CN108603844B - 用于量化光学干扰气体杂质的量的方法 - Google Patents

用于量化光学干扰气体杂质的量的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108603844B
CN108603844B CN201780010650.6A CN201780010650A CN108603844B CN 108603844 B CN108603844 B CN 108603844B CN 201780010650 A CN201780010650 A CN 201780010650A CN 108603844 B CN108603844 B CN 108603844B
Authority
CN
China
Prior art keywords
gas
sample
detector
modulation frequency
inlet
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Active
Application number
CN201780010650.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108603844A (zh
Inventor
约翰·赫尔格伦
亨利克·文纳伯格
弗雷德里克·奎斯特
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Swiss Business Yingfukang Holding Co
Original Assignee
Inficon GmbH Switzerland
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 Inficon GmbH Switzerland filed Critical Inficon GmbH Switzerland
Publication of CN108603844A publication Critical patent/CN108603844A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108603844B publication Critical patent/CN108603844B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/27Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands using photo-electric detection ; circuits for computing concentration
    • G01N21/274Calibration, base line adjustment, drift correction
    • G01N21/276Calibration, base line adjustment, drift correction with alternation of sample and standard in optical path
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/37Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using pneumatic detection
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/85Investigating moving fluids or granular solids
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0026General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment using an alternating circulation of another gas
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/22Fuels; Explosives
    • G01N33/225Gaseous fuels, e.g. natural gas
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
    • G01N2021/3545Disposition for compensating effect of interfering gases

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

用于量化气体检测系统中的光学干扰气体杂质的量的方法,所述气体检测系统包括:样品气体入口(12),参考气体入口(14),气体调节阀(16)和用于分析甲烷或天然气的红外吸收气体检测器(24);其中,所述气体调在节阀(16),以交替的方式,将样品气体入口(12)在样品气体时间段内与气体检测器(24)连接并且所述将参考气体入口(14)在参考气体时间段内与所述气体检测器连接;其特征在于,对所述气体检测器(24)中至少两种不同的样品气体浓度的红外吸收进行测量,所述气体检测器(24)中的所述至少两种不同的样品气体浓度通过各自不同的样品气体时间段与参考气体时间段的比率来实现;其中,将不同测量信号的幅度与表示信号幅度相对甲烷或天然气中不同量的干扰气体杂质的气体浓度的校准函数进行比较,从而评估采样气体中的实际气体杂质浓度。

Description

用于量化光学干扰气体杂质的量的方法
发明领域
本发明涉及一种用于量化气体检测系统中光学干扰杂质的量的方法,该系统包括红外吸收气体检测器,特别是用于甲烷和天然气分析的非分散红外(NDIR)吸收检测器。该结果可用于补偿由气体中存在的杂质引起的浓度预测误差。
背景技术
世界各地的法规要求对燃气管网进行定期检查,以检查未知泄漏情况。其原因主要是为了保护公众免受建筑物和其它密闭空间中的天然气积聚造成的火灾和爆炸。泄漏测量通常通过在输送气体的管道的上方的地面上移动一个对气体的主要组分敏感的检测器来进行的。
最常见的管网燃气类型是压缩天然气(CNG),主要由甲烷组成,伴随有不同量的氮、二氧化碳、乙烷、其它烃和一些其它微量残留物。非甲烷气体在下文中统称为杂质。
第二种类型的管网燃气是液化石油气(LPG),其主要包含丁烷和丙烷。
第三种气体是目前出现的作为“更清洁”能源的沼气(BG)。但是其水平还非常有限并且很少分布在一般的燃气管网中。
分布在管道或容器中的上述三种类型的气体在下文中被表示为公用燃气。
如果注册了公用燃气信号,其可以来自两个主要来源:处于检查中的燃气设施或源自生物腐烂过程。这种生物来源的示例为被覆废物堆、分解污水、垃圾填埋场等。来自这些来源的气体已知有许多名称,包括沼气、土壤气、垃圾填埋气和下水道气。在下文中,术语沼气被用作生物来源的可燃气体源的共同名称。为了避免对沼气信号进行不必要的挖掘,希望能够区分来自被检查的管道的真实气体泄漏和来自沼气的指征。
用于区分公用燃气和沼气的最常用方法是分析气体组分,以确定乙烷气体和/或较重烃如丙烷和丁烷的存在。大多数天然气源含有0.5-8%的乙烷,而沼气不含任何显著量的乙烷。
目前还没有市售的在甲烷和乙烷之间具有足够高的选择性的气体传感器,以使这种分析能够实时进行。因此,该分析通常使用气相色谱仪(GC)进行,所述气相色谱仪将气体样品的不同组分分离成在不同时间离开色谱柱的脉冲。由于不同组分的这种时间分离,即使使用非选择性传感器也可以进行这种分析。
市场上有一些采用气相色谱、低温分离或先进的光学技术的乙烷特异性检测器。这些仪器的反应时间约为几分钟或更长。
检查公用燃气管道的完整性,通常,需要具有非常高灵敏度的气体探测器,当沿着被埋管道上方的地面移动探测器时,该气体探测器能够吸收几ppm或更低的气体浓度。在同一应用中,还必须有一个可以在1到100%的气体范围内的非常高的浓度进行量化的检测器。
以足够的选择性和准确度来实现这种宽范围的检测通常需要多个传感设备或多种检测技术的组合。
典型类型的传感器是红外气体吸收检测器。
红外气体分析仪检测穿过气体样品的红外辐射。通常,IR气体分析仪包括:红外源,测量部分,例如具有气体入口和气体出口的试管,以及红外传感器。红外光源将IR辐射发射进入并通过所述测量部分,所述辐射在测量部分中穿过包含在其中的气体样品。红外传感器接收并感测通过气体样品的IR辐射。在这种类型的探测器中经常使用的典型红外传感器是非色散红外吸收探测器(NDIR传感器)。NDIR传感器测量已通过待分析气体的辐射中一个或几个波长范围内的红外辐射量。通过选择适当的波长范围以拟合至相应的待测量气体的特定吸收线来确定NDIR传感器的选择性。测量原理基于特定气体组分吸收红外辐射的事实。吸收范围将由红外气体分析仪检测。
红外传感器将入射的IR辐射能量的变化幅度转换成电信号。一些IR传感器采用压电材料,称为热电传感器。压电材料吸收入射辐射,引起温度变化,进而引起跨越所述材料的临时电势,该临时电势可用作测量入射辐射强度的变化。
在气体样品中百万分之一(ppm)范围内对目标气体低浓度的检测需要较长的光学路径,即,其中红外辐射可以与气体中的分子相互作用的长路径。使用可负担得起的辐射源,光学滤波器和红外辐射探测器通常会使光学路径长度达到50-150mm,从而使对甲烷的灵敏度达到1-10ppm。由于携带气体并形成红外气体检测器的试管的气体管中的反射损失,长于150mm的光学路径通常不会显著地进一步提高性能。
在气体检测器中待使用的“长光学路径”的原因是为了得到明显大于系统中的噪声的在清洁空气和低浓度样品之间的信号变化。噪声源主要在探测器侧,所述探测器侧包括探测器本身和用于放大信号并将信号转换为可管理的数字或模拟信号的电路。
气体中的吸收遵循比尔定律,对于通过光学路径传输的光强度(假设非发散光),可以写成如下:
I=I0×e-εLc
其中,
I=通过气体样品长度L后的光强度。
I0=进入气体样品光学路径的光强度。
ε=摩尔吸光系数(取决于气体类型)
L=光学路径长度。
c=吸收光的气体浓度。
这意味着对于给定长度Δx,信号将会有一个固定的相对衰减。可以看出,差分灵敏度随着浓度以及光学路径的长度而减小。对于低ppm灵敏度,光学路径需要很长才能被优化,因此很难看出例如90%和95%的目标气体之间的差异。
光学路径长到发生这种“饱和”现象时被称为“长光学路径”。在大气含量测量中,它被称为“浓厚的大气”。
这种行为的另一个后果是甲烷中低浓度的某些杂质会导致天然气被高估。在天然气中常见的乙烷和其它烃类中也有这种情况。引起这种效应的杂质在下文中称为干扰杂质或光学干扰杂质。
不同的烃吸收波长略微不同于甲烷的红外辐射。遗憾的是,这些吸收峰或波段或多或少地重叠,并且迄今为止不可能制造可负担的能够选择性地滤除对某些烃分子完全特定的波长的光学滤波器。图1为显示了通常用于检测甲烷的3.3μm至3.4μm区域中甲烷和乙烷吸收的重叠的简化图。
图1中的阴影区域示出了光学滤波器的带宽,并且光学路径中的吸光度将是滤波器的带宽内的甲烷和乙烷线下的综合区域的函数。
这给出了对于所有浓度的非理想选择性,这对于低浓度来说不是很大的问题,因为对于低浓度而言,天然气混合物的不同组分的吸光度接近线性。
天然气中乙烷的典型浓度范围为0.5%至8%。这意味着对于高气体浓度,甲烷的吸光度可能处于饱和状态,而乙烷的吸光度则在非饱和条件下。
落在甲烷峰的波长之外但在带通滤波器宽度内并且在这种情况下在乙烷吸收带内的部分光将被乙烷衰减,因此通过滤波器并被红外传感器检测到的总光功率将一样被衰减。
在了解管道中的实际气体混合物后,当然可以使用该混合物来校准系统。实际上,这很少可行。
已经证实了使用固定的天然气混合物进行校准是不切实际的,因为管网中的组成变化不可预测。
已知一种通过采用调制阀以循环方式使气体样品或周围参考样品通过光学路径管(下文称为试管)来改善IR检测器的信噪比的方法。参考样品通常是具有或具有低浓度的吸收被分析波长范围的气体环境空气或零气体。
在US7,030,381B2中描述了这种气体调制阀和相应的气体调制方法,其内容通过引用结合在此。根据US7,030,381B2的气体检测器可包括样品气体入口和参考气体入口,通过所述样品气体入口待检测气体(目标气体)被吸入,来自周围大气的气体通过所述参考气体入口被吸入作为参考气体。气体调制阀将样品气体入口和参考气体入口连接到气体传感器(例如红外气体传感器)的入口。例如,红外气体传感器可以具有包括用于待分析气体的入口和相应出口的试管、红外光源和红外检测器。从气体调制阀到气体传感器入口的气流路径通过气体调制阀交替地连接到样品气体入口和参考气体入口。如US7,030,381B2中所述,通过气体调制阀在样品气体入口和参考气体入口之间的切换优选地以周期性频率周期性地发生。
在欧洲专利申请号15192115.2中也描述了一种采用使用在参考气体入口和样品气体入口之间切换的气体调制阀进行气体调制的气体检测方法。其内容通过引用并入本文。
US7,030,381B2的主要目的是通过提供代表目标气体在采样点和环境中的浓度差的输出信号来过滤或补偿气体检测器周围的环境大气中目标气体的增加水平。使用气体调制的另一个结果是随着气体调制调整待分析的实际参数,即气体浓度,强烈增强的信噪比。信号是透过气体的光线和以及通过参考气体光线之间的差值,而不是光强度的绝对值。分析气体调制频率下的检测器信号可以强有力地抑制其它频率下的各种噪声信号。
根据16151030.0中描述的方法,其全部内容通过引用并入本文,气体调节阀将样品气体入口连接到红外吸收气体分析仪的气体入口的样品气体时间段短于气体调节阀将参考气体入口连接到红外气体分析仪的气体入口的参考气体时间段。在参考气体入口和样品气体入口之间交替切换气体调节阀导致以气体调制频率的气体调制。气体调制频率影响红外气体分析仪中,即气体分析仪的测量容积(试管)中,的样品气体量的样品气体量。与参考气体时间段相比,样品气体时间段越短,样品气体浓度越低,因此气体分析仪内可能的目标气体浓度越低。与参考气体时间段相比,样品气体时间段越长,样品气体的量就越大,因此气体分析仪内的可能的目标气体就越多。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种快速用于分析天然气中或者在公用燃气设施附近取样的富含甲烷的气体中的杂质气体,例如甲烷,的含量的方法,以将公用燃气与沼气,例如乙烷,进行区分。
另一个目的是提供一种用于因采样的气体中的实际干扰杂质水平对天然气浓度预测进行补偿方法。
而且,希望能够因采样气体中各干扰气体杂质水平对天然气的浓度预测进行补偿。
根据本申请的第一方面,对气体检测器中的至少两种不同的样品气体浓度的红外吸收进行测量,所述气体检测器中的至少两种不同的样品气体浓度是通过各自不同的样品气体时间段与参考气体时间段的比率来实现的,其中,将不同测量信号的气体幅度与表示信号幅度相对采样气体(甲烷或天然气)中不同量的干扰气体杂质的气体浓度的校准函数或曲线进行比较,从而评估采样气体中的实际气体杂质浓度。
根据本申请的第一方面,对气体检测器中的至少两种不同的样品气体浓度的红外吸收进行测量,所述气体检测器中的至少两种不同的样品气体浓度是通过以气体调制阀在样品气体入口和参考气体入口之间进行切换的气体调制频率的第一次测量以及通过在所述气体调制频率的至少第一个偶数谐波处进行的至少第二次测量实现的,其中,将不同测量信号的幅度与表示信号幅度相对甲烷或天然气中的不同量的干扰气体杂质的气体浓度的校准函数(曲线)进行比较,以便评估采样气体中的实际气体杂质浓度。
气体调制的主要目的是在气体样品和参考样品之间提供大的对比。因此,必须选择采样频率和泵容量,以便在调制周期的两个阶段中的每个阶段中更换试管中的所有气体。为了优化速度和泵容量,占空比为50%是合适的,即参考气体时间段和样品气体时间段同样长。
为了充分利用气体调制,我们应该在气体调制频率下对信号进行评估。这对于达到ppm水平的小气体浓度的最佳灵敏度是必要的。
更高浓度的光学饱和现象使得难以在高浓度的预测中维持足够高的准确度。其次,它“放大”来自干扰杂质的信号。如上所述,气体中的吸光度遵循比尔定律,这意味着对于长路径而言,在高浓度下会观察到饱和效应。该效应如图3所示。
从图3中可以看出,差分灵敏度随着浓度而降低。使用针对百万分率(ppm)灵敏度优化的光学路径,很难看出例如90%和95%天然气之间的差异。
本发明采用气体调制技术来减少这种问题。
气体调节阀用于将样品气体与参考气体混合或稀释,以便能够分析不同浓度,为实际被分析的气体对检测器进行校准。这可以通过根据本申请的第一方面的IR吸收检测器的试管中的平均样品气体浓度的时间控制稀释来实现。或者,也可以通过根据本申请的第二方面的分析在气体调制频率的谐波处的信号幅度来实现。在这两种情况下,测量信号的至少两点(吸收对时间)必须拟合到预先记录的一组多种不同杂质水平(最常见的是乙烷)的校准函数或灵敏度曲线。
根据本申请的第一方面的时间控制稀释是通过分别控制样品气体和参考气体注入试管的时间长度来实现的。在一个实施方式中,基本步骤可以如下:
-用参考气体吹扫试管,
-通过切换调制装置在用于填充X%试管所需的时间内注入样品气体,用样品气体填充试管的预定部分(X%),
-记录红外吸收信号X%平均样品浓度,
-注入一些更多的参考气体,以将试管的样品气体填充部分减少到Y%,Y<X,
-以Y%平均样品浓度记录IR吸收信号,
-将两个记录的信号拟合到适当的传递函数或灵敏度曲线,以确定干扰杂质浓度。
通过以灯调制频率重复开关,可以实现对红外源的调制,以记录信号。可以使用热电传感器,其仅对输入光功率的变化作出反应。灯调制频率可以优选地低于气体调制频率。然后可以以对应于灯调制频率的检测频率或者以灯调制频率的整数倍的检测频率来分析红外气体分析仪的测量信号。红外气体分析仪的测量信号也可以同时以一个或几个其它频率进行分析,每个频率是灯调制频率的整数倍。
气体调制频率应为灯调制频率的整数倍。在上文中,整数倍可以是相同的频率、频率的两倍、频率的三倍,等等。
根据本申请的第二方面的谐波方法不需要受控的稀释。而是,红外吸收气体检测器的试管在完全气体调制循环期间被填充两次,例如通过相应地设定泵速度。因此,IR吸收气体检测器中的平均气体浓度将以三角形方式变化,如图4中的实线所示。
由于比尔定律,如果气体浓度高,透射光强度(图4中的点划线)将显著偏离浓度波形,而如果气体浓度低,则更像是三角形浓度波形(图4中的虚线)。应该注意的是,为了清楚起见,两个浓度的幅度已经相等。当然,低浓度信号的幅度实际上较低。
因此,信号的幅度和形状都具有有关浓度的信息。
任何给定时刻的信号幅度与该特定时间的试管中的平均浓度有关。这使得可以实时地从一个相同的样品浓度获取关于在不同浓度下实现的信号的信息。
使用该方法,可以同时产生两个或更多个表示来自大范围的浓度的信号校准点或参数。
随后将计算的点或参数拟合到针对不同乙烷含量水平的预先记录的一组转换函数。
因此,还可以确定乙烷含量,从而对信号进行补偿,以实现更正确的总天然气浓度预测。
获取该信息的一种方法是分析调制频率的幅度和调制频率的一个或多个谐波。
可以在工厂测试中或在年度校准期间为特定仪器建立必要的信号与浓度曲线,或者如果个体变化在公差范围内,则可以使用通用模型特定曲线组并且可能使用单个已知校准混合物用于定期校准仪器。该校准不应被解释为对应用中采样的气体中的未知干扰杂质浓度的校准。
为了实施本发明的方法,将样品入口移动到检测器发出气体浓度合适且稳定的信号的位置,或者将样品入口置于足够高的浓度,并且通过使用气体调制来产生合适的体积分配,气体检测器产生至少两次所需的浓度测量。如果检测器自动对信号进行采样并将结果拟合到适当的校准曲线,则是有利的。此外,希望检测器向用户,例如在设备的显示器上,呈现预估的乙烷浓度。然后该程序在测试侧,并且在达到合理的气体浓度后仅需几秒钟。通常总时间少于15秒。本发明的方法适用于吸收通过光学带通滤波器的辐射的任何有限污染物(气体杂质),即适用于吸收波长在气体样品的被分析吸收波长范围内的任何气体杂质。
在下文中,参考图5对本发明的实施例进行讨论。
样品气体入口12和参考气体入口14经由相应的样品和参考气体导管18,20连接到气体调制阀16。气体调制阀16将样品气体导管18和参考气体导管20交替地连接到气流路径22,所述气流路径22连接气体调制阀16和气体检测器24。该气体检测器24是包括吸收试管30的非分散红外(NDIR)传感器。气流路径22包含位于气体调制阀16和气体检测器24之间的样品真空泵26。样品气体入口12和参考气体入口14可以是手持式气体检测器探头的一部分。这个构思在US7,030,381B2和欧洲专利申请号15192135.0和15192115.2中被描述,其内容通过引用并入本文。
因此,气体调制阀16在源自参考气体入口12的参考气体导管18和源自样品气体入口12的样品气体导管20之间切换。气体调制阀16将导管18,20中的任一个与气流路径(主气体导管)22相连。待分析气体通过气流路径22被传送到气体检测器24。
气体分析器24的吸收试管30包括入口28,由样品泵26泵送的气体通过该入口28被引导到吸收试管30中。气体通过出口32离开该试管。红外光源34位于试管30的一端。红外光源34与试管30的容积分开,通过该试管30的容积的气体经过图中未示出的光学窗口。光学滤波器39和红外传感器36位于试管30的相对另一端并与试管30的容积分离,通过该试管30的容积的气体样品经过另一个光学窗口,该光学窗口未在图中示出。这些光学窗口可以由Si、Ge或CaF2制成,并且对于源自源34的红外辐射是可穿透的。窗口由此将红外光源34,传感器36和光学滤波器39与通过试管30的气流路径分开。
该光学滤波器39优选为二色性或干涉光学滤波器,其将通过该光学窗口并被红外线传感器36检测的波长范围限制在待检测气体(目标气体),例如甲烷,的特征波长。通常,光学滤波器39应将红外辐射的波长范围限制在包括目标气体的吸收波长同时不包括其它特征气体的任何吸收波长的波长范围。
源自红外光源34的红外辐射穿过未在图中示出的光学窗口进入试管30的容积,并穿过正在流经试管30的气体样品,然后在被红外传感器36接收之前,穿过在附图和未示出的另一光学窗口以及光学滤波器39。
样品真空泵26可以替代地放置在气体检测器24的下游,即在出口32的后面。将泵26定位在气体入口12和气体检测器24之间的主气体导管22内的优点在于,避免了由采样探针中的变化限制引起的试管30中的压力下降。
气体调制阀16用于产生信号调制,以用于降噪和信号放大。因此,阀16从位于实际有意义的点处的样品气体入口12吸取气体,或者在交替循环中从背景空气从参考气体入口14吸取气体。对气体检测器24的输出信号关于调制阀16的切换频率(气体调制频率)进行分析,并且有时也对气体检测器24的输出信号关于相位进行分析,以便提高灵敏度并降低背景噪声。
气体检测器24产生电子检测器信号,该电子检测器信号由图中未示出的评估装置分析。评估来自气体检测器24的测量信号的评估装置以及控制气体调制阀16的控制装置可以是共享单个处理器的单个部件,或者可以彼此电子连接以分享和交换数据的单独部件。
评估装置以可能由控制装置控制的检测频率对来自传感器36的测量信号进行分析和评估。检测频率由控制装置依据气体调制频率进行控制。检测频率应该是气体调制频率的整数倍(一倍、两倍、三倍......)。在检测频率下,评估装置捕获来自传感器36的测量信号以执行气体分析。
控制装置还控制灯调制频率,红外光源34的功率以该灯调制频率被接通或者断开。灯调制频率应低于切换阀16的气体调制频率,而检测频率对应于灯调制频率。这意味着,来自传感器36的电子测量信号由评估装置以灯调制频率进行分析。气体调制频率也是灯调制频率的整数倍(一倍、两倍等)。
根据本发明,针对不同比率的样品气体时间段与参考气体时间段测量红外吸收。以样品气体时间段与参考气体时间段的比率进行第一次测量,该比率导致试管内的高样品气体浓度。此后,在较低的样品气体时间段与参考气体时间段的比率下进行至少第二次测量,该比率导致试管内的更低的样品气体浓度。将不同测量信号的幅度与校准函数进行比较,该校准函数在实际测量之前被测量并被存储在评估装置的存储器中。在评估装置中存储不同的校准函数,每个校准函数表示相应样本气体(例如天然气或甲烷)中随不同浓度干扰气体杂质的气体浓度而变化的信号幅度。因此,针对不同类型的样品气体都存储有校准函数。通过选择具有与测量信号的幅度相比最接近或最相似的信号幅度的校准函数来评估气体样本中的实际气体杂质浓度。所选的校准函数的气体杂质浓度被认为是被测气体样品的实际气体杂质浓度。

Claims (10)

1.用于量化气体检测系统中的光学干扰气体杂质的量的方法,所述气体检测系统包括:样品气体入口(12),参考气体入口(14),气体调节阀(16)以及用于分析甲烷或天然气的红外吸收气体检测器(24),其中,所述气体调节阀(16)以气体调制频率,通过交替的方式,将所述样品气体入口(12)与所述气体检测器(24)在样品气体时间段内连接以及将所述参考气体入口(14)与所述气体检测器(24)在参考气体时间段内连接;
其特征在于:
对所述气体检测器(24)中至少两种不同的样品气体浓度的红外吸收进行测量,所述气体检测器(24)中的所述至少两种不同的样品气体浓度通过各自不同的样品气体时间段与参考气体时间段的比率来实现;
其中,将不同测量信号的幅度与表示信号幅度相对甲烷或天然气中不同量的干扰气体杂质的气体浓度的校准函数进行比较,从而评估采样气体中的实际气体杂质浓度。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,对两种以上不同的样品气体浓度进行红外吸收测量,并与所述校准函数进行比较,从而评估采样气体中的实际气体杂质浓度。
3.根据前述权利要求1所述的方法,其中,所述采样气体是天然气,并且,所述干扰气体杂质是乙烷,另一种比空气重的烃,或者一种乙烷与一或多种比空气重的其它烃的混合物。
4.根据前述权利要求1所述的方法,其中,所述气体检测器(24)的红外源以低于所述气体调制频率的灯调制频率被重复地接通和断开,并且,其中,所述气体检测器(24)的测量信号以所述灯调制频率的整数倍而被分析。
5.根据权利要求4所述的方法,其中,所述气体调制频率是所述灯调制频率的整数倍。
6.用于量化气体检测系统中的光学干扰气体杂质的量的方法,所述气体检测系统包括:样品气体入口,参考气体入口,气体调节阀(16)以及用于分析甲烷或天然气的红外吸收气体检测器(24),其中,所述气体调节阀(16)以气体调制的频率、交替地将所述样品气体入口(12)与所述气体检测器(24)连接,以及将所述参考气体入口(14)与所述气体检测器(24)连接;
其特征在于:
对所述气体检测器(24)中至少两种不同的样品气体浓度进行测量,所述气体检测器(24)中的所述至少两种不同的样品气体浓度是通过以气体调制频率的第一次测量以及通过在所述气体调制频率的至少第一个偶数谐波处进行的至少第二次测量实现的,
其中,将不同测量信号的幅度与表示信号幅度相对甲烷或天然气中的不同量的干扰气体杂质的气体浓度的校准函数进行比较,以便评估采样气体中的实际气体杂质浓度。
7.根据权利要求6所述的方法,其中,对两种以上不同的样品气体浓度进行红外吸收测量,并与所述校准函数进行比较,从而评估采样气体中的实际气体杂质浓度。
8.根据权利要求6所述的方法,其中,所述采样气体是天然气,并且,所述干扰气体杂质是乙烷,另一种比空气重的烃,或者一种乙烷与一或多种比空气重的其它烃的混合物。
9.根据权利要求6所述的方法,其中,所述气体检测器(24)的红外源以低于所述气体调制频率的灯调制频率被重复地接通和断开,并且,其中,所述气体检测器(24)的测量信号以所述灯调制频率的整数倍而被分析。
10.根据权利要求9所述的方法,其中,所述气体调制频率是所述灯调制频率的整数倍。
CN201780010650.6A 2016-02-11 2017-02-10 用于量化光学干扰气体杂质的量的方法 Active CN108603844B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP16155276.5A EP3206019A1 (en) 2016-02-11 2016-02-11 Method for quantifying the amount of optically interfering gas impurities
EP16155276.5 2016-02-11
PCT/EP2017/053012 WO2017137565A1 (en) 2016-02-11 2017-02-10 Method for quantifying the amount of optically interfering gas impurities

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108603844A CN108603844A (zh) 2018-09-28
CN108603844B true CN108603844B (zh) 2021-06-18

Family

ID=55405131

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201780010650.6A Active CN108603844B (zh) 2016-02-11 2017-02-10 用于量化光学干扰气体杂质的量的方法

Country Status (5)

Country Link
US (1) US10436708B2 (zh)
EP (2) EP3206019A1 (zh)
JP (1) JP6987066B2 (zh)
CN (1) CN108603844B (zh)
WO (1) WO2017137565A1 (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7030603B2 (ja) * 2018-04-17 2022-03-07 東京瓦斯株式会社 ガス種特定精度調整装置、簡易式ガス種特定装置、ガス種特定システム、ガス種特定精度調整方法、及びプログラム
WO2019244613A1 (ja) * 2018-06-19 2019-12-26 国立研究開発法人物質・材料研究機構 受容体応答変調方法及び受容体応答の変調を利用した測定装置
CN113465826B (zh) * 2021-05-26 2024-06-18 北京市燃气集团有限责任公司 一种燃气泄漏检测方法与装置
CN117368424B (zh) * 2023-12-08 2024-02-27 广东立腾医疗科技有限公司 气体浓度检测补偿方法、装置、气体检测设备及存储介质

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5102806A (en) * 1987-12-11 1992-04-07 Horiba, Ltd. Method for analyzing fluid by multi-fluid modulation mode
CN1479866A (zh) * 2000-12-13 2004-03-03 因菲康有限公司 利用红外气体分析仪识别气体的方法和用于实现该方法的气体分析仪
CN202614672U (zh) * 2012-03-30 2012-12-19 湖北金为电子有限公司 红外差分吸收光谱法烷烃气体实时在线检测装置

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS56122935A (en) * 1980-03-01 1981-09-26 Horiba Ltd Gas analyzing device of fluid modulation system
JPS63311146A (ja) * 1987-06-13 1988-12-19 Horiba Ltd ガス分析計
JPH079397B2 (ja) * 1987-12-11 1995-02-01 株式会社堀場製作所 流体分析方法
JPH06103259B2 (ja) * 1987-12-29 1994-12-14 株式会社堀場製作所 マルチ流体変調方式による流体分析装置における相互干渉低減方法
IL121793A (en) * 1997-09-17 2008-06-05 Lewis Coleman Isotopic gas analyzer
DE19911260A1 (de) 1999-03-13 2000-09-14 Leybold Vakuum Gmbh Infrarot-Gasanalysator und Verfahren zum Betrieb dieses Analysators
US6473175B1 (en) 2000-04-19 2002-10-29 Praxair Technology, Inc. Method for analyzing impurities in a gas stream
DE102008008262A1 (de) * 2008-02-08 2009-08-13 Inficon Gmbh Schnüffellecksucher nach dem Referenzmessprinzip
DE202008007748U1 (de) * 2008-06-05 2008-09-18 Filt Lungen- Und Thoraxdiagnostik Gmbh Vorrichtung zur Konditionierung von Gasen
EP3123148B1 (en) * 2014-03-31 2020-05-27 Redshift Systems Corporation Fluid analyzer with modulation for liquids and gases
EP3163299B1 (en) 2015-10-29 2019-05-15 Inficon GmbH Gas detection using gas modulation
EP3163290B1 (en) 2015-10-29 2018-08-29 Inficon GmbH Infrared gas detector with secondary sensor
EP3637103A1 (en) 2016-01-13 2020-04-15 Inficon GmbH Wide range gas detection using an electrochemical gas detector

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5102806A (en) * 1987-12-11 1992-04-07 Horiba, Ltd. Method for analyzing fluid by multi-fluid modulation mode
CN1479866A (zh) * 2000-12-13 2004-03-03 因菲康有限公司 利用红外气体分析仪识别气体的方法和用于实现该方法的气体分析仪
US7030381B2 (en) * 2000-12-13 2006-04-18 Inficon Gmbh Method for detecting a gas using an infrared gas analyser and gas analyser suitable for carrying out said method
CN202614672U (zh) * 2012-03-30 2012-12-19 湖北金为电子有限公司 红外差分吸收光谱法烷烃气体实时在线检测装置

Also Published As

Publication number Publication date
EP3206019A1 (en) 2017-08-16
JP6987066B2 (ja) 2021-12-22
US20190041317A1 (en) 2019-02-07
CN108603844A (zh) 2018-09-28
EP3414556A1 (en) 2018-12-19
WO2017137565A1 (en) 2017-08-17
US10436708B2 (en) 2019-10-08
JP2019505001A (ja) 2019-02-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108603844B (zh) 用于量化光学干扰气体杂质的量的方法
CN102183468B (zh) 多组分气体分析的干扰修正与浓度反演方法
CN102272564A (zh) 具有自校准和扩展的动态范围的光学吸收率测量
EP2895828A1 (en) Method and system for determining energy content and detecting contaminants in a fluid stream
RU2336518C2 (ru) Фотоакустический способ измерения концентрации неуглеводородного компонента в метаносодержащей газовой смеси
CN105765381A (zh) 用于测量溶解在液体中的气体的气体浓度的方法及系统
RU2612735C1 (ru) Способ и ультразвуковое расходомерное устройство для определения коэффициента выбросов со2 факельными газовыми установками
US10866225B2 (en) Wide range gas detection using an infrared gas detector
Tang et al. High-precision measurements of nitrous oxide and methane in air with cavity ring-down spectroscopy at 7.6 µ m
Gvakharia et al. Testing and evaluation of a new airborne system for continuous N 2 O, CO 2, CO, and H 2 O measurements: the Frequent Calibration High-performance Airborne Observation System (FCHAOS)
US8538717B2 (en) Method of absorbance correction in a spectroscopic heating value sensor
CN106596446B (zh) 一种手持式原位热湿法烟道气体检测仪
Welles et al. Measuring carbon dioxide in the atmosphere
Aziz et al. Development and application of an optical sensor for ethene in ambient air using near infra-red cavity ring down spectroscopy and sample preconcentration
JP3858844B2 (ja) 炭酸ガスの地中固定におけるガスモニタリング装置およびガスモニタリング方法
EP3933403A1 (en) Natural gas and hydrogen detector and method for detecting the concentration of hydrogen within a gas sample
Muda et al. Simulation and measurement of carbon dioxide exhaust emissions using an optical-fibre-based mid-infrared point sensor
Liu et al. A flexible method of carbonate determination using an automatic gas analyzer equipped with an FTIR photoacoustic measurement chamber
US20230314318A1 (en) Apparatus and Method for Spectroscopically Detecting a Sample
HERRICK et al. 8.9 Carbon Dioxide
Ageev et al. Analysis of technical gases by opto-acoustic method of laser spectroscopy
Stockwell Tunable Diode Laser (TDL) systems for trace gas analysis
Smith et al. Absolute accuracy and sensitivity analysis of OP-FTIR retrievals of CO 2, CH 4 and CO over concentrations representative of “clean air” and “polluted plumes”
Sell et al. Monitoring of Gas Mixtures by Means of a Flexible IR-Sensor System Utilizing Tunable Filters
Russwurm Methodological questions in application of spectroscopic techniques

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20220713

Address after: Swiss Ba Dragos

Patentee after: Swiss business Yingfukang holding Co.

Address before: Swiss Ba Dragos

Patentee before: INFICON GmbH

TR01 Transfer of patent right