Универсальный детектор метана

(5)5 6 01 й 21/61 ЕНИ Т ест исимер, еделеаружения мгазов (напующим оп ическим рам сощим по ет двух испольдториях,атор, ирои гаэоанали учения, фор ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ИСАНИЕ ИЗСБ ОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) 1, Авторское свидетельство СССР М 429290, кл. 6 01 К 21/26, 1974.2. Авторское свидетельство СССР М 735976, кл. С 01 й 21/34, 1980.3. Авторское свидетельство СССР М 1163215, кл, 6 01 й 21/35, 1985.(54) УНИ 8 ЕРСАЛЬНЫЙ ДЕТЕКТОР МЕТАНА(57) Изобретение относится к оптическим абсорбционным И К-газоанализаторам состава газообразных сред, работающим по методу воздействия веществ на свет двух или более длин, волн, и можетбыть исполь- зовано в передвижных автолабораториях, предназначенных для обнаружения мест истечения взрывоопасных газов. Цель изобретения - повышение точности определенйя мест утечки метана и ускорение проведения экспресс-анализа природы метана, Универсальный детектор метана содержит первый источник излучения, первый фотоприемник, оптические зеркала, оптические корректирующие элементы, пневмотракт, первую оптическую газовую кювету, первый источник, блок индикации и первый блок обработки, причем истачник:излучения, оптическая гаИзобретение относится к опт абсорбционным И К-газоанализато става газообразных сред, работаю методу воздействия веществ на св или более длин волн, и может быть зовано в передвижных автолабор эовая кювета, оптические корректирующие элементы и первый фотоприемник расположены на одной оптической оси, а выход первого фотоприемника подключен на вход первого блока обработкй, выход Которого подключен к входу первого блока индикации. Введение в устройство внешнего пробоотборного устройства, газовых кранов-переключателей, первого и второго абсорбционного газового фильтра, второй оптической газовой кюветы, второго фотоприемника, второго блока обработки, второго блока индикации, второго источника излучения с длиной волны излучения, отличной от длины волны излучения первого источника излучения, и прокачивающего насоса, выполненного с воэможностью регулирования скорости прокачки, а также идентичное выполнение оптических газовых кювет из и оптических газовых секций, установленных последовательно на одной оптической оси, при подключении п пневма. тических входов оптических газовых секций первой оптической газовой кюветы параллельно к выходу газового крана-переключателя и и выходов этих секций параллельно к входу второй оптической газовой кюветы позволяют повысить точность определения .мест утечки метана и ускорить процесс проведения экспресс-анализа природы метана. 1 ил,предназначенных для обнтечения взрывоопасныхметана) из грунта с последнием их природы.Известен двухлучевосодержащий источник изватель двух коллимированных потоков излучения (рабочего и эталонного), кювету с исследуемым газом, два интерференционных фильтра на рабочую и эталонную длины волн, систему сведения двух потоков, приемник излучения и модулятор потока, расположенный между системой сведения и приемником ЯНедостатком данного газоанализатора является относительно большой объем кюветы; что приводит к разбавлению пробы газа, поступившей в малых объемах. Кроме того, использование одного источника и од - ного приемника требует построения сложной системы разделения и сведения световых потоков, которая сложна в юстировке и вносит дополнительные погрешности в показания прибора эа счет изменения пропускания .оптических деталей вследствие загрязнение их поверхности. Отсутствует возможность контроля трех требуемых компонентов в поступившей гаэовоэдушной смеси с .цепью определения природы метана (болотный или сетевой).,Известен так же газоанализатор, содержащий электронно-модулируемый источник излучения, кювету с исследуемым газом, . содержащую формирователь двух коллимированных потоков излучения, интерференционные фильтры на рабочую иэталонную длины волн, расположенные на соответствующих оптических осях, два приемника излучения и подключенный к их выходам электронный узел, включающий в себя две схемы выделения и блок обработкисигналов, а также поворотный непрозрачный диск с отверстиями, расположенный вкюветеи в его отверстиях укреплены интерференционные фильтры (2. 5 10 152030 Недостатки газоанализатора заключаются в следующем. Относительно большой объем кюветы приводит к раэбавлению пробы газа, поступившей в малых объемах, Конструкция данной кюветы не позволяет преобразовать малый объем поступившейпробы газа в газовоздушный столб максимальной (оптимальной) длины, что снижает точность и достоверность измерений. Отсутствует возможность контроля трех требуемых. компонентов в поступившей газовоздушной смеси с целью определения природы выявленного метана (болотный или сетевой), Использование вращающего. ся диска приводит к возникновению дополнительных погрешностей при измерениях.Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к изобретению является устройство для контроля содержания окиси углерода в отработавших газах автомобилей, содержащее оптический блок, включающий оптически связанные источник излучения, систему зеркал для разделения потрка излучения на два пучка, модулятор, кювету с исследуемым газом, фильтры, систему зеркал для сведения пучков излучения на фотоприемник и электронный блок, вход которого связан с выходом фотоприемника, включающий последовательно соединенные блок обработки сигналов, корректор и блок индикации. Причем корректор выполнен в виде двух цифроаналоговых преобразователей, двух постоянных запоминающйх блоков и программного переключателя учета температуры и давления, выходы которых подключены через постоянный запоминающий блок к цифровым входам цифроаналоговых преобразователей, связанных с корректором 13).Недостатками устройства являются относительно большой объем кюветы, что приводит к раэбавлению и робы газа, поступившей в малых объемах, а также то, что конструкция данной кюветы не позволяет преобразовать малый объем поступившей пробы газа в газовоздушный столб максимальной (оптимальной) длины, что снижает точность и достоверность,измерений. Кроме того, отсутствует возможность контроля трех (метан, углекислый газ и тяжелые углеводороды) требуемых компонентов в поступившей газовоздушной смеси с целью определения природы выявленного метана (болотный или сетевой), Использование вращающегося модулятора приводит к возникновению дополнительных погрешностей при измерениях.Цель изобретения - повышение точности определения места утечки метана и ускорение проведения экспресс-анализа природы метана,.Цель достигается тем, что в универсальный детектор метана, содержащий первый источник излучения, первый фотоприемник, оптические зеркала, оптические корректирующие элементы, пневмотракт. первую оптиче:кую газовую кювету, первый источник излучения, первый блок обработки и первый блок индикации, причем источник излучения, оптическая газовая кювета, оптические корректирующие элементы и первый фото- приемник расположены на одной оптической оси, а выход первого фотоприемника подключен на вход первого блока обработки, выход которого подключен к входу первого блока индикации, введены внешнее пробоотборное устройство, первый, второй и третий газовые краны-переключатели, первый и второй абсорбционные газовые фильтры, вторая оптическая газовая кювета, второй фотоприемник, второй блок обра10 20 30 ботки, второй блок индикации, второй ис-, точник излучения с длиной волны излучения, отличной от длины волны излучения первого источника излучения, и прокачивающий насос, выполненный с возможностью регулирования скорости прокачки, причем выход внешнего пробоотборного устройства включен на первый вход первого газового крана-переключателя, выход которого через первый абсорбционный газовый фильтр подключен на первый вход второго газового крана-переключателя, первый выход которого через второй газовый абсорбционный фильтр подключен на первый вход третьего газового крана-переключателя,.а второй выход газового крвна-переключателя подключен на второй вход третьего газового крана-переключателя, выход которого подключен на вход первой оптической газовой кюветы, выход которой подключен к входу второй. оптической газовой кюветы, выход которой подключен к прокачивающему насосу, а первая и вторая оптичеоие газовые кюветы идентичны и выполнены из и оптических газовых секций, установленных последовательно на одной оптической .оси, причем и пневматических входов оптических газовых .секций первой оптической газовой кюветы подключены параллельно к выходу третьего газового крана-переключателя, а и в.ыходов этих секций подключены параллельно к входу второй оптической газовой кюветы, в выходов секций которой подключены параллельно к прокачивающему насосу, причем выход первого фотоприемника подключен к входу первого блока обработки, а выход второго фотоприемникаподключен к входу второго блока обработки, причем, первый и второй блоки обработ:ки идентичны, а второй вход первого газового крана-переключателя выполнен с воэможностью подсоединения дополнительной емкости с контролируемой газовой смесью, причем внутреннее сечение йнев мотракта не превышает суммарного. внутреннего сечения и оптических, газовых секций каждой иэ оптических газовых кювет,Предлагаемый универсальный детекторметана устанавливают на передвижную автолабораторию, производящую пойск мест истечения метана на почве; Автолаборатория движется вдоль трассы подземного газопровода, и ее прокачивающий насос (побудитель расхода) непрерывно прокачи., вает через пневмотракт припочвенный слой воздуха, Истечение газа из почвы обычно происходит через небольшие отверстия или трещины. Пробоотборное устройство движущейся автолаборатории проскакивает эти отверстия за доли секунды. За это время в пневмотракт успевает попасть только небольшой объем пробы газа.Детектор метана является фотометрическим прибором; поэтому для более точного и достоверного анализа пробы необходимо световой луч источника излуче- ния пропустить через слой газа максимальной (оптимальной) длины с максимально (оптимально) высокой концентрацией контролируемой компоненты. Причем для увеличения производительности насоса сквозное отверстие пневмотракта должно быть максимальным (оптимальным). Если поступившая проба газа содержит концентрацию метана вцше заданного порогового уровня, то в детекторе метана сра батывает сигнализация, и автолабораторию останавливают. Оператор с помощью переносного газоанализатора определяет места наибольшего скопления метана, Обычно это пустоты в почве или различные канализационные колодцы. Метан в этих пустотах может скапливаться из отверстий поврежденного подземного газопровода(сетевой газ) или из почвы (болотный газ) На чертеже представлена схема предлагаемого детектора. Детектор содержит внешнее пробоотборное устройство 1, соединительную трубку 2, первый газовый кран-переключатель 3; первый абсорбционный газовый фильтр 4, второй газовый кран-переключатель 5,.второй абсорбционный газовый фильтр 6, тре 35, тий газовый кран-переключатель 7, первую оптическую газовую кювету 8, оптическую газовую секцию 9, оптическое зеркало 10, оптический корректирующий элемент 11, первый источник 12 излучения, первый фотоприемник 13, первый блок 14 обработки, первый блок 15 индикации, вторую оптическую газовую кювету 16, второй источник 17 излучения, второй фотоприемник 1.8, второй блок 19 обработки, второй блок 20 индикации и прокачивающий насос 21,Пневмотракт универсального детектора метана образован внешним пробаотборным устройством 1 (закрепленным, например, подднищем автолаборатории), которое связано соединительйой трубкой 2 с первым входом первого газового крана-переключателя 3, другой вход которого выполнен с возможностью подсоединения дополнительной емкости (например, резиновой груши). с контролируемой газовой смесью. Выход крана-переключателя 3 соединен через первый абсорбционный газовый фильтр 4 (например, с селикогелем, который задерживает влагу) с входом второго газового крана-переключателя 5. Первыйвыход газового крана-переключателя 5 через второй абсорбционнцй газовый фильтр6(например, с активированнцм углем, который задерживает тяжелые углеводороды)соединен с первым входом третьего гаэового крана-переключателя 7, а к второму еговходу подключен второй выход газовогокрана-переключателя 5, Выход крана-переключателя 7 связан с входом первой оптической газовой кюветы 8 с и оптическими 10газовыми секциями 9, выполненными, например, из.трубок заданного диаметра, поторцам которых герметично закрепленыпод углом Брюстера.оптические окна, например, иэ кварцевого стекла, Вблизи этих 15окон в стенках трубок выполнено по отверстию, которые являются соответственновходом или выходом секции 9. Все входыэтих секций соединены параллельно с входом кюветы 8, а все их выходы связаны 20параллельно с выходом этой кюветц,Отверстие каждой из трубок, образующих секции 9, может быть выбрано меньшим, чем каждой из соединительных трубок2, а суммарная площадь поперечного сечения отверстий всех и секций 9 должна превышать (для снижения гидравлическогосопротивления) аналогичное сечение любойиз трубок 2. Это условие необходимо выполнить для того, чтобы малый объем пробы 30газа, содержащей контролируемую компоненту, который поступит в кювету 8, былпреобразован секциями 9 в газовый столбмаксимальной (оптимальной) длины с незначительным снижением концентрации 35контролируемой компоненты.Выход кюветы 8 соединен с входом второй оптической газовой кюветы 16, конструкция которой идентична конструкциикюветы 8. Выход кюветы 16 соединен с прокачивающим насосом (побудителем расхода) 21, приводимым во вращение,например, электрическим двигателем с ручным переключателем скорости вращения(не показаны).Яа первой оптической оси расположены первый источник 12 излучения (например, лазер с длиной волны- излучения Й).секции 9 кюветы 8, оптические зеркала.10,оптические корректирующие элементы 11 50(например, линзы, коллиматорц и т.д.) и фотоприемник (например, фоторезистор, выбираемый в зависимости от мощностиисточника 12 излучения, длины волны Й ит.д,), Зеркала 10 с помощью элементов 11 55позволяют лучу источника 12 пройти последовательно через все секции 9 на фотоприемник 13. Следует учесть, что длина волныА 1 должна быть близка к спектральной линии поглощения первой контролируемой компонентц (метан и тяжелые углеводороды),На второй оптической оси расположены второй источник 17 излучения (например, лазер с длиной волны излучения 42), секции 9 кюветы 16, оптичеокие корректирующие элементы 11 и второй фотоприемник 18 (например, фоторезистор, выбираемый в зависимости от мощности источника 17 излучения, длины волны Й и т.д.). Зеркала 10 с помощью элементов 11 позволяют лучу источника 17 пройти последовательно через все секции 9 кюветы, 16 на фотоприемник 18, Причем длина волны Аг должна быть близка к спектральной линии поглощения второй контролируемой компоненты (углекислый газ),Выход фотоприемника 13 связан с входом первого блока 14 обработки, где автоматически производится сравнение сигналов, поступающих от фотоприемника 13, с базовыми сигналами, Выход блока 14 связан с входом первого блока 15 индикации (содержащего, например, стрелочный индикатор, звуковой сигнализатор, самописец и т,д.).Выход фотоприемника 18 связав с входом второго блока 19 обработки, идентичного блоку 14, Выход блока 19 связан с входом второго блока 20 индикации. которым идентичен блоку 15,На борту автолаборатории установлен автономный источник электропитания оборудования, например аккумуляторная злектрохимическая батарея (не показана).Универсальный детектор метана работает в двух режимах,Режим "Детектор метана".Газовые краны-переключатели 3, 5 и 7 устанавливают в первое положение (как показано). Переключатель скорости вращения двигателя насоса 21 устанавливают в такое положение, при котором скорость вращения насоса 21 будет максимальной, Автолаборатория движется вдоль трассы подземного газопровода. Через пневмотракт непрерывно прокачивается припочвенный слой. воздуха, который проходит параллельно через все секции 9 кюветы 8 и далее идентично через секции 9 кюветы 16, При этом фильтры 4 и 6 задерживают влагу и тяжелые углеводороды, если они есть в газовоздушном потокеСветовые лучи источников 12 и 17 проходят, соответственно, через кюветы 8 и 16 на фотоприемники 13 и 18 с максимальной интенсивностью. Сопротивление фоторезисторов минимально, Поэтому сигнал, который поступает на вход блоков 14 и 19, такжеминимален, Стрелку индикатора блоков 15и 20 устанавливают (с помощью регулятора)в заданный сектор шкалы так, чтобы этобыло удобным для наблюдения.В момент, когда автолабораторияпроходит над местом истечения метанаиз почвы (например, из поврежденногогазопровода), небольшой объем газа попа дет через устройство 1 в пневмотракт, Этагазовоздушная смесь пракачивается черезвсе секции 9 кювет 8 и 16, Благодаря тому,чтоотверстия этих секций минимальны, малый обьем поступившей газовой пробы, содержащей метан, преобразуется ими вгазовый столб максимальной (оптимальной)длины, через который проходит луч источника 12 или 17, падающий соответственнс нафатаприемник 13 или 18. В кювете 8 интенсивность излучения снижается из-за его поглощения метаном, а в кювете 16 онаостается без изменений, так как в пробепрактически отсутствует углекислый газ. Сапротивлеие фотоприемника 13 и амплитуда сигнала, поступающего на вход блока 14,увеличиваются,При этом на выходе блока 14 появляетсяразнастный сигнал с амплитудой, пропорциональной увеличению амплитуды сигнала, поступающего наега вход.В блоке 15 стрелка индикатора отклоняется пропорционально амплитуде поступившего сигнала. Если уровень этогосигнала превышает заданный (парогавый)уровень, то в блоке 15 срабатывает звуковаясигнализация.Автолаборатарию останавливают, оператор с помощью переносного газаанализатора определяет конкретное местоскопления метана (обычна это различныеканализационные колодцы) и определяетего концентрацию. Теперь для принятия соответствующих оперативных мер необходима определить природу обнаруженногометана (сетевой или болотный).Режим "Экспресс-анализ".Оператор набирает в специальную емкость (например, в резиновую грушу) пробугаза из колодца, подключает эту емкость квторому входу газовага крана-переключателя 3, переводит этот переключатель во второе положение и с помощью переключателяскорости вращения снижает производительность насоса 21(для уменьшения расхода газа); Проба газа проходит через фильтры4 и 6, где освобождается ат влаги и тяжелыхуглеводородов, и заполняет кюветы 8 и 16.Если в пробе газа содержится болатйыйгаз, где контролируемыми компонентамиявляются метан и углекислый газ, то интен Если в пробе газа содержится сетевой . газ. где контролируемыми компонентами20 явлчются метан и тяжелые углеводороды жет быть отключена 35 4 Д 45 50 55 сивнасть световых лучей в кюветах 8 и 16 снижается пропорционально концентрации этих компонентов, На выходе блоков 14 и 19 появляются соответствующие разностные сигналы, Стрелочные индикаторы блоков 15 и 20 отклоняются на определенный угол. пропорциональный амплитуде поступившего сигнала, Если этот сигнал превышает заданный (порогавый) уаовень, то срабатывает также звуковая сигнализация Отклонение стрелочных индикаторов в блоках 15 и 20 свыше определен най величины означает, что в пробе содержится болотный газ, Оператор принимает соответствующие оперативные меры (обычна эта проветривание канализационных колод(углекислый газ практически отсутствует), то интенсивность светового луча в кювете 8 снижается пропорционально концентрации метана (большая часть тяжелых углевадородов задерживается фильтром 6). Стрелка индикатора блока 15 отклоняется на определенный угол (до определенной отметки на шкале индикатора). Это значение запоминают или записывают. При этом звуковая сигнализация в блоках 15 и 20 моЗатем газовые краны-переключатели 5 и 7 переводят ва второе положение, при катаром проба газа проходит только через фильтр 4. Тяжелые углеводороды (если они имеются) поступают в кюветы 8 и 16. Это вызывает дальнейшее снижение интенсивности светового луча в кювете 8 и повышение амплитуды разнастного сигнала на выходе блока 14. Показания стрелочнагоийдикатара прибора блока 15 увеличиваются. По изменению показаний этого индикатора судят а наличии в пробе тяжелых углеводородов, т.е. а наличии сетевого газа. Оператор принимает соответствующие . оперативные меры (вызывает ремонтную бригаду) и продолжает дальнейшее обследование трассы с помощью автолаборатории.Таким образом, при проведении экспресс-анализа па месту обнаружения утечки газа отпадает необходимость отвозить пробу газа в центральную химлабораторию. Эта ускоряет процесс принятия соответствующих оперативных мер, т;е. повышает безопасность газоснабжения потребителей.Предлагаемый универсальный детектор метана имеет простую конструкцию, надежен в работе и может быть использован втех отраслях народного хозяйства, где производят эксплуатацию подземных газопроводов, а также в геологии, для контроляатмосферы, в нефтехимической и других отраслях промыаленности, где необходим ускоренный анализ газовых смесей,Формула изобретенияУниверсальный детектор метана, содержащий. первый источник излучения, первый4 ютоприемник, оптические зеркала, оптическив корректирующие элементы, пневмотракт, первую оптическую газовую кювету,первый блок индикации и первый блок обработки, причем источник излучения, оптичаская газовая кювета, Оптические 15корректирующие элементы и первый фото-,приемник расположены на одной оптической оси, а выход первого фотоприемника, подключен на вход первого блока обработки, выход которого подключен к входу первого блока индикации, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повыаения точности определения места утечки метана и ускоренияпроведения экспресс-анализа природы-ме.тана, в мего введены внешнее пробоотборное устройство, первый, второй и третийгазовые краны-переключатели, первый ивторой абсорбционные газовые фильтры,вторая оаМческая .газовая кювета, второй:фотоприемник, второй блок обработки, второй блок индикации, второй источник излучения с длиной волны излучения, отличнойот длины волны излучения первого источника излучения, и прокачивающий несос; выполненный с возможноСтью регулирования 35скорости прокачки, причем выход внешнегопробоотборного устройства включен на первый. вход первого газового крана-переключателя, выход которого через первый абсорбционный газовый фильтр подключен на первый вход третьего газового крана-переключателя, а второй выход второго газового крана-переключателя подключен на второй вход третьего газового крана-переключателя, выход которого подключен на вход первой Оптической газовой кюветы. выход которой подключен к входу второй оптической газовой кюветы, выход которой подключен к прокачивающему насосу, а первая и вторая оптические газовые кюветы идентичны и выполнены иэ и оптических газовых секций, установленных последовательно на одной оптической оси, причем и пневматических входов оптических.газовых секций первой оптической газовой кюветы подключены параллельно к выходу третьего газового крана-переключателя, а. п выходов этих секций подключены параллельно к входу второй оптической газовой кюветы, и выхо- дов секций которой подключены лараллельно к прокачивающему насосу, причем выход первого фотоприемника подключен к входу первого блока обработки, а выход второго фотоприЕмника подключен к входу второго баока обработки, причем первый и второй блоки Обработки идентичны,. а второй вход первого газового кране-переключателя выполнен с Воэможностью подсоединения дополнительной емкости с контролируемой газовой смесью, причем внутреннее сечение пневмотракте не превышает суммарного внутреннего сечения и Оптических газовых секций каждой иэ оптических газовых кювет.1714474Составитель Е.Аносоваар О.Юрковецкая Техред М;Моргентал Корректор Т.Малец аз 688 Тираж . Подписное . ВНИИПИ Государственного комитете по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС113035, Москва,.Ж-Зб; Раушская наб 4/5Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101