CN111141717B - 用于测量混合相流体的成分的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于测量混合相流体的成分的系统。公开了一种用于测量混合相流体的材料成分的拉曼光谱测量系统，该混合相流体具有分散在液相中的气相或反之亦然，该拉曼光谱测量系统包括插入到过程中的插入件。该插入件包括由相分离膜部分限定的测量室，该相分离膜使气相能够扩散进入测量室和离开测量室，并促进液相聚结到收集器中。测量系统的第一探针被构造成将激发光发送到测量室中并接收从其中的气相发出的拉曼信号，并且第二探针被构造成将激发光发送到排放装置并接收从其中的液相发出的拉曼信号。测量系统还包括光谱仪，以用于根据拉曼信号来确定流体的材料成分。

Description

用于测量混合相流体的成分的系统
技术领域
本公开涉及一种用于测量混合相流体的材料成分的光谱测量系统，特别是使用拉曼光谱。
背景技术
存在需要分析混合相流体的许多工业应用。一个示例是天然气工业，其中需要分析包含天然气以及天然气液体和其他液体的页岩气或湿气。天然气通常由甲烷和较少量的其他成分成分，例如乙烷和丙烷。天然气液体通常包含C4烃和较重的烃。在天然气工业中，通常期望确定流动通过管道的页岩气或湿气的材料成分，例如，以确定其能量含量。然而，定量确定混合相流体的能量含量需要定量确定气相和液相的材料成分。就此而言，不仅期望确定存在在流体的气相或液相中包含的某些组分，而且还期望确定复合流体的这些组分的相对量或浓度。
通常，已经应用气相色谱仪来基于在工业现场处采集的复合流体样品执行这种多相分析。然而，这种方法具有若干个缺点。使用气相色谱仪进行的分析方法需要相当复杂的样品处理系统，并且因此不能够实时提供测量结果。此外，这种分析需要改变混合相流体样品的温度和压力，这可能改变分析材料(即，复合流体)的成分。因此，基于这种预处理样品确定的材料成分可能无法正确地再现混合相流体中的组分的相对量或浓度。此外，页岩气或湿气通常包括大量的水蒸气以及其他气体组分，例如硫化氢，这可能损害测量或甚至损坏气相色谱仪的分析仪。因此，必须对样品进行干燥和去污，这使得传统方法甚至比其它情况更慢且更不可靠。
在本领域中已知的是，可以利用拉曼光谱法更快地确定气体或液体的材料成分。US 7,385,692 B1描述了一种用于确定液体容器中的气体浓度的拉曼光谱测量系统。所公开的系统包括拉曼探针，该拉曼探针具有插入到位于液体上方的气体中的传感器尖端。该传感器尖端包括多孔的透气盖，该多孔的透气盖防止液体进入并干扰盖子内部的气体的材料成分的拉曼光谱测量，其将以其它方式导致拉曼散射信号被从液体发出的信号分量支配，这些信号分量不代表气体的材料成分。
US 9,606,063 B2描述了一种用于测量高压管线内的多相流动流体的成分的拉曼光谱测量系统，该多相流动流体具有主要位于管线的下部部分中的基于液体的多相流动流体，以及主要位于管线的上部部分中的基于气体的多相流动流体。该系统使用在管线的上部部分中安装的第一拉曼探针执行基于气体的多相流动流体的组分和成分的分析。使用在管线的下部部分中安装的第二拉曼探针执行基于液体的多相流动流体的组分和成分的分析。因此，使用该测量系统确定多相流动流体的材料成分需要将两个单独的拉曼探针分开安装在沿管道间隔开的两个开口中。两个单独的探针都增加了安装成本并且需要用于每个探针的安装装置，这些安装装置中的每个不仅能够将探针保持在适当的位置而且能够适当地密封相应的开口。
US 9,606,063 B2中描述的拉曼光谱测量系统不能够应用于分析混合相流体，例如从薄气溶胶到厚泡沫的范围的混合相流体，其中气相被分散在液相中或反之亦然，因为由两个拉曼探针接收的拉曼散射信号都将被从液相发出的拉曼散射信号支配。这使得不可能或至少极难提取足够的信息以正确地考虑液相和气相的相比以及在流体中包含的气相的材料成分。
因此，仍需要在这一技术领域作出进一步贡献。
发明内容
本公开披露了一种用于测量混合相流体的材料成分的光谱测量系统，其同时考虑到包含在混合相流体中的气相和液相的材料成分。在本公开的一个方面，测量系统包括插入件，该插入件被构造成插入到管道中，该插入件包括：测量室，该测量室在至少一侧由相分离膜限定，该相分离膜适于使流动通过管道的流体的气相扩散进入测量室中和离开测量室，并且适于促进流体的液相在测量室外部的聚结，其中，测量室内的气相限定气体样品；以及收集器，该收集器设置成邻近于测量室，使得来自测量室外部的聚结液体排放到收集器中，其中，收集器包括与管道流体连通的排放装置，使得由收集器收集的聚结液体流动通过排放装置并返回到管道的流体流，并且其中，流动通过排放装置的聚结液体限定液体样品。
测量系统还包括：第一探针，该第一探针安装在插入件上，该第一探针包括第一探针尖端，该第一探针尖端延伸到测量室中并被构造成将激发光发送到测量室中并接收从测量室内的气体样品发出的气体拉曼信号；第二探针，该第二探针安装在插入件上，该第二探针包括第二探针尖端，该第二探针尖端延伸到排放装置中并被构造成将激发光发送到排放装置中并接收从流动通过排放装置的液体样品发出的液体拉曼信号；以及激发光生成和信号评估单元，该激发光生成和信号评估单元被构造成生成激发光、将激发光提供给第一探针和第二探针、接收来自第一探针的气体拉曼信号和来自第二探针的液体拉曼信号、并且基于液体拉曼信号和/或来自第一探针的气体拉曼信号来确定流体的材料成分。
在一个实施例中，激发光生成和信号评估单元还被构造成，通过确定气相和液相中至少一者的一种或多种组分的存在和/或确定气相和液相中至少一者的两种或更多种组分的相对量或浓度，来确定流体的材料成分。
在一个实施例中，激发光生成和信号评估单元包括输入部，该输入部被构造成通过测量流速的流量计接收发送到激发光生成和信号评估单元的流动通过管道的流体的流速，并且激发光生成和信号评估单元还被构造成确定流体的一组预定组分的相对量或浓度，并且基于所确定的一组预定组分的相对量或浓度以及经由输入部提供的流速来确定流体的能量含量。
在一个实施例中，相分离膜包括化学惰性膜材料。在这样的实施例中，化学惰性膜材料是膨胀的聚四氟乙烯(PTFE)或纺粘的二氧化硅。
在另一实施例中，激发光生成和信号评估单元包括：激发光生成器，该激发光生成器适于生成激发光并将激发光发送到第一探针和第二探针，其中激发光是波长在300nm到1.5μm之间的单色光；评估单元，该评估单元被构造成分析拉曼光谱，并基于拉曼光谱来确定混合相流体的材料成分；以及光谱仪，该光谱仪被构造成接收从第一探针和第二探针发送的气体拉曼信号和液体拉曼信号、从气体拉曼信号和液体拉曼信号中过滤拉曼散射光、并将拉曼散射光分散成不同的波长，其中，光谱仪包括检测器，该检测器适于检测作为波长的函数的拉曼散射光的强度，并将由此获得的拉曼光谱提供给评估单元。
在这样的实施例中，第一探针经由第一光缆连接到激发光生成和信号评估单元，该第一光缆包括：至少一个激发光纤，该激发光纤适于将来自激发光生成器的激发光发送到第一探针；以及至少一个收集光纤，该收集光纤适于将由第一探针接收的拉曼信号发送到检测器，和/或其中，第二探针经由第二光缆连接到激发光生成和信号评估单元，该第二光缆包括：至少一个激发光纤，该激发光纤适于将来自激发光生成器的激发光发送到第二探针；以及至少一个收集光纤，该收集光纤适于将由第二探针接收的拉曼信号发送到检测器。在至少一个实施例中，激发光是波长在770nm到790nm之间的单色光。
在又一个实施例中，插入件包括插入基部，该插入基部被实施为封闭管道中的开口，该插入基部包括用于将插入件附接到管道的安装件，并且第一探针附接到插入基部，使得第一探针尖端穿过插入基部延伸到测量室中。
在又一个实施例中，相分离膜被安装到支撑件，该支撑件包括限定测量室的基本圆柱形的框架，并且在测量室的内部与管道的内部之间具有至少一个开口，并且支撑件中的至少一个开口被相分离膜的至少一部分覆盖或填充。在这样的实施例中，插入件包括多个开口和多个相分离膜，每个相分离膜被安装到支撑件，使得每个开口被多个相分离膜中的至少一个覆盖或填充。
在一个实施例中，收集器包括将收集器入口连接到排放装置的通道，并且收集器设置成邻近于测量室，使得聚结液体经由收集器入口和通道流动到排放装置中。
在另一个实施例中，插入件包括插入基部，该插入基部被实施为覆盖管道中的开口，插入基部限定测量室的一侧并且包括附接到插入基部并适于支撑相分离膜的支撑件，并且收集器连接到支撑件的与插入基部相对的端部，使得收集器限定测量室的与插入基部相对的相对侧。
在又一个实施例中，插入件包括插入基部，该插入基部封闭管道中的开口，插入件通过该开口插入管道中，第二探针被安装到插入件上，使得第二探针尖端延伸穿过收集器的壁并进入排放装置的内部，并且第二探针经由延伸穿过插入基部的光缆连接到设置在管道外部的激发光生成和信号评估单元。
在又一个实施例中，第一探针包括聚焦物镜，该聚焦物镜包括第一表面镜或反射器，该第一表面镜或反射器被实施和布置成将激发光聚焦到测量室中的气体样品上并收集从气体样品发出的拉曼信号，第一表面镜或反射器被布置成将激发光捕获在聚焦物镜内，和/或反射器生成位于测量室内的第一焦点和位于测量室内的第二焦点，致使聚焦到第一焦点或第二焦点中的一个上的入射激发光被多次反射并重新聚焦到第一焦点或第二焦点中的另一个上，从而交替焦点使得激发光的数值孔径在激发光与从气体样品发出的拉曼信号一起被收集之前逐渐增加，其中，第一焦点是实焦点，且第二焦点是实焦点或虚焦点。
在一个实施例中，第一探针包括：激发透镜，该激发透镜适于准直发送到第一探针的激发光；反射镜，该反射镜被构造成将过滤后的激发光反射到光束组合器上，该光束组合器被构造成沿反向传播路径将激发光引导到聚焦物镜，其中，聚焦物镜适于将激发光聚焦到在测量室内的气体样品上并收集从气体样品发出的拉曼信号；陷波过滤器，该陷波过滤器适于过滤沿反向传播路径返回通过组合器的所收集的拉曼信号；以及收集透镜，该收集透镜适于将过滤后的所收集的拉曼信号聚焦到收集光纤中，该收集光纤被构造成将所收集的拉曼信号发送到激发光生成和信号评估单元。在这样的实施例中，第一探针还包括带通过滤器，该带通过滤器在带通基板上具有过滤涂层并适于过滤准直的激发光，该反射镜包括在反射镜基板上的反射涂层，该光束组合器包括在组合器基板上的组合涂层，过滤涂层、反射涂层和组合涂层被定向成使得激发光在被发送到气体样品上之前且在被带通过滤器的过滤涂层过滤之后不会穿过带通基板、反射镜基板或组合基板，并且发送的激发光基本整体地被聚焦物镜收集，并由组合涂层和反射涂层重新引导通过过滤涂层。
在又一个实施例中，第二探针包括：激发透镜，该激发透镜适于准直发送到第二探针的激发光；反射镜，该反射镜被构造成将过滤的激发光反射到光束组合器上，该光束组合器被构造成沿反向传播路径将激发光引导到聚焦物镜，其中，聚焦物镜适于将激发光聚焦到排放装置内的液体样品上并收集从液体样品发出的拉曼信号；陷波过滤器，该陷波过滤器适于过滤沿反向传播路径返回通过组合器的所收集的拉曼信号；以及收集透镜，该收集透镜适于将过滤后的所收集的拉曼信号聚焦到收集光纤中，该收集光纤被构造成将所收集的拉曼信号发送到激发光生成和信号评估单元。在这样的实施例中，第一探针还包括带通过滤器，该带通过滤器适于过滤经准直的激发光，该光束组合器和该陷波过滤器是电介质边缘过滤器，和/或该反射镜和该光束组合器以20度或更小的角度被支撑。
在一个实施例中，第二探针的第二探针尖端由隔离窗口盖住，该隔离窗口分隔第二探针尖端的内部，该第二探针尖端包括聚焦物镜，该聚焦物镜适于将激发光聚焦到排放装置内的液体样品上并收集从液体样品发出的拉曼信号，并且隔离窗口是蓝宝石窗口或透过激发光和拉曼信号的其他窗口。在又一个实施例中，第二探针在尺寸上小于第一探针。
附图说明
包含在本文中的所描述的实施例和其他特征、优点和公开内容以及获得它们的方式将变得显而易见，并且通过参考结合附图的本公开的各种实施例的以下描述将更好地理解本公开，附图中：
图1示出了根据本公开的拉曼光谱测量系统；
图2示出了第一拉曼探针的实施例；
图3示出了第二拉曼探针的实施例；以及
图4示出了根据本公开的第一拉曼探针的聚焦物镜的可替选实施例。
具体实施方式
本公开包括拉曼光谱测量系统100，用于测量混合相流体2的复合材料成分，如图1所示。这种混合相流体2可以包括在液相中分散的气相，或反之亦然。测量系统100可以被采用以测量流动通过管道1的混合相流体2的复合材料成分。在图1中，混合相流体2的流动的方向由平行箭头表示。管道1可以是气体管线，石油井的生产管，或者精炼或蒸馏过程或涉及混合相流体的任何其他过程的过程管道。
测量系统100包括插入件3，该插入件3被结构化为插入到管道1中，例如通过管道1的壁中的开口。插入件3包括通过至少一个相分离膜7与流体流分离的测量室5。分离膜7适于允许围绕测量室5流动的混合相流体2的气相扩散进入测量室5、通过测量室5并离开测量室5，如由双尖箭头所示。从扩散进入、通过并离开测量室5气相可以采取混合相流体2的气相的气体样品。分离膜7还适于防止混合相流体2的液相进入测量室5。混合相流体2的液相沿测量室5和分离膜7的外表面聚结。至少一个相分离膜7连续地将流动穿过腔室5的混合相流体的一部分分离成扩散进入、通过并离开腔室5的气体部分以及在测量室5的外表面上聚结的液体部分，从而防止来自混合相流体2的任何液体进入测量室5。
图1示出了测量系统100的实施例，该测量系统具有围绕测量室5的单个基本地圆柱形的相分离膜7。在可替选实施例中，分离膜7可以具有其他形式。例如，测量系统100可以包括两个或更多个相分离膜7，从而提供沿测量室5的外壁分布的透气窗。无论相分离膜7的数量如何，每个这样的分离膜7可以包括化学惰性膜材料，例如膨胀聚四氟乙烯(PTFE)。可替选地，分离膜7可以是纺粘二氧化硅或其它合适的透气相分离膜材料，其能够连续地将流体中的液体与气体分离。作为进一步的非限制性示例，分离膜7可以包括应用于在石油和天然气工业中使用的聚结过滤器中的膜材料或应用于在由A+Corporation出售的
Figure BDA0002235642640000081
永久插入探针TM中应用的膜材料。
插入件3还包括收集器9，该收集器9被构造成收集聚结液体，该聚结液体沿测量室5的外表面向下排放并进入在收集器9内设置的排放装置11中，该排放装置11具有排放容积，该排放装置11将由收集器9收集的聚结液体返回到管道1中，如图1所示。从穿过排放装置11的聚结液体中，可以限定或取得混合相流体2的液相的液体样品。例如，收集器9和排放装置11可以是不锈钢或其他非反应性材料。
测量系统100还可以包括激发光生成和信号评估单元13以及两个拉曼探针15，17。第一探针15可以包括延伸到测量室5中的探针尖端19。第一探针15被构造成将激发光发送到测量室5中并接收从测量室5内的气相的气体样品发出的拉曼信号。第一探针15可以被安装在插入件3上，如图1所示。在可替选实施例中，第一探针15可以直接被安装到管道1的壁上。
第二拉曼探针17可以包括延伸到排放装置11中的探针尖端21。第二探针17被构造成将激发光发送到排放装置11中并接收从通过排放装置11排出的液体的液体样品发出的拉曼信号。第二拉曼探针17可以被安装到插入件3上，使得探针尖端21延伸到排放装置11中。
每个探针15，17经由单独的光缆23连接到激发光生成和信号评估单元13。每个光缆23可以包括至少一个激发光纤25，该激发光纤被布置成将激发光发送到对应的探针15、17。每个光缆23还可以包括至少一个收集光纤27，该收集光纤被布置成将由对应的探针15、17接收的拉曼信号发送到激发光生成和信号评估单元13。在至少一个实施例中，光缆23可以是多模光纤光缆。激发光生成和信号评估单元13生成到第一探针15和第二探针17的激发光，并且分析从第一探针15和第二探针17接收的拉曼信号，以确定混合相流体2的材料成分。
图1示出了激发光生成和信号评估单元13的示例性实施例，该激发光生成和信号评估单元包括光发生器29、拉曼光谱仪31、检测器33和评估单元35。光发生器29包括单色光的至少一个源，其被构造成经由光缆23的对应的激发光纤25向探针15、17中的每个提供激发光。在至少一个实施例中，光发生器29是激光器。在某些实施例中，光发生器29是气体激光器。可替选地，光发生器29可以是固态激光器。在另一个实施例中，光发生器29可以是半导体激光器或其他合适的单色光源。
激发光可以是波长为300纳米(nm)至1.5微米(μm)的单色光。在至少一个实施例中，激发光可以具有770nm至790nm的波长。波长为770nm至790nm的激发光具有以下优点：这种波长足够长以减少或甚至防止可能干扰拉曼光谱测量的荧光的激发，但是足够短以确保拉曼信号的信号强度相对于激发光的激发功率的高比率。另一个优点是在拉曼信号中包括的拉曼移位信息的全范围可以由检测器33来检测，其中检测器33是基于硅的检测器，例如具有合适噪声特性的电荷耦合器件(CCD)检测器。
在至少一个实施例中，拉曼光谱仪31经由光缆23的对应的收集光纤27接收由第一探针15和第二探针17传送的拉曼信号，从拉曼信号中过滤拉曼散射光，并且将剩余的拉曼散射光分散成不同的波长。这种技术通常被称为“色散拉曼”。在可替选实施例中，可以使用其他拉曼技术，例如FT-拉曼。受益于本公开的本领域技术人员将认识到用于给定应用的适当拉曼技术，并且将知晓适合于所选拉曼技术的特定类型的拉曼光谱仪。因此，本公开的范围不限于拉曼光谱仪31或色散拉曼技术的描述。
连接到拉曼光谱仪31的检测器33检测作为波长的函数的拉曼散射光的强度以生成拉曼光谱，并且可以将由此获得的拉曼光谱发送到评估单元35。该评估单元35分析拉曼光谱并确定混合相流体2的复合材料成分，其包括在插入件3处分离的气相和液相。
确定混合相流体2的材料成分包括确定混合相流体2的气相和液相中至少一者的一种或多种组分的存在以及确定混合相流体2的气相和液相中至少一者的两种或更多种组分的相对量或浓度中的至少一者。因为相分离膜7防止任何液相进入测量室5，所以由第一探针15捕获的拉曼信号代表组分，并且因此代表测量室5中气相的成分。同时，由第二探针17捕获的拉曼信号代表组分，并因此代表通过排放装置11排放的液相的成分。
在操作期间，包括测量室5、收集器9、排放装置11、第一拉曼探针15和第二拉曼探针17的插入件3被暴露于管道1内部盛行的温度和压力。结果，热和压力平衡将建立并盛行，这确保了液相和气相的相比以及液相和气相的材料成分将会基本上保持不变。因此，在组合上，由第一拉曼探针15和第二拉曼探针17同时接收的拉曼散射信号正确地反映了混合相流体的材料成分。结果，由根据本发明的测量系统确定的材料成分正确地考虑了该相比以及包含在流体中的气相和液相的材料成分。
在本公开的至少一个实施例中，激发光生成和信号评估单元13可以包括输入部39，该输入部39提供流动通过管道1的混合相流体2的流速。在这样的实施例中，评估单元35可以确定混合相流体2的一组预定组分的相对量或浓度，并且基于该组预定组分的所确定的相对量或浓度以及流速来确定混合相流体2的能量含量。作为非限制性示例，可以基于(例如在液相中包括的)烃类物质(诸如甲烷、乙烷和丙烷)以及(例如在液相中包括的)通常较重的较高碳键组分(诸如丁烷、戊烷和己烷)的流速和相对量或浓度来确定页岩气或湿气的能量含量。
在至少一个实施例中，通过连续地测量流动通过管道1的混合相流体2的流速的流量计41将流速提供给输入部39，如图1所示。可替选地，可以从外部源将流速提供给输入部39。流量计41可以是传统的流量计41，并且流量计41可以被安装在管道1上或者管道1的上游或管道1的下游。这种流量计经常在工业现场被采用，例如，用于过程控制和/或自动化。对于没有为其他目的安装这种流量计的应用，流量计41可以作为测量系统100的一部分或者作为除了测量系统100之外的部分设置并安装在管道1上。
在下文中，描述了测量系统100的各个部件的某些实施例的示例。然而，受益于本公开的本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的范围的前提下，可以可替选地使用能够执行对应部件的功能的这些部件中的一个或多个的可替选实施例。
在图1中示出的示例性实施例中，插入件3包括插入基部43，该插入基部43封闭(例如，密封)管道1中的开口37。插入基部43可以包括安装板45，用于将插入件3可逆地安装到在管道1上设置的对应配对件上。在某些实施例中，安装板45可以包括压缩配件、凸缘安装件或合适的过程连接件，用于可逆地附接到本领域已知的过程。在一个实施例中，第一探针15被安装在插入基部43上，使得探针尖端19通过插入基部43延伸到测量室5中。
如图1所示，分离膜7可以由支撑件47支撑和保持。支撑件47可以被安装在插入基部43的面向管道1内部的内表面上。支撑件47可以包括围绕测量室5的基本圆柱形的框架，并且具有穿过该框架的至少一个开口49，该开口将测量室5的内部连接到管道1的环境。在具有一个分离膜7的实施例中，每个开口49可以被分离膜7的部分覆盖或填充。在具有多于一个分离膜7的实施例中，分离膜7中的每个可以被安装到由支撑件47并由支撑件保持。在这样的实施例中，每个开口49可以由附接到围绕相应开口49的框架部分的分离膜7中的一个进行填充。
收集器9可以包括漏斗形(例如，倾斜)通道51，该通道将环形收集器入口53连接到排放装置11，收集器入口53位于测量室5的与插入基部43相对的底端处或附近。如图1所示，具有排放装置11的收集器9可以被设置在测量腔5的与插入基部43相对的下方。在这样的实施例中，收集器9可以限定测量腔5的一侧，并且插入基部43可以限定具有在其间设置的支撑件47的测量室5的另一侧。支撑件47可以附接到插入基部43、收集器9或这两者。在某些实施例中，支撑件47可以被捕获(例如，安装)在插入基部43与收集器9之间但不附接到任一者。
第二探针17可以被安装到插入件3上，使得探针尖端21延伸穿过收集器9的壁并其延伸到排放装置11中。将第二探针17连接到位于管道1外部的激发光生成和信号评估单元13的光缆23可以延伸穿过插入基部43。
第一探针15和第二探针17各自可以是本领域已知的常规拉曼探针。图2示出了第一探针15的示例性示意图，并且图3示出了第二探针17的示例性示意图。两个探针15、17都包括激发透镜55，该激发透镜55经由对应的激发光纤25准直发送到探针15、17的激发光。两个探针15、17还包括：带通过滤器57，该带通过滤器57过滤准直激发光；以及反射镜59，该反射镜将过滤后的激发光反射到光束组合器61上。在第二探针17中，组合器61将激发光沿反向传播路径63引导到聚焦物镜67。
在第一探针15中，组合器61将激发光沿反向传播路径63引导到聚焦物镜65。在第一探针15和第二探针17两者中，聚焦物镜65、67分别将激发光聚焦到测量室5内的气体样品或排放装置11内的液体样品中，并且收集从样品发出的拉曼信号。然后，拉曼信号在沿着反向传播路径63的返回路径上被发送通过组合器61，并且在被收集透镜71聚焦到对应的收集光纤27上之前被陷波过滤器69过滤。
第一探针15可以是专门被构造成用于气态样品的拉曼光谱测量的探针。这种类型的拉曼探针例如描述于通过引用结合于本文的US 7,692,786 B2和US 8,824,042 B2中，并由Kaiser Optical Systems Inc.以产品名Airhead TM销售。在这样的实施例中，第一探针15的聚焦物镜65可以包括第一表面镜73、77，如图3所示，或者反射器79、81、83，如图4所示，用于聚焦和准直光。代替透镜使用第一表面镜73、77或反射器79、81、83减少了背景噪声和不期望的伪影。第一表面镜73、77或反射器79、81、83可以被布置使得它们将激发光捕获在聚焦物镜65内。在这样的实施例中，第一表面镜73、77或反射器79、81、83防止激发光与测量室5的内表面相交，从而消除由这种相交引起的不期望的背景信号。
在两个方面，可以使用US 7,692,786 B2中描述的且在图2中示出的聚焦物镜。在这样的实施例中，物镜65包括第一镜73，该第一镜73可以是离轴抛物线，其接收沿共同传播路径63直接或经由折叠镜75发送的激发光。物镜65还可以包括第二镜77，该第二镜77可以具有球形表面，其通过气体样品内的相同焦点将激发光重新成像，其中激发光由第一镜73重新准直并返回到共同传播路径63。因为气态样品通常在光学上非常清晰，所以返回路径上的第二焦点有效地使激发功率加倍。此外，用于拉曼信号的收集孔径也有效地加倍，因为在第二镜77的方向上发射的拉曼信号也将被收集并成像回到对应的收集光纤27。
在可替选实施例中，第一探针15的聚焦物镜65可以如US 8,824,042 B2中所描述的并在图4中示出的那样结构化。在这样的实施例中，聚焦物镜65包括反射器79、81、83，这些反射器被构造成提供位于测量室5内的第一焦点f1和位于测量室5内的第二焦点f2，致使聚焦在焦点中的一个上的入射激发光被多次反射并重新聚焦到交替的焦点上，使得激发光的数值孔径在被收集之前逐渐增加并且沿共同传播路径63以拉曼信号返回。在这样的实施例中，多个回射产生来自多个焦点的拉曼发射的更高效率收集。在聚焦物镜65的某些实施例中，第一焦点f1可以是实焦点，并且第二焦点f2可以是实焦点或虚焦点。
第一探针15还可以被构造成减少沿第一探针15内的信号路径累积的不期望的信号噪声，例如，在US 7,692,786 B2中描述的并且在图2中示出。在这方面，带通过滤器57可以包括在基板S上的过滤涂层F，反射镜59可以包括在基板S上的反射涂层R，并且光束组合器61可以包括在基板上的组合涂层C。涂层F、R和C中的每一个可以包括低背景材料。在一个实施例中，过滤涂层F、反射涂层R和组合涂层C可以被定向成使得在激发光被发送到样品中之前，激发光在被带通过滤器57的过滤涂层F过滤之后不会穿过带通过滤器57、反射镜59或组合器61的基板S。所发送的激发光可以基本整体地被如上所述的聚焦物镜65重新收集，并且由组合涂层C和反射涂层R重新引导回通过过滤涂层F，从而避免以其它方式由组合器基板S和反射镜基板S生成的背景信号。
第二探针17可以是被构造成用于液体样品的拉曼光谱测量的探针。例如，如图3所示，第二探针17的聚焦物镜67可以包括至少一个透镜85，该至少一个透镜85将激发光聚焦到位于排放装置11内部的液体样品上并收集从其发出的拉曼信号。第二探针17的探针尖端21可以通过隔离窗口87将内部具有聚焦物镜67的探针尖端21从排放装置11的内部分开。在这样的实施例中，激发光通过窗口87被发送到液体样品中，并且拉曼信号通过隔离窗口87被接收。隔离窗口87可以是透过激发光和拉曼信号的蓝宝石窗口或其他合适的材料。
在其中第二探针17被设置在插入件3中(例如，在收集器9中)的实施例中，第二探针17在尺寸上可以小于第一探针15。这种减小的尺寸可以通过使用例如在通过引用结合于的US 6,907,149 B2中描述的一个或多个介电元件以及光学配置来实现。在这样的实施例中，光束组合器61和陷波过滤器69可以是介电边缘过滤器。此外或可替选地，反射镜59和光束组合器61可以以20度或更小的角度α被支撑。
虽然本文已相当详细地描述了用于测量混合相流体的材料成分的光谱测量系统及其使用和构造方法的各种实施例，但这些实施例仅通过本文描述的公开内容的非限制性示例的方式提供。因此，应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以进行各种改变和修改，并且可以用等同物替换其元件。本公开并非旨在穷举或限制本公开的主题的范围。
此外，在描述代表性实施例中，本公开可以将方法和/或过程呈现为特定的步骤序列。然而，就方法或过程不依赖于本文提出的特定步骤顺序而言，该方法或过程不限于所描述的特定步骤顺序。其他步骤序列可以是可能的并且仍然在本公开的范围内。

Claims (15)

1.一种光谱测量系统，用于测量流动通过过程管道的混合相流体的材料成分，所述流体具有在液相中分散的气相或反之亦然，所述测量系统包括：
插入件，所述插入件被构造成插入到所述管道中，所述插入件包括：
测量室，所述测量室在至少一侧由相分离膜限定，所述相分离膜适于使流动通过所述管道的所述流体的所述气相能够扩散进入所述测量室和离开所述测量室，并且适于促进所述流体的所述液相在所述测量室外部的聚结，其中，所述测量室内的所述气相限定气体样品；以及
收集器，所述收集器设置成邻近于所述测量室，使得来自所述测量室外部的聚结液体排放到所述收集器中，其中，所述收集器包括与所述管道流体连通的排放装置，使得由所述收集器收集的聚结液体流动通过所述排放装置并返回到所述管道的流体流，并且其中，流动通过所述排放装置的所述聚结液体限定液体样品；
第一探针，所述第一探针安装在所述插入件上，所述第一探针包括第一探针尖端，所述第一探针尖端延伸到所述测量室中并被构造成将激发光发送到所述测量室中并接收从测量室内的所述气体样品发出的气体拉曼信号；
第二探针，所述第二探针安装在所述插入件上，所述第二探针包括第二探针尖端，所述第二探针尖端延伸到所述排放装置中并被构造成将激发光发送到所述排放装置中并接收从流动通过所述排放装置的所述液体样品发出的液体拉曼信号；以及
激发光生成和信号评估单元，所述激发光生成和信号评估单元被构造成生成激发光、将所述激发光提供给所述第一探针和所述第二探针、接收来自所述第一探针的所述气体拉曼信号和来自所述第二探针的所述液体拉曼信号、并且基于所述液体拉曼信号和/或来自所述第一探针的所述气体拉曼信号来确定所述流体的材料成分。
2.根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述激发光生成和信号评估单元还被构造成，通过确定所述气相和所述液相中至少一者的一种或多种组分的存在和/或确定所述气相和所述液相中至少一者的两种或更多种组分的相对量或浓度，来确定所述流体的材料成分。
3.根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述激发光生成和信号评估单元包括输入部，所述输入部被构造成通过测量流速的流量计接收发送到所述激发光生成和信号评估单元的流动通过所述管道的所述流体的流速，并且
其中，所述激发光生成和信号评估单元还被构造成确定所述流体的一组预定组分的相对量或浓度，并且基于所确定的所述一组预定组分的相对量或浓度以及经由所述输入部提供的流速来确定所述流体的能量含量。
4.根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述相分离膜由化学惰性膜材料、膨胀聚四氟乙烯或纺粘的二氧化硅制成。
5.根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述激发光生成和信号评估单元包括：
激发光生成器，所述激发光生成器适于生成所述激发光并将所述激发光发送到所述第一探针和所述第二探针，其中，所述激发光是波长在300nm到1.5μm之间的单色光或波长在770nm到790nm之间的单色光；
评估单元，所述评估单元被构造成分析拉曼光谱，并且基于所述拉曼光谱来确定所述混合相流体的材料成分；以及
光谱仪，所述光谱仪被构造成接收从所述第一探针和所述第二探针发送的所述气体拉曼信号和所述液体拉曼信号、从所述气体拉曼信号和所述液体拉曼信号中过滤拉曼散射光、并且将所述拉曼散射光分散成不同的波长，其中，所述光谱仪包括检测器，所述检测器适于检测作为波长的函数的所述拉曼散射光的强度，并将由此获得的所述拉曼光谱提供给所述评估单元，
其中，所述第一探针经由第一光缆连接到所述激发光生成和信号评估单元，所述第一光缆包括：至少一个激发光纤，所述激发光纤适于将来自所述激发光生成器的所述激发光发送到所述第一探针；以及至少一个收集光纤，所述收集光纤适于将由所述第一探针接收的所述拉曼信号发送到所述检测器，和/或
其中，所述第二探针经由第二光缆连接到所述激发光生成和信号评估单元，所述第二光缆包括：至少一个激发光纤，所述激发光纤适于将来自所述激发光生成器的所述激发光发送到所述第二探针；以及至少一个收集光纤，所述收集光纤适于将由所述第二探针接收的所述拉曼信号发送到所述检测器。
6.根据权利要求1所述的测量系统，其中：
所述插入件包括插入基部，所述插入基部被实施为封闭所述管道中的开口，所述插入基部包括用于将所述插入件附接到所述管道的安装件；并且
所述第一探针附接到所述插入基部，使得所述第一探针尖端穿过所述插入基部延伸到所述测量室中。
7.根据权利要求1所述的测量系统，其中：
所述插入件包括多个开口和多个相分离膜，每个所述相分离膜安装有支撑件，所述支撑件包括限定所述测量室的基本圆柱形的框架并且在所述测量室的内部与所述管道的内部之间具有至少一个开口；并且
所述支撑件中的每个开口被所述多个相分离膜中的至少一个的至少一部分覆盖或填充。
8.根据权利要求1所述的测量系统，其中：
所述收集器包括将收集器入口连接到所述排放装置的通道；并且
所述收集器被设置邻近于所述测量室，使得所述聚结液体经由所述收集器入口和通道流动到所述排放装置中。
9.根据权利要求1所述的测量系统，其中：
所述插入件包括插入基部，所述插入基部被实施为覆盖所述管道中的开口，所述插入基部限定所述测量室的一侧并且包括附接到所述插入基部并适于支撑所述相分离膜的支撑件；并且
所述收集器连接到所述支撑件的与所述插入基部相对的端部，使得所述收集器限定所述测量室的与所述插入基部相对的相对侧。
10.根据权利要求1所述的测量系统，其中：
所述插入件包括插入基部，所述插入基部封闭所述管道中的开口，所述插入件通过该开口插入所述管道中；
所述第二探针安装到所述插入件，使得所述第二探针尖端延伸穿过所述收集器的壁并进入所述排放装置的内部；并且
所述第二探针经由延伸穿过所述插入基部的光缆连接到设置在管道外部的所述激发光生成和信号评估单元。
11.根据权利要求1所述的测量系统，其中：
所述第一探针包括聚焦物镜，所述聚焦物镜包括第一表面镜或反射器，所述第一表面镜或反射器被实施和布置成将所述激发光聚焦到所述测量室中的所述气体样品上并收集从所述气体样品发出的所述拉曼信号；
所述第一表面镜或反射器被布置成将所述激发光捕获在所述聚焦物镜内；和/或
所述反射器生成位于所述测量室内的第一焦点和位于所述测量室内的第二焦点，致使聚焦到所述第一焦点或所述第二焦点中的一个上的入射激发光被多次反射并重新聚焦到所述第一焦点或所述第二焦点中的另一个上，交替焦点使得所述激发光的数值孔径在所述激发光与从所述气体样品发出的所述拉曼信号一起被收集之前逐渐增加，其中，所述第一焦点是实焦点，且所述第二焦点是实焦点或虚焦点。
12.根据权利要求1所述的测量系统，其中：
所述第一探针包括：
激发透镜，所述激发透镜适于准直发送到所述第一探针的所述激发光；
带通滤波器，所述带通滤波器在带通基板上具有滤波涂层，并适于过滤准直的激发光；
反射镜，所述反射镜包括在反射镜基板上的反射涂层，并被构造成将过滤后的激发光反射到光束组合器上，所述光束组合器被构造成沿反向传播路径将所述激发光引导到聚焦物镜，其中，所述聚焦物镜适于将所述激发光聚焦到所述测量室内的所述气体样品上并收集从所述气体样品发出的所述拉曼信号，其中，所述光束组合器包括在组合器基板上的组合涂层；
陷波滤波器，所述陷波滤波器适于过滤沿所述反向传播路径返回通过所述光束组合器的所收集的拉曼信号；以及
收集透镜，所述收集透镜适于将过滤后的所收集的拉曼信号聚焦到收集光纤中，所述收集光纤被构造成将所收集的拉曼信号发送到所述激发光生成和信号评估单元，
其中，所述滤波涂层、所述反射涂层和所述组合涂层被定向使得所述激发光在被发送到所述气体样品上之前且在被所述带通滤波器的所述滤波涂层过滤之后不会穿过所述带通基板、所述反射镜基板或所述组合基板，并且
其中，发送的激发光基本整体地被所述聚焦物镜收集，并由所述组合涂层和所述反射涂层重新引导通过所述滤波涂层。
13.根据权利要求1所述的测量系统，其中：
所述第二探针包括：
激发透镜，所述激发透镜适于准直发送到所述第二探针的激发光；
带通滤波器，所述带通滤波器适于过滤经准直的激发光；
反射镜，所述反射镜被构造成将过滤的激发光反射到光束组合器上，所述光束组合器被构造成沿反向传播路径将所述激发光引导到聚焦物镜，其中，所述聚焦物镜适于将所述激发光聚焦到所述排放装置内的所述液体样品上并收集从所述液体样品发出的所述拉曼信号；
陷波滤波器，所述陷波滤波器适于过滤沿所述反向传播路径返回通过所述光束组合器的所收集的拉曼信号；以及
收集透镜，所述收集透镜适于将过滤后的所收集的拉曼信号聚焦到收集光纤中，所述收集光纤被构造成将所收集的拉曼信号发送到所述激发光生成和信号评估单元，
其中，所述光束组合器和所述陷波滤波器是电介质边缘滤波器。
14.根据权利要求1所述的测量系统，其中：
所述第二探针的所述第二探针尖端由隔离窗口盖住，所述隔离窗口分隔所述第二探针尖端的内部，所述第二探针尖端包括聚焦物镜，所述聚焦物镜适于将所述激发光聚焦到所述排放装置内的所述液体样品上并收集从所述液体样品发出的所述拉曼信号；并且
所述隔离窗口是蓝宝石窗口或透过所述激发光和所述拉曼信号的其他窗口。
15.根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述第二探针在尺寸上小于所述第一探针。
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