用于可压缩流体的压差分子光谱分析的系统和方法技术方案

本文描述一种光谱系统和方法，其用于使用吸收光光谱分析来测量并且监测样品或样品流的化学组成和/或杂质含量。具体来说，在某些实施例中，本发明专利技术涉及使用样品压力变化以改变针对所述样品所接收的吸收光谱(例如，波长依赖性信号)的量级，由此避免需要参考或零样品。代替使用参考或零样品，本文中所描述的实施例在第一压力和第二(不同)压力下从含样品池获得光谱/信号。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】优先权本申请案主张2013年10月11日提交的标题是“用于可压缩流体的压差分子光谱分析的系统和方法”的第61/890,119号美国临时专利申请案的优先权和权益，所述美国临时专利申请案的内容以全文引用的方式并入本文中。
本专利技术大体上涉及用于鉴定可压缩流体的化学组成的光谱系统和相关方法。
技术介绍
光谱分析是指根据波长研究并且测量光与物质的相互作用。光谱装置一般包括光源、波长分离或筛选模块、样品池和光检测器。吸收光谱分析是一种技术，其用于通过根据波长(或频率)测量通过样品的光(或其它电磁辐射)的吸收来鉴定样品的化学组成。吸收光谱分析是一种本质上相对的方法，在于其涉及获得既定样品的光谱(例如，波长依赖性信号)以及已知参考物的光谱，随后确定参考物光谱和样品光谱的比率、差异或其它比较。在气相红外测量中，参考或零光束经常在样品池中在氮气下获取，因为氮气是不具有任何红外吸收的惰性气体。取决于应用，可以使用另一参考或零气体，如空气、氩气、氦气等。使用经所测量样品填充的样品池来获取样品光谱(例如，在波长范围内或在离散波长的指定设置下测定的信号)。随后可以将吸收光谱计算为样品光束与零光束的比。一般来说，就分子的密度或浓度来说，比率的对数用以提供吸收信号的线性化。因各种技术和/或实际原因所致，提供可接受的参考或零样品可能有问题。举例来说，在高纯度痕量监测应用的情况下，参考或‘零’需要比测量的目标检测限纯几个数量级-这可能在商业上或实际上不可获得。在其它情况下，如在远程独立部署中，对于所述参考样品的维护和支持是困难的。因此，需要一种解决这些实际限制的光谱系统和方法。专利技术内容本文描述一种光谱系统和方法，其用于使用吸收光光谱分析来测量并且监测样品或样品流的化学组成和/或杂质含量。具体来说，在某些实施例中，本专利技术涉及使用样品压力变化以改变针对样品所接收的吸收光谱(例如，波长依赖性信号)的量级，由此避免需要参考或‘零’样品。并非使用参考或‘零’样品，本文中所描述的实施例在第一压力和第二(不同)压力下从含样品池获得光谱/信号。在样品是可压缩流体(例如，气体)时，池中的样品的分子密度通过改变压力而变化，因此产生差分吸收光谱/信号。发现这种差别允许精确地将样品信号归一化，而无需使用与样品相比具有不同组成的参考样品。对于工业设置，确切地说，在需要间歇、连续或半连续地监测样品流(例如，针对杂质的存在)时，极需要消除对维持足够纯的参考(零)样品的需要。本文中所描述的实施例可应用于使用各种光谱仪器类型测量可压缩液体、蒸气和气体。举例来说，可以使用不同类型的光谱仪硬件和软件，例如傅里叶(Fourier)变换红外光谱仪(FTIR)、色散光谱仪(摄谱仪或单色器)和/或非色散或滤光器类光谱仪来利用本文中所描述的压差技术。在一个方面中，本专利技术针对一种光谱系统，其用于测量可压缩流体样品中的化学组成和/或痕量杂质，所述系统包含：电磁辐射源，其用于产生电磁辐射(例如，光)；光学器件，其用于将经产生电磁辐射(例如，经滤波或未经滤波的)引导到含有可压缩流体样品(例如，气体或可压缩液体)的样品池；光检测器阵列，其用于从含有流体样品的样品池接收电磁辐射并且用于产生指示与流体样品相关的光谱信息(例如，光谱)的电信号；压力调制系统，其用于改变样品池中的流体样品的压力，由此改变样品密度；以及处理器和存储器，所述存储器具有存储于其上的指令，其中指令在由处理器执行时致使处理器鉴定和/或分析不同样品压力下(例如，但在相同样品组成下)所获得的至少两个吸收光谱，由此鉴定样品的差分吸收光谱，(例如，并且进行光谱分解和化合物形态分析，由此鉴定样品的一或多种成分，和/或鉴定样品的一或多种成分中的一或多种的浓度)。在某些实施例中，压力调制系统包含：阀组合件，其具有第一输入端、第二输入端和输出端，阀组合件经配置以根据阀组合件的可选配置可选择地允许(i)在第一输入端与输出端之间和(ii)在第二输入端与输出端之间流动；和止回阀，其连接在第一输入端与第二输入端之间，以允许设置样品池中的流体样品的测量压力。在某些实施例中，阀组合件包含三通阀(例如，电磁阀)(例如，或等效物，如两个或两个以上二通阀)。在某些实施例中，样品池是流动池，允许样品在测量期间流动穿过其(例如，允许连续、半连续或间歇地监测流动样品的化学组成和/或痕量杂质检测，例如在工业气体管线
中)。在某些实施例中，压力调制系统允许将样品池中的流体样品的测量压力设置在第一压力下和在第二压力下，同时在整个测量中维持一致的流动速率。在另一方面中，本专利技术针对一种用于在不需要‘零’参考物(例如，其中‘零’参考物具有与可压缩流体样品相比不同的组成)的情况下，测量所述样品中的化学组成和/或痕量杂质的方法，所述方法包含：从光谱系统获得含有样品流体(例如，气体或可压缩液体)的样品池的第一光谱，其中样品流体在第一压力下在样品池中；从光谱系统获得含有样品流体的样品池的第二光谱，其中样品流体在第二压力下在样品池中，其中第一压力不同于第二压力；使用第一光谱和第二光谱确定样品的差分吸收光谱；和使用差分吸收光谱来鉴定样品的一或多种成分，和/或鉴定样品的一或多种成分中的一或多种的浓度。在某些实施例中，样品池是流动池并且样品从可压缩流体管线抽取(例如，其中可压缩流体连续、半连续和/或间歇地流过流体管线)。在某些实施例中，可压缩流体管线是天然气管线流，并且其中所鉴定的样品的一或多种成分包含一或多种选自由以下组成的群组的成员：CH4、C2H6、C3H8、i-C4H10、n-C4H10、C5H12和CO2。在某些实施例中，可压缩流体管线是LNG管线，并且其中所鉴定的样品的一或多种成分包含一或多种选自由以下组成的群组的成员：CH4、C2H6、C3H8、i-C4H10、n-C4H10和C5H12。在某些实施例中，可压缩流体管线是LPG管线，并且其中所鉴定的样品的一或多种成分包含一或多种选自由以下组成的群组的成员：C2H6、C3H8、i-C4H10、n-C4H10和C5H12。在某些实施例中，可压缩流体管线是酸和/或酸气管线，并且其中所鉴定的样品的一或多种成分包含一或多种选自由以下组成的群组的成员：H2S、CH4、C2H6、C3H8、i-C4H10、n-C4H10、C5H12、CO2、NH3和H2O。在某些实施例中，可压缩流体管线是生物甲烷、合成气和/或废气管线，并且其中所鉴定的样品的一或多种成分包含一或多种选自由以下组成的群组的成员：CO、CO2、CH4、H2S和H2O。在某些实施例中，可压缩流体管线是烯烃管线，并且所鉴定的样品的一或多种成分包含一或多种选自由以下组成的群组的成员：CH4、C2H6、C2H4、C3H8、C3H6、i-C4H10、n-C4H10、烷烃、炔烃、烯烃、CO、CO2、H2S、H2和O2。在某些实施例中，可压缩流体管线是火把烟囱气管线，并且所鉴定的样品的一或多种成分包含C1-C6烷烃。在某些实施例中，第一压力是0psig。在某些实施例中，第一压力和第二压力相差不小于5psig。在某些实施例中，第一压力和第二压力相差不小于10psig。关于本专利技术的指定方面描述的实施例的要素可以用于本专利技术另一个方面的各种实施例中。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光谱系统，其用于测量可压缩流体样品中的化学组成和/或痕量杂质，所述系统包含：电磁辐射源，其用于产生电磁辐射(例如，光)；光学器件，其用于将所述产生的电磁辐射(例如，经滤波或未经滤波的)引导到含有可压缩流体样品(例如，气体或可压缩液体)的样品池；光检测器阵列，其用于从含有所述流体样品的所述样品池接收电磁辐射并且用于产生指示与所述流体样品相关的光谱信息(例如，光谱)的电信号；压力调制系统，其用于改变所述样品池中的所述流体样品的压力，由此改变样品密度；和处理器和存储器，所述存储器具有存储于其上的指令，其中所述指令在由所述处理器执行时致使所述处理器鉴定和/或分析不同样品压力下(例如，但在相同样品组成下)所获得的至少两个吸收光谱，由此鉴定所述样品的差分吸收光谱，(例如，并且进行光谱分解和化合物形态分析，由此鉴定所述样品的一或多种成分，和/或鉴定所述样品的所述一或多种成分中的一或多种的浓度)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.10.11 US 61/890,1191.一种光谱系统，其用于测量可压缩流体样品中的化学组成和/或痕量杂质，所述系统包含：电磁辐射源，其用于产生电磁辐射(例如，光)；光学器件，其用于将所述产生的电磁辐射(例如，经滤波或未经滤波的)引导到含有可压缩流体样品(例如，气体或可压缩液体)的样品池；光检测器阵列，其用于从含有所述流体样品的所述样品池接收电磁辐射并且用于产生指示与所述流体样品相关的光谱信息(例如，光谱)的电信号；压力调制系统，其用于改变所述样品池中的所述流体样品的压力，由此改变样品密度；和处理器和存储器，所述存储器具有存储于其上的指令，其中所述指令在由所述处理器执行时致使所述处理器鉴定和/或分析不同样品压力下(例如，但在相同样品组成下)所获得的至少两个吸收光谱，由此鉴定所述样品的差分吸收光谱，(例如，并且进行光谱分解和化合物形态分析，由此鉴定所述样品的一或多种成分，和/或鉴定所述样品的所述一或多种成分中的一或多种的浓度)。2.根据权利要求1所述的光谱系统，其中所述压力调制系统包含：阀组合件，其具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述阀组合件经配置以根据所述阀组合件的可选配置可选择地允许(i)在所述第一输入端与所述输出端之间和(ii)在所述第二输入端与所述输出端之间流动；和止回阀，其连接在所述第一输入端与所述第二输入端之间，以允许设置所述样品池中的所述流体样品的测量压力。3.根据权利要求2所述的光谱系统，其中所述阀组合件包含三通阀(例如，电磁阀)(例如，或等效物，如两个或两个以上二通阀)。4.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的光谱系统，其中所述样品池是流动池，允许所述样品在测量期间流动穿过其(例如，允许连续、半连续或间歇地监测流动样品的化学组成和/或痕量杂质检测，例如在工业气体管线中)。5.根据权利要求1到4中任一权利要求所述的光谱系统，其中所述压力调制系统允许将所述样品池中的所述流体样品的测量压力设置在第一压力下和在第二压力下，同时在整个测量中维持一致的流动速率。6.一种用于在不需要‘零’参考物(例如，其中所述‘零’参考物具有与可压缩流体样品相比不同的组成)的情况下，测量所述样品中的化学组成和/或痕量杂质的方法，所述方法包含：从光谱系统获得含有样品流体(例如，气体或可压缩液体)的样品池的第一光谱，其中所述样品流体在所述样品池中处于第一压力；从所述光谱系统获得含有所述样品流体的所述样品池的第二光谱，其中所述样品流体在所述样品池中处于第二压力，其中所述第一压力...

【专利技术属性】
技术研发人员：V·A·萨普塔里，
申请(专利权)人：MKS仪器公司，帕森系统股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US