RU10462U1

RU10462U1 - LASER GAS ANALYZER

Info

Publication number: RU10462U1
Application number: RU99100671/20U
Authority: RU
Inventors: С.М. Вовк; В.И. Власов; А.В. Третьяков; С.В. Кондратов; В.Л. Мусихин; А.М. Жадобин; А.К. Гаврилин; Б.Г. Мартыненко; В.Н. Позняк
Original assignee: Предприятие по транспортировке и поставкам газа "Уралтрансгаз"
Priority date: 1999-01-19
Filing date: 1999-01-19
Publication date: 1999-07-16

Abstract

Лазерный газоанализатор, содержащий систему отбора газа на анализ, аналитическую кювету и оптически с ней связанные твердотельный лазер с накачкой, линзы, зеркала и спектральный фильтр для формирования входного и выходного потоков излучения, спектральный прибор, приемник излучения, а также систему регистрации, электрически соединенную с приемником излучения, и ЭВМ для обработки и отображения данных и управления лазерным анализатором, отличающийся тем, что твердотельный лазер используют с диодной накачкой, в качестве спектрального фильтра применен сдвоенный голографический фильтр, в качестве спектрального прибора используют полихроматор с вогнутой дифракционной решеткой, а в качестве приемника излучения - фотодиодные линейки.A laser gas analyzer containing a gas sampling system for analysis, an analytical cell, and an optically coupled pumped solid-state laser, lenses, mirrors, and a spectral filter for generating input and output radiation streams, a spectral device, a radiation receiver, and a recording system electrically connected to radiation receiver, and a computer for processing and displaying data and controlling a laser analyzer, characterized in that the solid-state laser is used with diode pumping as a spectral fil tra dual holographic filter used in the spectral instrument is used polychromator with a concave diffraction grating, and a radiation receiver - photodiode line.

Description

Лазерный газоанализаторLaser gas analyzer

Полезная модель относится к аналитическому приборостроению и может быть иснользовано для определения компонентного состава и расчета физических параметров природного газа в системах газоизмерительных и газораспределительных станций , а также в АСУ ТП промышленных предприятий .The utility model relates to analytical instrumentation and can be used to determine the composition and calculation of the physical parameters of natural gas in gas measuring and gas distribution stations, as well as in process control systems of industrial enterprises.

Известен универсальный лазерный спектрометр , содержащий три лазера и оптически сопряженные с ними оптическую систему , включающую аналитическую кювету для образца , выполненную не менее чем с двумя входными и тремя выходными оптическими окнами , линзы и зеркала для формирования потоков излучения , спектральный прибор, приемник излучения и систему регистрации , электрически соединенную с приемником излучения и лазерами (см. патент РФ № 1780407, приор. 09.01.91г. ,G01N 21/25, 21/27).A universal laser spectrometer is known, which contains three lasers and an optical system optically coupled to them, including an analytical sample cuvette with at least two input and three output optical windows, lenses and mirrors for generating radiation fluxes, a spectral device, a radiation receiver, and a system registration, electrically connected to the radiation receiver and lasers (see RF patent No. 1780407, prior. 01/09/91, G01N 21/25, 21/27).

Настоящий спектрометр позволяет реализовать не менее шести методов спектроскопии для исследования газа и твердого тела , но с его помощью невозможно проводить анализ состава многокомпонентных газовых смесей , имеющих перекрывающиеся спектры комбинационного рассеяния , и определять показатели качества анализируемой газовой смеси .This spectrometer allows implementing at least six spectroscopy methods for studying gas and a solid, but with its help it is impossible to analyze the composition of multicomponent gas mixtures having overlapping Raman spectra and to determine the quality indicators of the analyzed gas mixture.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели является лазерный газоанализатор состава и параметров природного газа , состоящий из системы отбора газа на анализ , аналитической кюветы с линзами , зеркалами и спектральным фильтром для формирования входного и выходного потоков излучения , твердотельного непрерывного лазера для возбуждения спектра КРС ,спектрального прибора монохроматора , приемника излучения - фотоэлектронного умножителя , системы регистрации , электрически соединенной с фотоэлектроннымClosest to the claimed utility model is a laser gas analyzer of the composition and parameters of natural gas, consisting of a gas sampling system for analysis, an analytical cell with lenses, mirrors and a spectral filter to form the input and output radiation flows, a solid-state continuous laser for exciting the Raman spectrum, a spectral device monochromator, radiation receiver - photomultiplier tube, registration system electrically connected to the photoelectron

умножителем, и ЭВМ для обработки и отображения данных и унравления лазерным анализатором (см.Материалы Научно-технического совета РАО Газнром О ходе работ по созданию единой автоматизированной системы учета расхода газа Калининград , июнь 1996г., Москва 1996 , стр.47-50).a multiplier, and computers for processing and displaying data and equating them with a laser analyzer (see Materials of the Scientific and Technical Council of RAO Gaznrom On the progress of creating a unified automated gas flow metering system Kaliningrad, June 1996, Moscow 1996, pp. 47-50).

При испытании известного газоанализатора выявились некоторые недостатки , а именно недостаточная надежность прибора , сложность его обслуживания и обеспечения взрывобезопасности , значительное время измерения спектра , недостаточная сходимость и воспроизводимость измерений , необходимость применения для лазера охлаждающей воды , наличие ошибок в измерениях температуры и давления газа .When testing the well-known gas analyzer, some shortcomings were revealed, namely, insufficient reliability of the device, complexity of its maintenance and explosion safety, significant spectrum measurement time, insufficient convergence and reproducibility of measurements, the need to use cooling water for the laser, and errors in gas temperature and pressure measurements.

Технической задачей , на решение которой направлена полезная модель , является повышение точности и скорости измерений компонентного состава и параметров смеси газов в режиме непрерывного и периодического анализа.The technical problem to which the utility model is directed is to increase the accuracy and speed of measurements of the component composition and parameters of the gas mixture in the mode of continuous and periodic analysis.

Поставленная техническая задача решается за счет того , что в лазерном газоанализаторе , содержашем систему отбора газа на анализ , аналитическую кювету и оптически с ней связанные , твердотельный лазер с накачкой , линзы , зеркала и спектральный фильтр для формирования входного и выходного потоков излучения, , спектральный прибор , приемник излучения , а также систему регистрации , электрически соединенную с приемником излучения, и ЭВМ для обработки и отображения данных и управления лазерным анализатором , согласно заявленной полезной модели , аналитическая кювета выполнена многоходовой с числом ходов не менее 25 , твердотельный лазер используют с диодной накачкой , в качестве спектрального фршьтра применен сдвоенный голографический фильтр, в качгс -- спектральногоThe stated technical problem is solved due to the fact that in the laser gas analyzer containing the gas sampling system for analysis, an analytical cell and optically coupled it, a solid-state pumped laser, lenses, mirrors and a spectral filter to form the input and output radiation fluxes, a spectral device , a radiation receiver, as well as a registration system electrically connected to the radiation receiver, and a computer for processing and displaying data and controlling the laser analyzer, according to the claimed useful mode whether analytical cuvette performed with the number of multi-port moves no less than 25, a solid-state laser is used with a diode pumped, as a spectral frshtra dual holographic filter used in kachgs - Spectral

прибора используют полихроматор с вогнутой дифракционной решеткой , а в качестве приемника излучения - фотодиодные линейки .the instrument uses a polychromator with a concave diffraction grating, and photodiode arrays as a radiation detector.

Выполнение газовой кюветы с числом ходов не менее 25 позволяет без увеличения мощности источника излучения повысить сигнал до уровня, когда квантовая дисперсия сигнала не будет влиять на результаты измерения по сходимости и воспроизводимости .The execution of a gas cell with a number of strokes of at least 25 allows without increasing the power of the radiation source to increase the signal to a level where the quantum dispersion of the signal does not affect the measurement results for convergence and reproducibility.

Применение твердотельного лазера с диодной накачкой позволяет увеличить ресурс работы газоанализатора с 200 ч- 500 час. до 10 000 час. и отказаться от водяного охлаждения лазера , заменив его воздушным .The use of a solid-state laser with diode pumping allows you to increase the life of the gas analyzer from 200 hours to 500 hours. up to 10,000 hours. and abandon the water cooling of the laser, replacing it with air.

Для подавления рэлеевской составляющей в спектре рассеянного излучения устанавливается сдвоенный голографический фильтр позволяющий повысить точность измерений .To suppress the Rayleigh component in the spectrum of scattered radiation, a double holographic filter is installed to improve the measurement accuracy.

Использование вместо монохроматора с фотоэлектронным умножителем полихроматора с вогнутой дифракционной решеткой и многоканальной системой регистрации сигнала на фотодиодных линейках позволяет снять требования по стабилизации мошпости источника излучения и исключает из общей погрешности измерения случайные ошибки в измерениях температуры и давления газа .The use of a polychromator with a concave diffraction grating and a multichannel signal registration system on photodiode arrays instead of a monochromator with a photoelectronic multiplier makes it possible to remove the requirements for stabilizing the fraciousness of the radiation source and eliminates random errors in gas temperature and pressure measurements from the total measurement error.

При многоканальной системе регистрации отсутствует перемещение дифракционной решетки при сканировании спектра , что значительно повышает надежность прибора в эксплуатации и упрощает его обслуживание .With a multi-channel recording system, there is no movement of the diffraction grating during spectrum scanning, which significantly increases the reliability of the device in operation and simplifies its maintenance.

Замена фотоэлектронного умножителя на фотодиодные линейки позволяет исключить из прибора высоковольтный блок питания , что упрощает задачу по обеспечению взрывобезопасности прибора в целом .Replacing the photomultiplier tube with photodiode arrays makes it possible to exclude the high-voltage power supply from the device, which simplifies the task of ensuring the explosion safety of the device as a whole.

Па фиг. изображена упрощенная схема лазерного газоанализатора .Pa fig. A simplified diagram of a laser gas analyzer is shown.

волны излучения 532 нм , фокусирующий объектив 2 , аналитическую газовую проточную кювету 3, снабженную системой зеркал , подогревателем газа и датчиком температуры , газовую систему 4 для отбора пробы газа из газопровода , очистки от механических и капельножидкостных загрязнений и транспортировки в аналитическую кювету , конденсорный объектив 5 с относительным отверстием 1 : 6 для сбора рассеянного в исследуемом объеме газа выходного потока излучения, установленное по другую сторону кюветы 3 , сферическое зеркало 6 с центром кривизны в точке фокусировки возбужденного излучения , для использования света , рассеянного в противоположном от объектива 5 направлении , расположенные после объектива 5 фильтрующий собранное излучение от рэлеевской составляющей голографический фильтр 7, деполяризующий клин 8 и полихроматор 9 с вогнутой голографической дифракционной решеткой 10 и входной щелью 11, приемный блок 12 , содержащий узел оптического согласования 13 , распределительный элемент 14 и фото диодные линейки 15 с внещним воздущным охлаждением , а также систему регистрации 16 , включающую модуль цифровой обработки зарегистрированного приемником излучения сигнала, модуль цифровой обработки сигналов датчиков и управления узлами лазерного анализатора , модуль связи с ЭВМ и ЭВМ 17 для обработки и отображения данных , расчета по программе параметров газа и управления лазерным газоанализатором .radiation waves of 532 nm, a focusing lens 2, an analytical gas flow cell 3 equipped with a mirror system, a gas heater and a temperature sensor, a gas system 4 for sampling gas from a gas pipeline, purifying mechanical and drip-liquid contaminants and transporting it to an analytical cell, condenser lens 5 with a relative aperture of 1: 6 for collecting the output radiation flux scattered in the test volume of gas, mounted on the other side of the cell 3, a spherical mirror 6 with the center of curvature at the point f pieces of excited radiation, for using light scattered in the opposite direction from the lens 5, located after the lens 5 filtering the collected radiation from the Rayleigh component, a holographic filter 7, a depolarizing wedge 8 and a polychromator 9 with a concave holographic diffraction grating 10 and an entrance slit 11, a receiving unit 12 comprising an optical matching unit 13, a distribution element 14 and photo-diode arrays 15 with external air cooling, as well as a recording system 16 including a mode ul digital processing of the signal registered by the radiation receiver, a digital signal processing module for sensors and control nodes of the laser analyzer, a communication module with a computer and a computer 17 for processing and displaying data, calculating a gas parameter program and controlling a laser gas analyzer.

Лазерный газоанализаторработает следующим образом.Laser gas analyzer operates as follows.

Возбуждающее излучение от лазера 1 фокусируется объективом 2 в центре газовой аналитической кюветы 3 . Система зеркал кюветы , обеспечивая многократное прохождение луча через точку фокусировки , образует световой жгут с перетяжкой в центре . При этом возбуждающее излучение рассеивается на молекулах газа , напускаемого в кювету 3 из газовойThe exciting radiation from the laser 1 is focused by the lens 2 in the center of the gas analytical cell 3. The system of cuvette mirrors, providing multiple passage of the beam through the focal point, forms a light tourniquet with a constriction in the center. In this case, the exciting radiation is scattered on the molecules of the gas introduced into the cell 3 from the gas

системы 4 , взаимодействуя с внутренними колебаниями этих молекул . Сбор рассеянного излучения производится нод углом 90 к оси пучка возбуждающего излучения .Рассеянное излучение собирается конденсорным объективом 5 , а свет рассеянный в противоположном от конденсора 5 направлении возвращается обратно в конденсор сферическим зеркалом 6 . Собранное перед разложением в спектр имеет в своем составе не только спектральную линию , соответствующую упругому рассеянию света без изменения его частоты , но и набор характерных для данного типа молекул линий с частотами , отличающимися от возбуждающей на величины Av , соответствующих внутренним колебаниям молекул . Поток собранного излучения направляется на голографический фильтр 7 для отделения рэлеевской составляющей , которая не несет полезной информации , а ее интенсивность на много порядков превыщает уровень комбинационных составляющих , и деполяризующий клин 8 для исключения влияния поляризационных характеристик дифракционной рещетки . Отфильтрованное излучение фокусируется на входной щели 11 полихроматора 9 таким образом , чтобы в ее плоскости формировалось изображение светящегося жгута с перетяжкой в центре параллельное щели и полностью заполняющее ее по высоте и щирине . После разложения в спектр голографической рещеткой 10 излучение , пройдя узел оптического согласования 13 и распределительный элемент 14 для сщивания соседних участков спектра, регистрируемых разными фотоприемниками , фокусируется на поверхности фото диодных линеек 15 , расположенных в приемном блоке 12 . После чего усиление и обработка данных с фотоприемника производится системой регистрации 16 , а окончательный расчет и получение результатов анализа природного газа в виде протокола измерений производится на ЭВМ 17 , который полностью автоматизируетsystem 4, interacting with the internal vibrations of these molecules. The scattered radiation is collected at a 90-degree angle to the axis of the exciting radiation beam. The scattered radiation is collected by the condenser lens 5, and the light scattered in the opposite direction from the condenser 5 is returned back to the condenser by a spherical mirror 6. Collected before decomposition into the spectrum, it includes not only the spectral line corresponding to elastic scattering of light without changing its frequency, but also a set of lines characteristic of this type of molecule with frequencies differing from the exciting one by Av values corresponding to the internal vibrations of the molecules. The flux of collected radiation is directed to a holographic filter 7 to separate the Rayleigh component, which does not carry useful information, and its intensity exceeds the level of Raman components by many orders of magnitude, and depolarizing wedge 8 to eliminate the influence of the polarization characteristics of the diffraction grating. The filtered radiation is focused on the entrance slit 11 of the polychromator 9 so that in its plane an image of a luminous bundle with a constriction in the center parallel to the slit and completely filling it in height and width is formed. After decomposition into the spectrum by a holographic grating 10, the radiation, having passed through the optical matching unit 13 and the distribution element 14 for stitching adjacent parts of the spectrum recorded by different photodetectors, focuses on the surface of the photo diode arrays 15 located in the receiving unit 12. Then amplification and processing of data from the photodetector is carried out by the registration system 16, and the final calculation and receipt of the results of the analysis of natural gas in the form of a measurement protocol is performed on a computer 17, which fully automates

весь процесс анализа и отправляет информацию по сети на компьютер диспетчера технологического процесса.the entire analysis process and sends information over the network to the computer of the process manager.

Лазерный газоанализатор обеспечивает определение концентрации азота, кислорода , водорода , сероводорода , диоксида углерода и Ci-Cg углеводородов в смеси газов в автоматическом режиме работы , а также вычисление плотности , калорийности и влажности газа .The laser gas analyzer provides the determination of the concentration of nitrogen, oxygen, hydrogen, hydrogen sulfide, carbon dioxide and Ci-Cg hydrocarbons in the gas mixture in automatic operation, as well as the calculation of the density, calorific value and humidity of the gas.

Использование заявляемой полезной модели позволяет значительноThe use of the claimed utility model allows significantly

-сократить время измерений спектра (до долей секунды);- reduce the time of spectrum measurement (up to fractions of a second);

повысить метрологические характеристики и обеспечить требования по сходимости и воспроизводимости измерений ;improve metrological characteristics and provide requirements for convergence and reproducibility of measurements;

-повысить надежность прибора и межремонтный цикл до 5 ч- 10 тыс. часов ;-increase the reliability of the device and the overhaul cycle up to 5 hours - 10 thousand hours;

-полностью автоматизировать и дистанционировать управление прибором ;-Fully automate and remote control the device;

-уменьшить затраты на монтаж и обслуживание прибора ;-reduce the cost of installation and maintenance of the device;

-обеспечить соответствие прибора требованиям взрывобезопасности.-to ensure compliance of the device with explosion safety requirements.

Claims

A laser gas analyzer containing a gas sampling system for analysis, an analytical cell, and an optically coupled pumped solid-state laser, lenses, mirrors, and a spectral filter to form the input and output radiation streams, a spectral device, a radiation receiver, and a recording system electrically connected to radiation receiver, and a computer for processing and displaying data and controlling a laser analyzer, characterized in that the solid-state laser is used with diode pumping as a spectral fil tra dual holographic filter used in the spectral instrument is used polychromator with a concave diffraction grating, and a radiation receiver - photodiode line.