RU2544264C1 - Method of gas analysis of natural gas - Google Patents

Method of gas analysis of natural gas Download PDF

Info

Publication number
RU2544264C1
RU2544264C1 RU2013142763/28A RU2013142763A RU2544264C1 RU 2544264 C1 RU2544264 C1 RU 2544264C1 RU 2013142763/28 A RU2013142763/28 A RU 2013142763/28A RU 2013142763 A RU2013142763 A RU 2013142763A RU 2544264 C1 RU2544264 C1 RU 2544264C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
spectrum
gas
raman
components
ghg
Prior art date
Application number
RU2013142763/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2013142763A (en
Inventor
Иван Иванович Матросов
Дмитрий Витальевич Петров
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук (ИМКЭС СО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук (ИМКЭС СО РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук (ИМКЭС СО РАН)
Priority to RU2013142763/28A priority Critical patent/RU2544264C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2544264C1 publication Critical patent/RU2544264C1/en
Publication of RU2013142763A publication Critical patent/RU2013142763A/en

Links

Images

Landscapes

  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

FIELD: instrument engineering.
SUBSTANCE: invention is designed for qualitative and quantitative analysis of natural gas (NG). The method comprises irradiating the gas linearly with polarized monochromatic laser radiation and the simultaneous registration of m spectra of spontaneous Raman scattering (SRS) of standard gas components included in the NG. For them the integrated intensity of the irradiating laser radiation Ii, i=1…m is additionally recorded, and the values of relative concentrations of the components of the analysed NG from its SRS spectrum are determined by the formula which comprises the contributions of SRS spectra of the reference gas components in the registered SRS spectrum of NG, calculated by the least square method. At that from the spectrum registered by the multichannel photodetector, the ranges of 300-2500 cm-1 and 3400-3750 cm-1 are used.
EFFECT: simplified determining and increase in accuracy.
2 dwg

Description

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и предназначено для качественного и количественного анализа природного газа (ПГ).The invention relates to the field of analytical instrumentation and is intended for qualitative and quantitative analysis of natural gas (GHG).

Химический состав ПГ существенно различается в зависимости от его месторождения. Наряду с этим изменяется его теплотворная способность, а следовательно, и стоимость. По этой причине определение с высокой степенью точности состава ПГ является для предприятий, занимающихся его добычей и транспортировкой весьма актуальной задачей.The chemical composition of GHGs varies significantly depending on its field. Along with this, its calorific value, and hence its value, changes. For this reason, the determination of the composition of GHGs with a high degree of accuracy is a very urgent task for enterprises engaged in its extraction and transportation.

Вместе с тем, количественный анализ ПГ является одной из сложнейших задач газоанализа по причине большого количества компонентов, входящих в его состав, а также значительного разброса величин их концентраций.At the same time, quantitative analysis of GHGs is one of the most difficult tasks of gas analysis due to the large number of components included in its composition, as well as a significant dispersion of their concentrations.

Наиболее распространенным методом определения химического состава ПГ, на сегодняшний день, является хроматографический анализ [Бузановский В.А., Овсепян А.М. Информационно-измерительные системы состава и свойств природного газа // Территория Нефтегаз, 2007, №8, с.36-43]. Основными недостатками данного метода являются необходимость иметь газ-носитель (например, He или Ar) для осуществления газохроматографического разделения, длительное время проведения анализа, а также деградация со временем характеристик основных узлов (детекторов, колонок) и связанная с этим необходимость в периодической поверке градуировки прибора.The most common method for determining the chemical composition of GHGs today is chromatographic analysis [Buzanovsky V.A., Hovsepyan A.M. Information-measuring systems of the composition and properties of natural gas // Territory Neftegaz, 2007, No. 8, p. 36-43]. The main disadvantages of this method are the need to have a carrier gas (for example, He or Ar) for gas chromatographic separation, a long analysis time, as well as the degradation of the characteristics of the main components (detectors, columns) over time and the need for periodic calibration of the instrument .

Кроме того, известен способ, основанный на лазерной абсорбционной спектроскопии [RU 2441219, 27.01.2012]. Данный способ свободен от недостатков хроматографического анализа, однако имеет ряд собственных. В первую очередь к ним относится необходимость предварительной информации о составе анализируемого газа, а также необходимость иметь несколько лазеров, работающих в различных диапазонах длин волн, что в итоге приведет к существенному удорожанию газоанализатора. Кроме того, данным способом невозможно определить концентрацию гомоядерных молекул, входящих в состав ПГ (например, N2, H2 и т.д.), определение содержания которых принципиально важно.In addition, a known method based on laser absorption spectroscopy [RU 2441219, 01/27/2012]. This method is free from the disadvantages of chromatographic analysis, but it has a number of its own. First of all, they include the need for preliminary information on the composition of the analyzed gas, as well as the need to have several lasers operating in different wavelength ranges, which will ultimately lead to a significant increase in the cost of the gas analyzer. In addition, in this way it is impossible to determine the concentration of homonuclear molecules that make up the GHG (for example, N 2 , H 2 , etc.), the determination of the content of which is fundamentally important.

Наиболее близким по принципу действия является способ анализа, основанный на использовании спектроскопии спонтанного комбинационного рассеяния света (СКР) [Бажанов Ю.В. и др. Количественный анализ газовых сред методом спектроскопии комбинационного рассеяния света // Аналитика и контроль, 1998, №3-4, с.65-74]. Основным его преимуществом является отсутствие расходных материалов, а также контроль всех молекулярных составляющих природного газа с помощью одного лазера с фиксированной длиной волны. Суть данного метода заключается в облучении анализируемого ПГ линейно поляризованным монохроматическим излучением и одновременной регистрации его спектра СКР в диапазоне 0-4200 см-1, куда попадают полосы всех молекул. Далее процесс сводится к следующему. Составляется система уравнений

Figure 00000001
, где j - номер спектрального компонента, k - номер пиксела, a k j
Figure 00000002
- вклад j-го компонента в интенсивность, регистрируемую k-м пикселом, dj - коэффициент, сочетающий в себе сечение рассеяния j-го компонента σj и аппаратную функцию пропускания оптических элементов, n - абсолютная концентрация молекул того сорта, частоте колебаний которого соответствует данная спектральная компонента, ik - интенсивность, зарегистрированная k-м пикселом, I k ( f )
Figure 00000003
- величина фона, J - интенсивность возбуждающего излучения. Данная система избыточна, поскольку имеет число уравнений, равное общему числу пикселов, и число неизвестных, равное полному числу компонент природного газа N. Поэтому из нее выделяют подсистему с N уравнениями, каждое из которых соответствует пикселу, регистрирующему максимум одной из спектральных линий. Интенсивность возбуждающего излучения исключается путем перехода к относительным концентрациям и нормировке их суммы на 100%.The closest to the principle of action is the analysis method based on the use of spectroscopy of spontaneous Raman scattering (SCR) [Bazhanov Yu.V. et al. Quantitative analysis of gaseous media by Raman spectroscopy // Analytics and Control, 1998, No. 3-4, p.65-74]. Its main advantage is the absence of consumables, as well as the control of all molecular components of natural gas using a single laser with a fixed wavelength. The essence of this method is to irradiate the analyzed GHG with linearly polarized monochromatic radiation and simultaneously record its Raman spectrum in the range of 0-4200 cm -1 , where all the bands of the molecules fall. Further, the process is reduced to the following. The system of equations is compiled
Figure 00000001
where j is the number of the spectral component, k is the number of the pixel, a k j
Figure 00000002
is the contribution of the jth component to the intensity recorded by the kth pixel, d j is the coefficient combining the scattering cross section of the jth component σ j and the hardware transmission function of the optical elements, n is the absolute concentration of molecules of the sort whose vibration frequency corresponds to given spectral component, i k is the intensity recorded by the kth pixel, I k ( f )
Figure 00000003
is the background value, J is the intensity of the exciting radiation. This system is redundant because it has the number of equations equal to the total number of pixels and the number of unknowns equal to the total number of components of natural gas N. Therefore, a subsystem with N equations is allocated from it, each of which corresponds to a pixel recording the maximum of one of the spectral lines. The intensity of the exciting radiation is eliminated by switching to relative concentrations and normalizing their sum by 100%.

Основным недостатком данного подхода является необходимость в знании сечений рассеяния σj компонентов на выбранных пикселях с очень высокой точностью, что является весьма нетривиальной задачей. Помимо этого, ввиду малого количества уравнений, в данном способе не удается корректно учесть случайные флуктуации световых сигналов (например, дробовой шум), вследствие чего точность анализа является низкой.The main disadvantage of this approach is the need for knowledge of the scattering cross sections σ j of the components at the selected pixels with very high accuracy, which is a very non-trivial task. In addition, due to the small number of equations, in this method it is not possible to correctly take into account random fluctuations of light signals (for example, shot noise), as a result of which the analysis accuracy is low.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание способа газоанализа природного газа, основанного на спектроскопии СКР, устойчивого к световым флуктуациям сигналов и не требующего информации о сечениях комбинационного рассеяния его компонентов. Технический результат - упрощение процедуры и повышение точности газоанализа природного газа.The problem to which the invention is directed is to create a method for gas analysis of natural gas, based on Raman spectroscopy, which is stable to light fluctuations of signals and does not require information on the Raman scattering cross sections of its components. EFFECT: simplified procedure and increased accuracy of gas analysis of natural gas.

Указанный результат достигается тем, что, как и в прототипе, происходит облучение природного газа линейно поляризованным монохроматическим излучением и производится одновременная регистрация его спектра СКР в диапазоне 0-4200 см-1. Но, в отличие от прототипа, до регистрации спектров СКР анализируемых образцов ПГ однократно регистрируются m спектров СКР эталонных газовых компонентов, входящих в состав ПГ, причем для них дополнительно регистрируется интегральная интенсивность облучающего лазерного излучения Ii, i=1..m, а величины относительных концентраций компонентов анализируемого ПГ из его спектра СКР определяются по формуле b 1 = N i I i a i i = 1 m N i I i a i 100 %

Figure 00000004
, где a i - вклады спектров СКР эталонных газовых компонентов J i p i x
Figure 00000005
в зарегистрированный спектр СКР ПГ Jpix, вычисленные с помощью метода наименьших квадратов из системы уравнений J p i x = i = 1 m a i J i p i x
Figure 00000006
(pix соответствует номерам элементов используемого многоканального фотоприемника, обеспечивающих регистрацию спектра в диапазонах 300-2500 см-1 и 3400-3750 см-1), Ni - величина абсолютной концентрации молекул сорта i в его эталонном спектре, определяемая из соотношения N i = P i k T i Z i ( P i , T i )
Figure 00000007
, где k - коэффициент Больцмана, Pi, Ti - соответственно давление и температура эталонного газа i в кювете при регистрации его спектра СКР, Zi (Pi, Ti) - коэффициент сжимаемости газа i при давлении Pi и температуре Ti.The specified result is achieved by the fact that, as in the prototype, the natural gas is irradiated with linearly polarized monochromatic radiation and its Raman spectrum is simultaneously recorded in the range of 0-4200 cm -1 . But, unlike the prototype, before registering the Raman spectra of the analyzed GHG samples, m Raman spectra of the standard gas components that make up the GHG are recorded once, and the integral intensity of the irradiating laser radiation I i , i = 1..m is additionally recorded for them, and the values the relative concentrations of the components of the analyzed GHG from its spectrum of SCR are determined by the formula b one = N i I i a i i = one m N i I i a i one hundred %
Figure 00000004
, where a i are the contributions of the Raman spectra of the reference gas components J i p i x
Figure 00000005
into the recorded spectrum of the Raman spectrum of the GHG J pix calculated using the least squares method from the system of equations J p i x = i = one m a i J i p i x
Figure 00000006
(pix corresponds to the numbers of the elements of the multichannel photodetector used, which provide registration of the spectrum in the ranges of 300-2500 cm -1 and 3400-3750 cm -1 ), N i is the absolute concentration of molecules of variety i in its reference spectrum, determined from the ratio N i = P i k T i Z i ( P i , T i )
Figure 00000007
where k is the Boltzmann coefficient, P i , T i are the pressure and temperature of the reference gas i in the cell, respectively, when registering its Raman spectrum, Z i (P i , T i ) is the compressibility coefficient of gas i at pressure P i and temperature T i .

Предлагаемый способ основан на том, что зарегистрированная интенсивность сигнала СКР от компонента i линейно зависит от концентрации молекул данного типа в анализируемом объеме и интенсивности возбуждающего (облучающего) лазерного излучения. Вместе с тем, сигналы СКР в многокомпонентных газовых средах, накладываясь друг на друга, обладают свойством аддитивности. Другими словами, суммарный зарегистрированный спектр СКР представляет собой сумму спектров СКР отдельных компонентов. Т.е. для случая многоканальной регистрации имеет место система уравнений J p i x = i = 1 m a i J i p i x

Figure 00000008
, соответственно, решив которую, можно найти вклады спектров СКР отдельных компонентов a i в итоговый спектр СКР и, следовательно, концентрации всех молекулярных составляющих анализируемой газовой среды. Очевидно, что данная система является переопределенной и ее решение целесообразно проводить методом наименьших квадратов, в результате чего помимо значений a i возможно получить и случайные погрешности для данных величин. Однако для решения задачи определения компонентного состава ПГ данным способом необходимо один раз заранее зарегистрировать спектры СКР эталонных компонентов, на которые будет раскладываться полученный спектр СКР ПГ. Стоит отметить, что согласно [ГОСТ 31371.7-2008] основными составляющими ПГ, требующими контроля, являются: метан, этан, пропан, н-бутан, изо-бутан, н-пентан, изо-пентан, неопентан, гексан, азот, кислород, углекислый газ, пары воды. Таким образом оценки содержания данных компонентов достаточно для определения требуемых характеристик ПГ (теплота сгорания, плотность и т.п.).The proposed method is based on the fact that the recorded intensity of the SCR signal from component i linearly depends on the concentration of molecules of this type in the analyzed volume and the intensity of the exciting (irradiating) laser radiation. At the same time, SCR signals in multicomponent gas media, overlapping each other, have the property of additivity. In other words, the total recorded Raman spectrum is the sum of the Raman spectra of the individual components. Those. for the case of multi-channel recording, the system of equations J p i x = i = one m a i J i p i x
Figure 00000008
, respectively, having solved which, one can find the contributions of the Raman spectra of the individual components a i to the final Raman spectrum and, therefore, the concentration of all molecular components of the analyzed gas medium. Obviously, this system is overdetermined and it is advisable to carry out its solution using the least squares method, as a result of which, in addition to the values of a i, it is possible to obtain random errors for these quantities. However, in order to solve the problem of determining the component composition of GHGs using this method, it is necessary to register the Raman spectra of the reference components once into which the resulting spectrum of GHGs of GHGs will be decomposed. It is worth noting that according to [GOST 31371.7-2008] the main GHG components that require control are: methane, ethane, propane, n-butane, iso-butane, n-pentane, iso-pentane, neopentane, hexane, nitrogen, oxygen, carbon dioxide, water vapor. Thus, an assessment of the content of these components is sufficient to determine the required GHG characteristics (calorific value, density, etc.).

Стоит отметить, что абсолютно все лазеры, используемые для возбуждения в газах СКР, имеют нестабильность мощности по времени, которая, как правило, варьируется в пределах 1-15%. В этой связи целесообразным является контроль мощности излучения при регистрации спектров СКР эталонных компонентов. Кроме того, для осуществления высокоточных измерений необходимо учитывать степень неидеальности газов. По этой причине абсолютная концентрация молекул в эталонном газе i должна определяться по формуле N i = P i k T i Z i ( P i , T i )

Figure 00000007
, где k - коэффициент Больцмана, Pi, Ti - давление и температура эталонного газа в кювете при регистрации его спектра СКР, Zi (Pi, Ti) - коэффициент его сжимаемости при давлении Pi и температуре Ti. Стоит отметить, что Zi (Pi, Ti) является табличной величиной и может быть взята из [ГОСТ 31369-2008. Газ природный. Вычисление теплоты сгорания, плотности, относительной плотности и числа Воббе на основе компонентного состава].It is worth noting that absolutely all lasers used for excitation in SCR gases have a power instability over time, which, as a rule, varies between 1-15%. In this regard, it is advisable to control the radiation power when recording the Raman spectra of the reference components. In addition, for the implementation of high-precision measurements, it is necessary to take into account the degree of non-ideal gas. For this reason, the absolute concentration of molecules in the reference gas i should be determined by the formula N i = P i k T i Z i ( P i , T i )
Figure 00000007
Where k - Boltzmann coefficient, P i, T i - pressure and temperature of the master gas in the cell when registering its Raman spectrum, Z i (P i, Ti ) - compressibility factor at pressure P i and the temperature T i. It should be noted that Z i (P i , T i ) is a tabular value and can be taken from [GOST 31369-2008. Natural gas. Calculation of the calorific value, density, relative density and Wobbe number based on the component composition].

В свою очередь для повышения точности измерений a i в систему решаемых уравнений должны входить только те уравнения, для которых спектральный диапазон составляет 300-2500 см-1 и 3400-3750 см-1. Данное обстоятельство обуславливается тем фактом, что преобладающим компонентом в природном газе является метан, содержание которого составляет 80-95%. В свою очередь все углеводороды в спектре СКР имеют интенсивные полосы в области 2500-3400 см-1. Однако несмотря на это использование данной области спектра приводит к увеличению погрешностей вычисления ввиду выделения слабых полос тяжелых углеводородов на фоне очень интенсивных полос метана в этой области. Оставшиеся части спектра (250-2500 см-1 и 3400-3750 см-1) вполне подходят для анализа, так как здесь располагаются полосы всех основных компонентов природного газа, в т.ч. паров воды (3652 см-1), и при этом интенсивность полосы ν2 (1534 см-1) молекулы метана не преобладает в явном виде над интенсивностями полос других молекул природного газа.In turn, to increase the accuracy of measurements of a i , the system of equations to be solved should include only those equations for which the spectral range is 300–2500 cm –1 and 3400–3750 cm –1 . This circumstance is caused by the fact that the predominant component in natural gas is methane, the content of which is 80-95%. In turn, all the hydrocarbons in the Raman spectrum have intense bands in the region of 2500-3400 cm -1 . However, despite this use of this spectral region, the calculation errors increase due to the separation of weak bands of heavy hydrocarbons against the background of very intense methane bands in this region. The remaining parts of the spectrum (250-2500 cm -1 and 3400-3750 cm -1 ) are quite suitable for analysis, since there are bands of all the main components of natural gas, including water vapor (3652 cm -1 ), and the intensity of the ν 2 band (1534 cm -1 ) of the methane molecule does not explicitly prevail over the intensities of the bands of other natural gas molecules.

На фиг.1 изображена схема устройства для осуществления предлагаемого способа (1 - лазер, 2 - светоделительная пластина, 3 - фотоприемник, 4 - линза, 5 - кювета для напуска газа, 6 - манометр, 7 - измеритель температуры, 8 - ловушка лазерного излучения, 9 - объектив для сбора рассеянного света, 10 - светофильтр, 11 - спектральный прибор, 12 - электронный блок управления). На фиг.2 изображен спектр СКР ПГ в области 700-1900 см-1, а также вклады его отдельных компонентов в итоговый спектр СКР.Figure 1 shows a diagram of a device for implementing the proposed method (1 - laser, 2 - beam splitter, 3 - photodetector, 4 - lens, 5 - cuvette for gas inlet, 6 - pressure gauge, 7 - temperature meter, 8 - laser radiation trap , 9 - a lens for collecting scattered light, 10 - a light filter, 11 - a spectral device, 12 - an electronic control unit). Figure 2 shows the spectrum of SCR GHG in the region of 700-1900 cm -1 , as well as the contributions of its individual components to the total spectrum of SCR.

Способ осуществляется следующим образом. До проведения анализов образцов ПГ единоразово осуществляется регистрация спектров СКР отдельных компонентов природного газа i. Для этой цели возбуждающее линейно поляризованное излучение от лазера 1 попадает на светоделительную пластину 2, которая направляет часть излучения на фотоприемник 3, определяющий интегральную мощность излучения Ii в течение времени регистрации одного спектра. В свою очередь основная часть лазерного излучения фокусируется линзой 4 в центр кюветы 5, заполненной эталонным газовым компонентом i. Давление Pi и температура Ti газа в кювете контролируется манометром 6 и измерителем температуры 7 соответственно. Прошедшее сквозь кювету лазерное излучение поглощается ловушкой 8, а рассеянное излучение из центра кюветы под углом 90 градусов к возбуждающему излучению собирается объективом 9 и направляется сквозь светофильтр 10, ослабляющий свет на частоте лазерного излучения, на вход спектрального прибора 11, осуществляющего одновременную регистрацию спектра СКР в диапазоне 0-4200 см-1. Далее зарегистрированный спектр СКР эталонного газового компонента вместе с данными о его давлении и температуре при регистрации, а также с данными о соответствующей интегральной мощности возбуждающего излучения направляется в память электронного блока управления и согласно соотношению N i = P i k T i Z i ( P i , T i )

Figure 00000007
, где k - коэффициент Больцмана, Zi (Pi, Ti) - коэффициент сжимаемости газа i при давлении Pi и температуре Ti, вычисляется Ni - величина абсолютной концентрации молекул сорта i в его эталонном спектре. Данная процедура поочередно осуществляется для всех компонентов природного газа.The method is as follows. Prior to the analysis of GHG samples, one-time recording of the Raman spectra of individual components of natural gas is carried out i. For this purpose, linearly polarized exciting radiation from the laser 1 is incident on the beam splitter plate 2, which directs part of the radiation to the photodetector 3, which determines the integral radiation power I i during the time of recording one spectrum. In turn, the main part of the laser radiation is focused by the lens 4 to the center of the cell 5, filled with the reference gas component i. The pressure P i and the temperature T i of the gas in the cuvette are controlled by a pressure gauge 6 and a temperature meter 7, respectively. The laser radiation transmitted through the cell is absorbed by trap 8, and the scattered radiation from the center of the cell at an angle of 90 degrees to the exciting radiation is collected by the lens 9 and directed through the filter 10, which attenuates the light at the laser radiation frequency, to the input of the spectral device 11, which simultaneously records the Raman spectrum in range 0-4200 cm -1. Then, the recorded Raman spectrum of the reference gas component, together with data on its pressure and temperature during registration, as well as data on the corresponding integrated power of the exciting radiation, is sent to the memory of the electronic control unit and according to the ratio N i = P i k T i Z i ( P i , T i )
Figure 00000007
where k is the Boltzmann coefficient, Z i (P i , T i ) is the compressibility coefficient of gas i at pressure P i and temperature T i , N i is calculated - the absolute concentration of molecules of variety i in its reference spectrum. This procedure is alternately carried out for all natural gas components.

После этого в кювету напускается анализируемый ПГ, проводится аналогичным образом регистрация его спектра СКР, за исключением того что не контролируется его давление, температура и мощность возбуждающего излучения. В электронном блоке управления величины относительных концентраций компонентов анализируемого ПГ из его спектра СКР определяются по формуле b 1 = N i I i a i i = 1 m N i I i a i 100 %

Figure 00000009
, где a i - вклады спектров СКР эталонных газовых компонентов J i p i x
Figure 00000005
в зарегистрированный спектр СКР ПГ Jpix, вычисленные с помощью метода наименьших квадратов из системы уравнений J p i x = i = 1 m a i J i p i x
Figure 00000010
, где pix соответствует номерам элементов используемого многоканального фотоприемника, обеспечивающих регистрацию спектра в диапазонах 300-2500 см-1 и 3400-3750 см-1.After that, the analyzed GHG is introduced into the cuvette, its Raman spectrum is recorded in a similar manner, except that its pressure, temperature and power of the exciting radiation are not controlled. In the electronic control unit, the values of the relative concentrations of the components of the analyzed GHG from its Raman spectrum are determined by the formula b one = N i I i a i i = one m N i I i a i one hundred %
Figure 00000009
, where a i are the contributions of the Raman spectra of the reference gas components J i p i x
Figure 00000005
into the recorded spectrum of the Raman spectrum of the GHG J pix calculated using the least squares method from the system of equations J p i x = i = one m a i J i p i x
Figure 00000010
, where pix corresponds to the element numbers of the multichannel photodetector used, which provide registration of the spectrum in the ranges of 300–2500 cm –1 and 3400–3750 cm –1 .

За счет большого количества используемых уравнений предлагаемый способ является устойчивым к световым флуктуациям сигналов, а также к появлению новых компонентов в составе ПГ. Также стоит отметить, что данный способ, в отличие от прототипа, не требует учета уровня фона, поскольку фон в зарегистрированном спектре СКР ПГ, как и сигналы СКР, будет полностью компенсироваться вкладами от других компонентов. Кроме того, при использовании предлагаемого способа нет необходимости определять конструктивные параметры газоанализатора (угол сбора рассеянного излучения, спектральный коэффициент пропускания). Однако необходимо только, чтобы спектры эталонных газов и спектр газовой смеси были зарегистрированы при одной и той же настройке используемого СКР-газоанализатора.Due to the large number of equations used, the proposed method is resistant to light fluctuations of the signals, as well as to the appearance of new components in the GHG. It is also worth noting that this method, unlike the prototype, does not require taking into account the background level, since the background in the recorded spectrum of the GHG Raman spectra, as well as the Raman signals, will be fully compensated by contributions from other components. In addition, when using the proposed method, there is no need to determine the design parameters of the gas analyzer (angle of scattered radiation collection, spectral transmittance). However, it is only necessary that the spectra of the reference gases and the spectrum of the gas mixture be recorded with the same setting of the used Raman gas analyzer.

Таким образом, применение предлагаемого способа газоанализа природного газа значительно упрощает процедуру его анализа, способствует ее автоматизации, а также обеспечивает высокую точность измерений.Thus, the application of the proposed method of gas analysis of natural gas greatly simplifies the procedure for its analysis, contributes to its automation, and also provides high measurement accuracy.

Claims (1)

Способ газоанализа природного газа (ПГ), включающий его облучение линейно поляризованным монохроматическим лазерным излучением и одновременную регистрацию его спектра спонтанного комбинационного рассеяния (СКР) многоканальным фотоприемником в диапазоне 0-4200 см-1, отличающийся тем, что до регистрации спектров СКР анализируемых образцов ПГ регистрируют m спектров СКР эталонных газовых компонентов, входящих в состав ПГ, причем для них дополнительно регистрируют интегральную интенсивность облучающего лазерного излучения Ii, i=1...m, а величины относительных концентраций компонентов анализируемого ПГ из его спектра СКР определяются по формуле b 1 = N i I i a i i = 1 m N i I i a i 100 %
Figure 00000011
, где a i - вклады спектров СКР эталонных газовых компонентов J i p i x
Figure 00000005
в зарегистрированный спектр СКР ПГ Jpix, вычисленные с помощью метода наименьших квадратов из системы уравнений J p i x = i = 1 m a i J i p i x
Figure 00000006
(pix соответствует номерам элементов используемого многоканального фотоприемника, обеспечивающих регистрацию спектра в диапазонах 300-2500 см-1 и 3400-3750 см-1), Ni - величина абсолютной концентрации молекул сорта i в его эталонном спектре, определяемая из соотношения N i = P i k T i Z i ( P i , T i )
Figure 00000007
, где k - коэффициент Больцмана, Pi, Ti - соответственно давление и температура эталонного газа i в кювете при регистрации его спектра СКР, Zi(Pi, Ti) - коэффициент сжимаемости газа i при давлении Pi и температуре Ti.
The process gas analysis natural gas (NG) comprising its irradiation with linearly polarized monochromatic laser radiation and its simultaneous registration of the spontaneous Raman scattering (TFR) multichannel photodetector in the range 0-4200 cm -1, characterized in that to register the spontaneous Raman spectra of analyzed samples is recorded GHG m spontaneous Raman spectra of the reference gas components included in the PG, and for them to additionally record integral intensity of the irradiating laser beam i i, i = 1 ... m, and were ins relative concentrations of analyte GHG components of its Raman spectrum are determined by the formula b one = N i I i a i i = one m N i I i a i one hundred %
Figure 00000011
, where a i are the contributions of the Raman spectra of the reference gas components J i p i x
Figure 00000005
into the recorded spectrum of the Raman spectrum of the GHG J pix calculated using the least squares method from the system of equations J p i x = i = one m a i J i p i x
Figure 00000006
(pix corresponds to the numbers of the elements of the multichannel photodetector used, which provide registration of the spectrum in the ranges of 300-2500 cm -1 and 3400-3750 cm -1 ), N i is the absolute concentration of molecules of variety i in its reference spectrum, determined from the ratio N i = P i k T i Z i ( P i , T i )
Figure 00000007
where k is the Boltzmann coefficient, P i , T i are the pressure and temperature of the reference gas i in the cell, respectively, when registering its Raman spectrum, Z i (P i , T i ) is the compressibility coefficient of gas i at pressure P i and temperature T i .
RU2013142763/28A 2013-09-19 2013-09-19 Method of gas analysis of natural gas RU2544264C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013142763/28A RU2544264C1 (en) 2013-09-19 2013-09-19 Method of gas analysis of natural gas

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013142763/28A RU2544264C1 (en) 2013-09-19 2013-09-19 Method of gas analysis of natural gas

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2544264C1 true RU2544264C1 (en) 2015-03-20
RU2013142763A RU2013142763A (en) 2015-03-27

Family

ID=53286508

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013142763/28A RU2544264C1 (en) 2013-09-19 2013-09-19 Method of gas analysis of natural gas

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2544264C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2613200C1 (en) * 2015-11-20 2017-03-15 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) Laser gas analyzer
RU2688886C1 (en) * 2018-06-05 2019-05-22 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук Method for gas analysis of natural gas
CN111562247A (en) * 2019-02-13 2020-08-21 中国石油天然气股份有限公司 Hydrogen sulfide and carbon dioxide on-line analysis device and method
RU2768242C1 (en) * 2021-03-09 2022-03-23 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Method of determining gas compressibility factor

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0242926A1 (en) * 1986-04-19 1987-10-28 N.V. Nederlandse Gasunie Method of determining a physical property of a medium
RU2061224C1 (en) * 1993-07-05 1996-05-27 Валерий Михайлович Волынкин Lydar
CN1467492A (en) * 2002-07-11 2004-01-14 中国科学院大连化学物理研究所 Testing method and system for measuring gas component concentration using spontaneous Raman scattering technology
WO2009101659A1 (en) * 2008-02-13 2009-08-20 Shikoku Research Institute Incorporated Method and apparatus for remote measurement of gas concentration
RU2441219C1 (en) * 2010-07-19 2012-01-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) Method of determining component composition of natural gas in real time
RU2492434C1 (en) * 2012-01-24 2013-09-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук (ИМКЭС СО РАН) Multi-channel high-performance raman spectrometer

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0242926A1 (en) * 1986-04-19 1987-10-28 N.V. Nederlandse Gasunie Method of determining a physical property of a medium
RU2061224C1 (en) * 1993-07-05 1996-05-27 Валерий Михайлович Волынкин Lydar
CN1467492A (en) * 2002-07-11 2004-01-14 中国科学院大连化学物理研究所 Testing method and system for measuring gas component concentration using spontaneous Raman scattering technology
WO2009101659A1 (en) * 2008-02-13 2009-08-20 Shikoku Research Institute Incorporated Method and apparatus for remote measurement of gas concentration
RU2441219C1 (en) * 2010-07-19 2012-01-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) Method of determining component composition of natural gas in real time
RU2492434C1 (en) * 2012-01-24 2013-09-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук (ИМКЭС СО РАН) Multi-channel high-performance raman spectrometer

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
БАЖАНОВ Ю.В. и др. Количественный анализ газовых сред методом спектроскопии комбинационного рассеяния света. Аналитика и контроль, N3-4, 1998, с.65-74. *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2613200C1 (en) * 2015-11-20 2017-03-15 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) Laser gas analyzer
RU2688886C1 (en) * 2018-06-05 2019-05-22 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук Method for gas analysis of natural gas
CN111562247A (en) * 2019-02-13 2020-08-21 中国石油天然气股份有限公司 Hydrogen sulfide and carbon dioxide on-line analysis device and method
RU2768242C1 (en) * 2021-03-09 2022-03-23 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Method of determining gas compressibility factor

Also Published As

Publication number Publication date
RU2013142763A (en) 2015-03-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhang et al. High-sensitivity gas detection with air-lasing-assisted coherent Raman spectroscopy
RU2544264C1 (en) Method of gas analysis of natural gas
US10557792B2 (en) Spectral modeling for complex absorption spectrum interpretation
CN106932378A (en) The on-line detecting system and method for a kind of sour gas composition based on Raman spectrum
Christmann et al. Correction of right-angle molecular fluorescence measurements for absorption of fluorescence radiation
Han et al. On-line multi-component analysis of gases for mud logging industry using data driven Raman spectroscopy
CN103499391A (en) Spectrum measuring system
CN113324973B (en) Multi-factor correction Raman spectrum quantitative analysis method combined with spectrum internal standard
Pironti et al. Determination of the 13C/12C carbon isotope ratio in carbonates and bicarbonates by 13C NMR spectroscopy
Ribessi et al. iHEART: a miniaturized near-infrared in-line gas sensor using heart-shaped substrate-integrated hollow waveguides
Chang et al. Improved removal of volatile organic compounds for laser‐based spectroscopy of water isotopes
Khannanov et al. Analysis of natural gas using a portable hollow-core photonic crystal coupled Raman spectrometer
Debus et al. Long-Term Strategy for Assessing Carbonaceous Particulate Matter Concentrations from Multiple Fourier Transform Infrared (FT-IR) Instruments: Influence of Spectral Dissimilarities on Multivariate Calibration Performance
RU126136U1 (en) NATURAL GAS COMPOSITION ANALYZER
Petrov et al. Evaluation of the metrological characteristics of Raman analyzer of natural gas
Ryabchykov et al. Errors and Mistakes to Avoid when Analyzing Raman Spectra
RU2688886C1 (en) Method for gas analysis of natural gas
Rutherford et al. Detection of paracetamol binding to albumin in blood serum using 2D-IR spectroscopy
Herget et al. Progress in the prototype development of a new multicomponent exhaust gas sampling and analyzing system
CN1467492A (en) Testing method and system for measuring gas component concentration using spontaneous Raman scattering technology
Petrov et al. Multipass Raman gas analyzer for monitoring of atmospheric air composition
Schlüter et al. Gas sensor for volatile anesthetic agents based on Raman scattering
Berezin et al. UF6 enrichment measurements using TDLS techniques
Grishkanich et al. SRS-lidar for 13C/12C isotops measurements environmental and food
Grishkanich et al. SRS-sensor 13C/12C isotops measurements for detecting Helicobacter Pylori