RU2804987C1 - Мобильная лаборатория для определения содержания метана в воздухе - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к мобильным газоанализаторам, использующим инфракрасное излучение для определения концентрации природного газа в воздухе и предназначено для определения мест утечки газа из трубопроводов. Техническим результатом является повышение точности и стабильности результатов измерения содержания метана в воздухе при перемещении мобильной лаборатории вдоль исследуемого объекта. Мобильная лаборатория содержит пробозаборное устройство с входным отверстием, направленным навстречу набегающему потоку атмосферного воздуха, газоанализатор, сообщенный с пробозаборным устройством посредством газовой магистрали с установленными в ней фильтрами, а также насос. Пробозаборное устройство выполнено в виде пустотелого корпуса, сужающегося в направлении от входного отверстия к сплошной стенке, расположенной напротив входного отверстия. Корпус пробозаборного устройства выполнен в виде пластины трапецеидальной формы и прикрепленной к ней по всему периметру гибкой юбки, расположенной в плоскости, перпендикулярной плоскости пластины. Входное отверстие пробозаборного устройства выполнено в виде выреза части юбки в районе большей стороны пластины. Вход насоса сообщен с полостью пробозаборного устройства посредством входной трубки, продольная ось которой пересекает направление движения отбираемой среды в пробозаборном устройстве. Выход насоса сообщен посредством газовой магистрали со входом газоанализатора с возможностью нагнетания в него части отобранной среды, а также сообщен с атмосферой посредством выходной трубки с возможностью выброса в атмосферу части отобранной среды. Выход газоанализатора сообщен со входом вакуумного насоса, при этом газоанализатор обладает возможностью избирательного поглощения инфракрасного излучения молекулами метана в области длин волн 3,2-3,4 мкм. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

Description

Изобретение относится к мобильным газоанализаторам, использующим инфракрасное излучение для определения концентрации природного газа в воздухе и предназначено для определения мест утечки газа из трубопроводов.

Известна мобильная лаборатория определения содержания метана в воздухе, содержащая пробозаборное устройство с входным отверстием, направленным навстречу набегающему потоку атмосферного воздуха, газоанализатор, сообщенный с пробозаборным устройством посредством газовой магистрали с установленными в ней фильтрами, а также насос (SU1714474 A1, опуб. 23.02.1992).

Недостатком известного устройства являются недостаточная точность и стабильность измерения при перемещении лаборатории вдоль газового трубопровода, связанная с тем, что расход насоса не соответствует объему анализируемого атмосферного воздуха в районе расположения исследуемого трубопровода.

Технической проблемой является обеспечение возможно большего забора исследуемого воздуха при перемещении лаборатории для отбора из общей массы захваченного воздуха минимально возможной пробы для исследования ее в камере газоанализатора.

Техническим результатом является повышение точности и стабильности результатов измерения содержания метана в воздухе при перемещении мобильной лаборатории вдоль исследуемого объекта.

Проблема решается, а технический результат достигается тем, что мобильная лаборатория определения содержания метана в воздухе содержит пробозаборное устройство с входным отверстием, направленным навстречу набегающему потоку атмосферного воздуха, газоанализатор, сообщенный с пробозаборным устройством посредством газовой магистрали с установленными в ней фильтрами, а также насос, при этом, согласно изобретению, пробозаборное устройство выполнено в виде пустотелого корпуса, сужающегося в направлении от входного отверстия к сплошной стенке, расположенной напротив входного отверстия, при этом корпус пробозаборного устройства выполнен в виде пластины трапецеидальной формы и прикрепленной к ней по всему периметру гибкой юбки, расположенной в плоскости, перпендикулярной плоскости пластины, а входное отверстие пробозаборного устройства выполнено в виде выреза части юбки в районе большей стороны пластины, вход насоса сообщен с полостью пробозаборного устройства посредством входной трубки, продольная ось которой пересекает направление движения отбираемой среды в пробозаборном устройстве, выход насоса сообщен посредством газовой магистрали со входом газоанализатора с возможностью нагнетания в него части отобранной среды, а также сообщен с атмосферой посредством выходной трубки с возможностью выброса в атмосферу части отобранной среды, выход газоанализатора сообщен со входом вакуумного насоса, при этом газоанализатор снабжен возможностью избирательного поглощения инфракрасного излучения молекулами метана в области длин волн (3,2 - 3,4) мкм.

Технический результат достигается также тем, что входная трубка может выступать в полость пробозаборного устройства, при этом торцевая поверхность выступающей ее части заглушена, а вход в трубку выполнен посредством перепускных отверстий в боковой поверхности выступающей части трубки.

Технический результат достигается также тем, что выступающая часть трубки может быть выполнена в виде сильфона.

Изобретение поясняется при помощи чертежей:

- на фиг. 1 показана мобильная лаборатория, установленная на автомобиле, вариант размещения пробозаборного устройства под днищем автомобиля;

- на фиг. 2 показан вариант размещения пробозаборного устройства на крыше автомобиля;

- на фиг. 3 показана схема мобильной лаборатории;

- на фиг. 4 показан изометрический вид на пробозаборное устройство;

- на фиг. 5 показан продольный разрез на фиг. 4, с гладкой выступающей частью входной трубки;

- на фиг. 6 показан увеличенный местный вырез на фиг. 5 с сильфонной выступающей частью входной трубки;

- на фиг. 7 показан график, демонстрирующий спектр поглощения метана в инфракрасной области.

Мобильная лаборатория установлена на транспортное средство 1 и содержит пробозаборное устройство 2 с входным отверстием 3, направленным навстречу набегающему потоку атмосферного воздуха. Газоанализатор (ГА) 4 сообщен с пробозаборным устройством 2 посредством газовой магистрали 5 с установленными в ней фильтрами 6. В магистрали установлен центробежный насос 7, вход которого сообщен с полостью пробозаборного устройства 2 посредством входной трубки 8, продольная ось которой пересекает направление движения отбираемой среды в пробозаборном устройстве 2. Выход насоса 7 сообщен посредством газовой магистрали со входом газоанализатора 4 с возможностью нагнетания в него части отобранной среды. Выход насоса 7 сообщен также с атмосферой посредством выходной трубки 9 с возможностью выброса обратно в атмосферу части отобранной среды. Лаборатория снабжена также вакуумным насосом 10, вход которого сообщен с выходом газоанализатора 4. При этом газоанализатор 4 обладает возможностью избирательного поглощения инфракрасного излучения молекулами метана в области длин волн 3,2-3,4 мкм.

Принцип действия оптических сенсоров основан на поглощении молекулами определяемого газа энергии светового потока в ультрафиолетовой, видимой или инфракрасной области спектра.

Существующие газоанализаторы работают преимущественно в инфракрасной (ИК) области спектра.

Инфракрасные сенсоры не изменяют газовый состав пробы, и им не требуется для работы присутствие кислорода. Выходной сигнал ИК-сенсора не зависит от скорости потока контролируемого воздуха, но на результат измерения может влиять давление и температура. У таких сенсоров большой срок службы при условии отсутствия коррозии, загрязнения или механического повреждения.

Физический смысл процесса заключается в том, что эти газы поглощают инфракрасные лучи с определенной длиной волны. Так, например, оксид углерода поглощает инфракрасные лучи с длиной волны 4,7 мкм, углеводороды - 3,4 мкм, диоксид углерода - 4,25 мкм. Следовательно, с помощью детектора, чувствительного к инфракрасным лучам с определенной длиной волны, можно определить степень их поглощения при прохождении анализируемой пробы, в результате чего можно установить концентрации того или иного компонента.

Спектр поглощения метана в инфракрасной области соответствует длине волны (3,2 - 3,4) мкм, что иллюстрируется на прилагаемой фиг. 7.

Пробозаборное устройство 2 выполнено в виде пустотелого корпуса, сужающегося в направлении от входного отверстия 3 к сплошной стенке, расположенной напротив входного отверстия 3. При этом корпус пробозаборного устройства 2 выполнен в виде пластины 11 трапецеидальной формы и прикрепленной к ней по всему периметру гибкой юбки 12, расположенной в плоскости, перпендикулярной плоскости пластины 11. Входное отверстие 3 пробозаборного устройства 2 выполнено в виде выреза части юбки 12 в районе большей стороны пластины 11.

Входная трубка 8 может выступать в полость пробозаборного устройства 2, при этом торцевая поверхность 13 выступающей ее части в полость заглушена, а вход в трубку 8 выполнен посредством перепускных отверстий 14 в боковой поверхности выступающей части трубки 8.

Выступающая в полость часть трубки 8 может быть выполнена в виде сильфона 15.

Мобильная лаборатория предназначена для решения следующих задач:

а. предупреждение чрезвычайных ситуаций, связанных с нарушением герметичности газопровода;

б. снижение потерь при транспортировке природного газа по газопроводам;

в. поддержание сетей газопроводов в исправном состоянии;

г. обеспечение безопасных методов проведения работ по обследованию газопроводов, согласно всем нормам и правилам в области охраны труда и промышленной безопасности;

д. точное определение количества содержания метана в воздухе;

е. увеличение объёмов выполняемых работ.

Благодаря установке лаборатории на транспортное средство (автолаборатория) стало возможным обследовать газопровод на предмет утечек газа в постоянном режиме в движении, при любых погодных условиях, охватывая большой радиус, а не точечно в конкретном месте.

Конструкция позволяет не только формировать и направлять поток пробы воздуха в одну точку, а также отделять мелкие гранулы загрязняющих элементов, которые могу повлиять на результат анализа, но и осушать от влаги специально сконструированным фильтрующим элементом.

Система для мониторинга утечек газа из подземного газопровода может быть использована при эксплуатации и контроле технического состояния газовых трубопроводов. В системе для мониторинга утечек газа контроль осуществляется с транспортного средства, двигающегося вдоль трассы газопровода.

При этом транспортное средство имеет устройство обеспечения постоянной привязки его местоположения к местности для согласования показаний газоанализатора 4 с точным географическим положением точек утечки.

Чтобы осуществить анализ состава воздуха при движении необходимо прокачивать пробу воздуха в непрерывном режиме через малую камеру, где находится сенсор анализируемый воздух.

В процессе движения автолаборатории проба воздуха попадает через входное отверстие 3 в пробозаборное устройство 2, поднимается в систему с помощью центробежного насоса 7 по входной трубке 8. Часть пробы с частицами пыли и грязи выбрасывается обратно в атмосферу по выходной трубке 9. По магистрали 5 проба идет через блок фильтров 6 при помощи вакуумного насоса 10 и проходит через газоанализатор 4, подключенный к персональному компьютеру (ПК) с заранее установленным программным обеспечением (ПО) для вывода данных на цифровой носитель. В системе установлен также мановакуумметр 16, который служит для контроля степени загрязнения блока фильтров 6. Компактность устройства позволяет устанавливать его на шасси любого автомобиля.

Принцип действия ГА 4 основан на избирательном поглощении инфракрасного излучения молекулами метана в области длин волн (3,2 - 3,4) мкм. Инфракрасное излучение источника (черного тела) проходит через измерительную газовую кювету (на чертежах не показана), через которую прокачивается исследуемый газ, проходящий через электрически управляемый спектральный фильтр, спектр пропускания которого согласован со спектром поглощения измеряемого газа, и затем попадает на фотоприемник, стабилизируемый по чувствительности за счет стабилизации по температуре термоэлектрической батареей (элемент Пельтье). Пропускание спектрального фильтра в зависимости от приложенного управляющего электрического сигнала либо накладывается, либо не совпадает со спектром поглощения метана. Таким образом, на приемнике возникает сигнал с частотой модуляции управляющего сигнала, амплитуда модуляции которого описывается в соответствии с выражением:

,

где:

(λ) - коэффициент поглощения на заданной длине волны;

- оптическая длина кюветы;

- измеряемая концентрация газа;

- амплитуда сигнала на фотоприемнике в момент совпадения положения электрически управляемого спектрального фильтра со спектральной областью поглощения метана;

- амплитуда сигнала на фотоприемнике в момент несовпадения положения электрически управляемого спектрального фильтра со спектральной областью поглощения метана.

Искомая концентрация газа находится по формуле:

Используемый спектрально-корреляционный метод регистрации позволяет устранить влияние паров воды, загрязнения оптических элементов и прочих неселективных помех (в том числе прочих углеводородных соединений), а также нестабильности, связанные с оптоэлектронными элементами ГА.

Выполнение пробозаборного устройства 2 с расширенной входной стороной, в которой возможно выполнение широкого входного отверстия 3 позволяет увеличить область захвата воздуха для повышения вероятности обнаружения в воздухе метана. Наличие центробежного насоса 6 позволяет обеспечить больший расход воздуха через пробозаборное устройство 2, также для обеспечения большей вероятности обнаружения метана за счет увеличения количества захваченного воздуха. При этом лишнее количество воздуха выбрасывается обратно в атмосферу. Вакуумный насос 10 в этом случае освобождается от функций прокачки больших расходов воздуха и предназначен только для прокачки его малых порций. Направление входного отверстия 3 навстречу набегающему потоку во время движения транспортного средства 1 преследует те же указанные выше цели. Наличие гибкой юбки 12, прикрепленной к пластине 11 с помощью крепления 17 уменьшает вероятность поломки пробозаборного устройства 2 при максимальном его приближении к дорожному полотну.

Кроме того, проба воздуха, поступающая в камеру газоанализатора 4, должна быть очищена от пыли, грязи и влажности, так как всё это создаёт помехи сенсору и влияет на точность измерений.

В передвижной системе фиг. 1 анализа наличия метана описываемой конструкции поток воздуха очищается и осушается в блоке фильтров 6 и разделяется в центробежном насосе 6 и выбрасывается в атмосферу по выходной трубке 9.

Это позволяет газоанализатору 4 высокой чувствительности работать штатно и в режиме непрерывного времени передавать точные данные на компьютер для обработки с помощью программного обеспечения GasEx.

Стабильность работы газоанализатора 4 обеспечивается за счет определенного оптимального объема пробы, который зависит от площади входного отверстия 3 пробозаборного устройства и диаметра сильфонной (гофрированной) трубки 15 или (диаметра трубки 8) куда поступает воздух, направляемый далее через блок фильтров 6 в газоанализатор 4.

Поток воздуха через систему отбора пробы (пробозаборное устройство представлено на фиг. 2) можно отрегулировать соотношением проходных сечений магистрали 5 и мощностью вакуумного насоса 10. При этом вакуумные насосы выпускаются промышленностью разной мощности, В стандартном исполнении мощность насоса прямо пропорциональна диаметру его фитингов. Подбор диаметра трубопровода пневмосистемы проводился опытным путем. Был выведен коэффициент зависимости диаметра трубки пробозаборного устройства, который рассчитывается по формуле √Vx2, где V - скорость движения автолаборатории. В основном автолаборатория движется в городском потоке со скоростью (20 - 40) км/час. На основании этих данных рассчитан оптимальный диаметром трубки 8 пробозаборного устройства 2. (√20x2=8,94 мм; √40ч2=12,6 мм). Так как на рынке диаметр трубок имеет стандартный размер, то производится выбор наиболее близких к расчётным диаметрам. Для достижения более точного и оптимального результата были выбраны трубки d10/12. Так же подбирается вакуумный насос 10, рассчитанный на такие диаметры входных-выходных фитингов. Скорость до 40 км/ч оптимальна для более точного анализа в связи с привязкой к месту утечки по точке геолокации. (Если транспортное средство будет двигаться быстрее, сигнал газоанализатора будет трудно привязать на местности и определить место утечки.

Таким образом, заявленное устройство позволяет обеспечить повышенную точность и стабильность измерения параметров исследуемого воздуха за счет увеличения его расхода через пробозаборное устройство с целью увеличения вероятности захвата молекул метана при последующем выделении из захваченного воздуха минимальной исследуемой пробы воздуха.

Claims (3)

1. Мобильная лаборатория для определения содержания метана в воздухе, содержащая пробозаборное устройство с входным отверстием, направленным навстречу набегающему потоку атмосферного воздуха, газоанализатор, сообщенный с пробозаборным устройством посредством газовой магистрали с установленными в ней фильтрами, а также насос, отличающаяся тем, что пробозаборное устройство выполнено в виде пустотелого корпуса, сужающегося в направлении от входного отверстия к сплошной стенке, расположенной напротив входного отверстия, при этом корпус пробозаборного устройства выполнен в виде пластины трапецеидальной формы и прикрепленной к ней по всему периметру гибкой юбки, расположенной в плоскости, перпендикулярной плоскости пластины, а входное отверстие пробозаборного устройства выполнено в виде выреза части юбки в районе большей стороны пластины, вход насоса сообщен с полостью пробозаборного устройства посредством входной трубки, продольная ось которой пересекает направление движения отбираемой среды в пробозаборном устройстве, выход насоса сообщен посредством газовой магистрали со входом газоанализатора с возможностью нагнетания в него части отобранной среды, а также сообщен с атмосферой посредством выходной трубки с возможностью выброса в атмосферу части отобранной среды, выход газоанализатора сообщен со входом вакуумного насоса, при этом газоанализатор снабжен возможностью избирательного поглощения инфракрасного излучения молекулами метана в области длин волн 3,2–3,4 мкм.

2. Лаборатория по п.1, отличающаяся тем, что входная трубка выступает в полость пробозаборного устройства, торцевая поверхность выступающей ее части заглушена, а вход в трубку выполнен посредством перепускных отверстий в боковой поверхности выступающей части трубки.

3. Лаборатория по п.1, отличающаяся тем, что выступающая часть трубки выполнена в виде сильфона.