ячейку.

10. Система по любому из предыдущих пунктов, дополнительно содержащая вакуумный насос для создания вакуума (пониженного давления) образца природного газа в проточной ячейке.

11. Спектроскопический способ измерения следового уровня и/или ультраследового уровня содержания сероводорода в образце природного газа, включающий:

генерирование выходного пучка из лазера в совокупности из одного или более дискретных или непрерывных диапазонов длин волн при частоте сканирования от примерно 0,1 Гц до примерно 1000 Гц в указанной совокупности из одного или более дискретных или непрерывных диапазонов длин волн;

введение образца природного газа в проточную ячейку, причем образец природного газа содержит следовой уровень следа и/или ультраследовой уровень содержания сероводорода;

направление и/или формирование выходного пучка от лазера к образцу природного газа;

прием света от образца природного газа оптическим детектором и выработку детекторного сигнала, соответствующего принятому свету; и

определение посредством процессора вычислительного устройства и запоминающего устройства (некратковременного компьютерочитаемого носителя), на котором хранятся инструкции, следового уровня и/или ультраследового уровня содержания сероводорода в образце природного газа на основании сигнала, соответствующего принятому свету,

причем совокупность из одного или более дискретных или непрерывных диапазонов длин волн содержит один или оба диапазона (i) и (ii) из следующих:

(i) первого диапазона шириной по меньшей мере 0,05 см^-1, содержащего по меньшей мере одно значение волнового числа в диапазоне от 5066 см^-1 до 5076 см^-1; и

(ii) второго диапазона шириной, по меньшей мере, 0,05 см^-1, содержащего по меньшей мере одно значение волнового числа в диапазоне от 5086 см^-1 до 5097 см^-1.

12. Способ по п. 11, дополнительно включающий синхронизацию, посредством процессора, сканирования по длине волны лазера с сигналом детектора для выравнивания во временной области измерения сигнала детектора со сканированием по длине волны для выработки спектра поглощения.

13. Способ по п. 12, дополнительно включающий анализ, посредством процессора, сгенерированного спектра поглощения для определения следового уровня и/или ультраследового уровня содержания сероводорода в образце природного газа.

14. Способ по п. 13, дополнительно включающий выполнение хемометрического анализа выработанного спектра поглощения во временной или частотной области (посредством демодуляции).

15. Способ по любому из пп. 11-14, в котором образец природного газа содержит по меньшей мере 20% метана.

16. Способ по любому из пп. 11-15, дополнительно включающий:

идентификацию, посредством процессора, пика поглощения, соответствующего метану в образце природного газа; и

использование пика поглощения, соответствующего метану, для блокировки линии (или, что эквивалентно, для блокировки частотной нагрузки) посредством процессора, выходной длины волны (или частоты) лазера и стабилизации одного или более диапазонов выходных длин волны лазера, что, тем самым, уменьшает ошибку, вызванную дрейфом лазера, без использования отдельной газовой ячейки сравнения.

17. Способ по любому из пп. 11-16, дополнительно включающий:

прием света от выходного пучка лазера, который не проходит через образец природного газа;

выработку результирующего дополнительного сигнала и

анализ, посредством процессора, дополнительного сигнала для определения сигнатуры базовой линии канала сравнения и вычитание сигнатуры базовой линии канала сравнения из базового сигнала образца газа (указанный базовый сигнал для образца газа определен из сигнала фотоприемника, соответствующего свету, принятому от образца природного газа), тем самым уменьшая шум.

18. Способ по любому из пп. 11-17, дополнительно включающий кондиционирование образца природного газа.

19. Способ по любому из пп. 11-18, дополнительно включающий управление скоростью потока образца природного газа в/через проточную ячейку.

20. Способ по любому из пп. 11-19, дополнительно включающий регулирование и/или снижение давления образца природного газа перед подачей образца в/через проточную ячейку.

21. Способ по любому из пп. 11-20, дополнительно включающий создание вакуума (пониженного давления) образца природного газа в проточной ячейке.

22. Система по любому из пп. 1-10, в которой лазер представляет собой компонент, выбранный из группы, состоящей из:

перестраиваемого диодного лазера (например, лазера с распределенной обратной связью (DFB), например, полупроводникового лазера с вертикальным резонатором и поверхностным излучением (VCSEL)),

диодного лазера с внешним резонатором или

полупроводникового лазера с вертикальным внешним резонатором и поверхностным излучением (VECSEL) и

перестраиваемого квантового каскадного лазера (QCL).

23. Способ по любому из пп. 11-21, в котором лазер представляет собой компонент, выбранный из группы, состоящей из:

перестраиваемого диодного лазера (например, лазера с распределенной обратной связью (DFB), например, полупроводникового лазера с вертикальным резонатором и поверхностным излучением (VCSEL)),

диодного лазера с внешним резонатором или

полупроводникового лазера с вертикальным внешним резонатором и поверхностным излучением (VECSEL) и

перестраиваемого квантового каскадного лазера (QCL).

24. Система измерения содержания сероводорода в природном газе, содержащая:

источник света, излучающий свет с частотой, по существу соответствующей линии поглощения сероводорода в диапазоне длин волн 5066-5076 см^-1 (1970-1974 нм) и/или в диапазоне длин волн 5086-5097 см^-1 (1962-1966 нм), причем источник света размещен с возможностью излучения света через природный газ;

первый детектор, выполненный с возможностью определения интенсивности света, излучаемого источником света;

второй детектор, выполненный с возможностью определения интенсивности света после прохождения через природный газ; и

модуль обработки, соединенный с первым и вторым детекторами для определения уровня содержания сероводорода в природном газе.

25. Система по п. 24, в которой источник света проводит сканирование в диапазоне длин волн с частотой от 10 Гц до 200 Гц.

26. Система по п. 25, в которой сигналы от детекторов дискретизированы с разрешением от 0,01 см^-1 до 0,0001 см^-1.