Универсальный детектор метана Советский патент 1992 года по МПК G01N21/61 

Изобретение относится к оптическим абсорбционным ИК-газоанализаторам состава газообразных сред, работающим по методу воздействия веществ на свет двух или более длин волн, и может быть использовано в передвижных автолабрраториях,

предназначенных для обнаружения мест истечения взрывоопасных газов (например, метана) из грунта с последующим определением их природы.

Известен двухлучевой газоанализатор, содержащий источник излучения, формирователь двух коллимированных потоков излучения (рабочего и эталонного), кювету с исследуемым газом, два интерференционных фильтра на рабочую и эталонную длины волн, систему сведения двух потоков, приемник излучения и модулятор потока, расположенный между системой сведения и приемником 1.

Недостатком данного газоанализатора является относительно большой объем кюветы, что приводит к разбавлению пробы газа, поступившей в малых объемах. Кроме того, использование одного источникам одного приемника требует построения сложной системы разделения и сведения световых потоков, которая сложна в юстировке и вносит Дополнительные погрешности в показания прибора за счет изменения пропускания оптических Деталей вследствие загрязнение их поверхности. Отсутствует возможность контроля трех требуемых компонентов в поступившей газовоздушной смеси с целью определения природы метана (болотный или сетевой).

Известен так же газоанализатор, содержащий электронно-модулируемый источник излучения, кювету с исследуемым газом, содержащую формирователь двух коллимированных потоков излучения, интерференционные фильтры на рабочую и эталонную длины волн, расположенные на соответствующих оптических осях, два приемника излучения и подключенный к их выходам электронный узел, включающий в себя две схемы выделения и блок обработки сигналов, а также поворотный непрозрачный диск с отверстиями, расположенный в кювете,|и в его отверстиях укреплены интерференционные фильтры 2.

Недостатки газоанализатора заключаются в следующем. Относительно большой дбъем кюветы приводит к разбавлению пробцгаза, поступившей в малых объемах. Конструкция данной кюветы не позволяет преобразовать малый объем поступившей пробы газа в газовоздушный столб максимальной (оптимальной) длины, что снижает точность и достоверность измерений. 0тcyTctByeT возможность контроля трех требуемых компонентов в поступившей газовоздушной смеси с целью определения пр.ироды выявленного метана (болотный или сетевой). Использование вращающегося диска приводит к возникновению дополнительных погрешностей при измерениях.

4 аиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к изобретению является устройство для контроля содержания окиси углерода в отработавших газах автомобилей, содержащее оптический блок, включающий оптически связанные источник излучения, систему зеркал для разделения потрка излучения на два Г1учка, модулятор, кювету с исследуемым газом,

фильтры, систему зеркал для сведения пучков излучения на фотоприемник и электронный блок, вход которого сбязан с выходом фотоприемника, включающий последовательно соединенные блок обработки сигналов, корректор и блок индикации. Причем корректор выполнен в виде двух цифроаналоговых преобразователей, двух постоянных запоминающих блоков и программного переключателя учета температуры и давления, выходы которых подключены через постоянный запоминающий блок к цифров;ым входам цифроаналогЬвых преобразователей, связанных с корректором 3.

Недостатками устройства являются от0 носительно большой объем кюветы, что приводит к разбавлению пробы газа., поступившей в малых объемах, а также то, что конструкция данной кюветы не позволяет преобразовать малый объем поступившей пробы газа а газовоздушный столб максимальной (оптимальной) длины, что снижает точность и достоверность .измерений. Кроме того, отсутствует возможность контроля трех (метан, углекислый газ и тя

0 желые углеводороды) требуемых компонентов в поступившей газовоздушной смеси с целью определения природы Быявлен юго метана (болотный или сетевой). Использование вращающегося модулятора приводите

5 возникновению дополнительных погрешностей при измерениях.

Цель изобретения - повышение точности определения места утечки метана и ускорение проведения экспресс-анализа

0 природы метана.

Цель Достигается тем, что в универсальный детектор метана, содержащий первый источник излучения, первый фотоприемник, оптические зеркала, оптические корректирующие элементы, пневмотракт, первуюрптиче:кую газовую кювету, первый источник излучения, первый блок обработки и первый блок индикации, причем источник излучения, оптическая газовая кювета, оптические

0 корректирующие элементы и первый фотоприемник расположены на одной оптической оси. 3 выход первого фотоприемника подключен на вход первого блока обработки, выход которого подключен к входу первого блока индикации введены внешнее пробоотборное устройство, первый, второй и третий raaosbie краны-переключатели, первый и второй абсорбционные газовые фильтры, втораяоптическая газовая , второй фотоприемник, второй блок обработки, второй блок индикации, второй источник излучения с длиной волны излучения, отличной от длины волны излучения первого источника излучения, и прокачивающий насос, выполненный с возможностью регулирования скорости прокачки, причем выход внешнего пробоотборного устройства включен на первый вход первого газового крана-переключателя, выход которого через первый абсорбционный газовый фильтр подключен на первый вход второго газового крана-переключателя, первый oiiход которого через второй газовый абсорбционный фильтр подключен на первый вхОД третьего газового крана-переключателя, а второй выход газового крана-переключателя подключен на второй вход третьего газового крана-переключателя, выход которого подключен на вход первой оптической газовой кюветы, выход которой подключен к входу второй оптической газовой кюветы, выход которой подключен к прокач.ивающеМУ насосу, а первая и вторая оптические газовые кюветы идентичны и выполнены из Т1 оптических газовых секций, установленных последовательно на одной оптической оси, причём п пневматических входов оптических газовых секций первой оптической газовой кюветы подключены параллельно к выхоДу третьего газового крана-переключателя, а п выходов этих секций подключены параллельно к входу второй оптической газовой кюветы, п выходов секций которой подключены параллельно к прокачивающему насосу, причем выход первого фотоприемника подключен к входу первого блока обр аботки, а выход второго фотоприемниха подключен к входу второго блока обработки, прйчем.первый и второй блоки обработки идентичны, а второй вход первого газового крана-переключателя выполнен с возможностью подсоединения дополнительной емкости с контролируемой газовой смесью, причем внутреннее сечение янёвмотракта не превышает суммарного внутреннего сечения п оптических газовых секций каждой из оптических газовых . . . . .. , . :, ;:: ,.

Предлагаемый универсальный детектор метана устанавливают на передвижную автолабораторию, производящую поиск мест истечения метана на почве Автолабордто,рия движется вдоль трассы подзеМносо газопровода, и ее прокачивающий насос (побудитель расхода) непрерывно прокачи. вает через пневмотракт припочвенный слой воздуха. Истечение газа из почвы обычно происходит через небольшие отверстия или трещины. ПробОбтбОрное устройство дви жущейся автолаборатории проскакив1ает

зти отверстий за доли секунды. За это время в пневмотракт успевает попасть только небольшой обьем пробы газа.

Детектор метана является фотометрическим прибором; поэтому для более точного и достоверного анализа пробы необходимо световой луч источника излучения пропустить через слой газа максимальной (оптимальной) длины с максимально

0 (оптимально) высокой концентрацией контролируемой компоненты. Причем для увеличения производительности насоса сквозное отверстие пневмотракта должно быть максим альным (оптимальным),

5 Если поступившая проба газа содержит концентрацию метана выше заданного порогового уровня, то в детекторе метана ера батывает сигнализация, и автолабораторию останавли вают. Оператор с помощью переносного газоанализатора определяет места наибольшего скопления метана. Обычно это пустоты в почве или различные канализационные колодцы. Метан в этих пустотах может скапливаться из отверстий

5 поврежденного подземного газопровода (сетевой газ) или из почвы (болотный газ).

На чертеже представлена схема предлагаемого детектора.

Детектор содержит в нешнее пробоот0 борное устройство 1, соединительную трубку 2, первый газовый кран-переключатель 3, первый абсорбционный газовый фильтр 4, второй газовый кран-переключатель 5, второй абсорбционный газовый фильтр 6, тре5, тий газовый кран-переключатель 7, первую оптическую газовую кювету 8. оптическую газовую секцию 9, оптическое зеркало 10, оптический корректирующий элемент 11, первый источник 12излучения, первый фо0 тОприемник 13, первый блок 14 обработки, первый блок 15 индикации, вторую оптическую газовую кювету 16, второй источник 17 излучения, второй фотоприемник 18 второй блок 19 обработки, второй блок 20 индика5 ции и прокачивающий насос 21.

Пневмотракт универсального детектора метана образован внешним пробоотборным устройством 1 (закрепленным, например, под днищем автолаборатории), которое

0 связано соединительной трубкой 2 с первым входОм первого газового крана-переключателя 3, другой вход которого выполнен с возможностью подсоединения дополнительной емкости (например, рези5 HOBOi груши) с контролируемой газовой смесью. Выход крана-переключателя 3 соединен через первый абсорбционный газо вый фильтр 4 (наг1ример, с селикогелем, который задерживает влагу) с входом второго газового KpiaHa-переключателя 5. Первый

выход газового крана-переключателя 5 через второй абсорбционный газовый фильтр б {например, с активированным углем, который задерживает тяжелые углеводороды) соединен с первым входом третьего газового крана-переключателя 7, а к второму его входу подключен второй выход газового крана-переключателя 5. Выход крана-переключателя 7 связан с входом первой оптической газовой кюветы 8 с п оптическими газовыми секциями 9, выполненными, например, из.трубок заданного диаметра, по торцам которых герметично закреплены под углом Брюстера оптические окна, например, из кварцевого стекла. Вблизи этих окон в стенках трубок выполнено по отверстию, которые являются соответственно входом или выходом секции 9. Все входы этих секций соединены параллельно с входом кюветы 8. а все их выходы связаны параллельно с выходом этой кюветы.

Отверстие каждой из трубок, образующих секции 9. может быть выбрано меньшим, чем каждой из соединительных трубок 2. а суммарная площадь поперечного сечения отверстий всех п секций 9 должна превышать (для снижения гидравличес)ого сопротЕчвления) аналогичное сечение любой из трубок 2. Это условие необходимо выполнить для того, чтобы малый объем пробы газа, содержащей контролируемую компоненту, который поступит в кювету 8. был преобразован секциями 9 в газовый столб максимальной (оптимальной) длины с незначительным снижением концентрации контролируемой компоненты.

Выход кюветы 8 соединен с входом второй оптической газовой кюветы 16, конструкция которой идентична конструкции кюветы 8. Выход кюветы 16 соединен с прокачивающим насосом (побудителем расхода) 21, приводимым во вращение, например, электрическим двигателем с ручным переключателем скорости вращения (не показаны).

На первой оптической оси расположены первый источник 12 излучения (например, лазер с длиной волны- излучения Ai), секции 9 кюветы 8. оптические зеркала 10. оптические корректирующие элементы 11 (например, линзы, коллиматоры и т.д.) и фотоприемник (например, фоторезистор, выбираемый в зависимости от мощности источника 12 излучения, длины волны Ai и т.д.). Зеркала 10 с помощью элементов 11 позволяют лучу источника 12 пройти последовательно через все секции 9 на фотоприемник 13. Следует учесть, что длина волны AI должна быть близка к спектрально линии поглощения первой контролируемой компоненты (метан и тяжелые углеводороды).

На второй оптической оси расположены второй источник 17 излучения (например, лазер с длиной воина излучения А2). секции

9кюветы 16, оптические корректирующие элементы 11 и второй фотоприемник 18 (например, фоторезистор, выбираемый в зависимости от мощности источника 17 излучения, длины волны Лг и т.д.). Зеркала

10с помощью элементов 11 позволяют лучу источника 17 пройти последовательно через все секции 9 кюветы, 16 на фотоприемник 18, Причем длина волны Аа должна быть близка к спектральной линии поглощения второй контролируемой компоненты (углекислый газ).

Выход фотоприемника 13 связан с входом первого блока 14 обработки, где автоматически производится сравнение, сигналов, поступающих от фотоприемника 13, с базовыми сигналами. Выход блока 14 связан с входом первого блока 15 индикации (содержащего, например, стрелочный индикатор, звуковой сигнализатор, самописец ит,д.).

Выход фотоприемника 18 связан с входом второго блока 19 обработки, идентичного блоку 14, Выход блока 19 связан с входом второго блок;а 20 индикации, который) идентичен блоку 15,

На борту автолаборатории установлен автономный источник электропитания оборудоаания. например аккумуляторная электрохимическая батарея (не показана).

Универсальный детектор метана работает в двух режимах.

Режим Детектор MetaHa,

Газовые краны-переключатели 3, 5 и 7 устанавливают в первое положение (как показано). Переключатель скорости вращения двигателя насоса 21 устанавливают в такое положение, при котором скорость вращения насоса 21 будет максимальной. Автолаборатория движется вдоль трассы подземного газопровода. Через пнёвмотракт непрерывно прокачивается припочвенный слой воздуха, который проходит параллельно через все секции 9 кюветы 8 и далее идентично через секции 9 кюветы 16, При этом фильтры 4 и 6 задерживают влагу и тяжелые углеводороды, если они есть в газовоздущком потоке.

Световые лучи источников 12 и 17 проходят, соответственно, через кюветы 8 и 16 на фотоприемники 13 и 18 с максимальной интенсивност(1Ю, Сопротивление фоторезисторов минимально. Поэтому сигнал, который поступает на вход блоков 14 и 19, также минимален. Стрелку индикатора блоков 15 и 20 устанавливают (с помощью регулятора) в заданный сектор шкалы так. чтобы это былрудобиым для наблюдения.

В момент, когда автолаборатория проходит над местом истечения метана из почвы (например, из поврежденного газопровода), небольшой объем газа попадет через устройство 1 в пневмотракт. Эта газовоздушная смесь прокачивается через все секции 9 кювет 8 и 16. Благодаря тому, что отверстия этих секций минимальны, малый объем поступившей газовой пробы, содержащей метан, преобразуется ими в газовый столб мakcимaлkнoй (оптимальной) длины, через который проходит луч источника 12 или 17, падающий соответственно на фотоприемник 13 или 18. В кювете 8 интенсивность излучения снижается из-за его поглощения метаном, а в кювете 16 она остается без изменений, так как в пробе практически отсутствует углекислый газ. Сопpoтивлe iиe фотоприемника 13 и амплитуда сигнала, поступающего на вход блока 14, увеличиваются.

При этом на выходе блока 14 появляется разностный сигнал с амплитудой, пропорциональной увеличению амплитуды сигнала, поступающего наего вход.

В блоке 15 стрелка индикатора отклоняется пропорционально амплитуде поступившего сигнала. Если уровень этого сигнала превышает заданный (пороговый) уровень, то в блоке 15 срабатывает звуковая сигнализация.

Автолабораторию останавливают, оператор с помощью переносного газоанализатора определяет конкретное место скопления мётана (обычно зто различные канализационные колодцы) и определяет его концентрацию. Теперь для принятия соответствующих оперативных мер необходимо определить природу обнаруженного метана (сетевой или болотнь1й).

Режим Экспресс-анализ,

Оператор набирает в специальную емкость (например, в резиновую грушу) пробу газа из колодца, подключает зту емкость к второму входу газового крана-переключателя 3, пё|зеводиТ зтот переключатель бо второе положение и с помощью переключателя скорости вращения снижает производительность насоса 21 (для уменьшения расхода газа). Проба газа проходит через фильтры 4 и б, где освобождается от влаги и тяжелых углеводородов, и заполняет кюветы 8 и 16.

Есл(1 в пробе газа содержится болотный газ, ГД8 контролируемыми компонентами являются метан и углекислый газ, то интеисивность световых лучей в кюветах В и 16 снижается пропорционально концентрации этих компонентов. На выходе блоков 14 и 19 появляются соответствующие разностные сигналы. Стрелочные индикаторы блоков 15 и 20 отклоняются на определенный угол, пропорциональный амплитуде поступившего сигнала. Если этот сигнал превышает заданный (пороговый) уоовень, то срабатыБзет также звуковая сигнализация.

Отклонение стрелочных индикаторов в блокйх 15 и 20 свыше определенной величины означает, что в пробе содержится болотный газ. Оператор принимает соответствующие оперативные меры (обычно зто проветривание канализационных колодцев).

Если в пробе газа содержится сетевой газ, где контролируемыми компонентами являются метан и тяжелые углеводороды (углекислый газ практически отсутствует), то интенсивность светового луча в кювете 8 снижается пропорционально концентрации метана (большая часть тяжелых углеводородов задерживается фильтром 6). Стрелка индикатора блока 15 отклоняется на определенный угол (до определенной отметки на шкале индикатора). Это значение запоминают или записывают. При этом звуковая сигнализация в блоках 15 и 20 может быть отключена.

Затем газовые краны-переключатели 5 и 7 переводят во второе положение, при котором проба газа проходит только через фильтр 4. Тяжелые углеводороды (если они имеются) поступают в кюветы 8 и 16. Это вызывает дальнейшее снижение интенсивности светового луча в кювете 8 и повышение амплитуды разностного сигнала на выходе блока 14. Показания стрелочного индикатора прибора блока 15 увеличиваются. По изменению показаний этого индикатора судят о наличии в пробе тяжелых углеводородов, т.е. о наличии сетевого газа. Оператор принимает соответствующие оперативные меры (вызывает ремонтную бригаду) и продолжает дальнейшее обследование трассы с помощью автолаборатории.

Таким образом, при проведении экспресс-анализа по месту обнаружения утечки газа отпадает необходимость отвозить пробу газа в центральную химлабораторию. Это ускоряет процесс принятия соответствующих оперативных мер. т.е. повышает безопасность газоснабжения потребителей..

Предлагаемый универсальный детектор метана имеет простую конструкцию, надежен в работе и может быть использован в

ех отраслях народного хозяйства, где производят зксплуатацию подземных газопроодов, а также в геологии, для контроля атмосферы, в нефтехимической и других отраслях промыц1лени6сти, где необходим ус- 5 корённый анализ газовых смесей. Формул а изобретения Умиверсальный детектор метана, содержащий первый источник излучения, первый отолри ник, оптические зеркала, оптиче- 10 ские корректирующие элементы, пневмотракт, первую оптическую газовую кювету, первый блок индикации и первый блок об рабоТки, причем источник излучения, опическая газовая кювета, оптические 15 корректирующие элементы и первый фото- / приемник расположены на одной оптичекой Ьси, а выход первого фотоприемника подключен на вход первого блока обработки, выход которого подключен к входу пер- 20 вого индикации, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения точности определения места утечки метана и ускорения проведения Экспресс-анализа природы-ме таНа, в него введены внешнее пробоотбор- 25 ное устройство, первый, второй и третий газовые краны-переключат$ли, первый и второй абсорбционные газовые фильтры, вторая олгппеская газовая кювета, второй фотоприемник, второй блок обработки, JBTO- 30 рой блок индикации, второй источник излучения с длиной волны излучения, отличной от длины волны излучения первого источника излучения, и прокачивающий насре.вы полненный с возможностью регулирования 35 скорости прокачки, причем выход внешнего пробортборного устройства включен на

первый вход первого газового крана-переключателя, выход которого через первый абсорбционный газовый фильтр подключен на первый вход третьего газового крана-переключателя, а второй выход второго газового крана-переключателя подключен на второй вход третьего газового крана-переключате ля, выход которого подключен на вход первой оптической газовой кюветы, выход которой подключен к входу второй оптической газовой кюветы, выход которой подключен к прокачивающему насОсу, а первая и вторая Оптические тазовые кюветы идентичны ивыполнены из п оптических газовых секций, установленных последовательно на одной оптической оси, причем п пневматических входов оптических газовых секций первой Оптической газовой кюветы подклк)чены параллё льно к выходу третьего газового крана-переключателя, а п выходов этих секций подключены параллельно к входу второй оптической газовой кюветы, п выходов секций которой подключены параллельно к прокачивающему насосу, причем выход первого фотоприемйика подключен к входу первого блока Обработки, а выход второго фотоприемника подключен к входу второго блока обрвбдтки, причем первый ц второй блоки рбраШупси идентичны, а второй вход первого газового кранатпереключателя выполнён с возможностью подсоединения дополнительной емкости с контролируемой газовой смесью, причем внутреннее сечение пневмотракта не превышает суммарного внутреннего сечения п оптических газовЫх секций каждой ид оптических газо вых кювет.

SfcSS

I

.

1

Изобретение относится к оптическ1/1м абсорбционным ПК-газоанализаторам состава газообразных сред, работаю1цим по методу воздействия веществ на свет двух или более длин волн, и может'быть исполь-у зовано в передвижных автолабораторйях. предназначенных для обнаружения мест истечения взрывоопасных газов. Цель изобретения - повышение точности определения мест утечки метана и ускорение проведения экспресс-анализа природы метана. Универсальный детектор метана содержит первый источник излучения, первый фотоприемник, оптические зеркала, оптические корректирующие злементы. пневмотракт. первую оптическую газовую кювету, первый источййк. блок индикации и первый блок обработки, 'причем истачник излучения, оптическая fa-зовэя кювета, оптические корректирующие элементы и первый фотоприемник расположены на одной оптической оси, а выход первого фотоприемника подключен на вход первогр блока обработки, выход (Которого подключен к входу первого блока индикации. Введение в устройство внешнего пробоотборного устройства, газовых кранов-переключателей, первого и второго абсорбционного газового фильтра, второй оптической газовой кюветы, второго фотоприемника, второго блока обработки, второго блока индикации, второго источника излучения с длиной волны излучения, отличной от длины волны излучения первого источника излучения, и прокачивающего насоса, выполненного с возможностью регулирования скорости прокачки, а также идентичное выполнение оптических газовых кювет из п оптических газовых секций, установленных последовательно на одной оптической оси. при подключении п пневматических входов оптических газовых секций пе[эвой оптической газовой кюветы параллельно к выходу газового крана-переключателя и п выхрдов этих секций параллельно к входу второй оптической газовой кюветы позволяют повысить точность определения мест утечки метана и ускорить процесс проведения экспресс-анализа природы метана. 1 ил.(/»С•^•••it ^

17 ns

1

r

2:s

Clg

2

И

Т