公开了一种用于检测天然气中水蒸汽的技术。所述系统包括光源（５１９），其发射的光的波长范围大约在诸如９２０－９６０ｎｍ、１．８７７－１．９０１μｍ或者２．７１１－２．７８６μｍ。光源所发射的光穿过天然气的样本，由检测器（５２３）检测。在一个实施例中，所述光源是可调谐二极管激光器，而且湿度水平是由谐波光谱确定的。在其他实施例中，利用ＶＣＳＥＬ（垂直腔表面发射激光器）、色心激光器或量子级联激光器。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于检测天然气中湿度的系统和方法。更具体地说，本专利技术涉及用于确定工业天然气管道中出现的水蒸汽浓度的技术。
技术介绍
由于天然气的低成本和广泛可用性，天然气已经长期被用作能量源。在天然气被开采之后，其通过几个连续的处理被纯化，并且通过地下管道网络分送，地下管道网络一般以每平方英寸数百磅(psi)的管道压力传输气体。天然气作为能源产品卖给消费者，而能量含量一般是以英国热量单位(BTU)表示的。气体产物被泵送给顾客的速率是以标准的百万立方英尺(SMCF)来衡量的，标准的百万立方英尺是基于标准压力和温度(典型是1大气压/14.73psi和70)下的气体体积。天然气中的杂质比如水，减少了天然气的BTU容量，因此导致效率较低的能量产品。杂质也随着时间而腐蚀输送管道，可能引起严重的安全事故，同时也必须耗费巨大地替换管道段(管道的停工时间可能耗费高达每秒几千美元)。因此，从事天然气的开采、提纯和输送的公司在生产和输送的各个阶段持续监视天然气的质量，以防止这样的情况发生。特别重要的一种杂质是水蒸汽(H2O)。除了它是管道腐蚀的主要原因之外，水蒸汽也稀释了天然气，因此减少了它的BTU容量(从而使天然气成为效率较低的能量源)。天然气的经销商一般对天然气生产和分送的各个阶段，设置一个天然气内最大的可允许水蒸汽浓度。被输送给顾客(通常是大型消费者供应商比如Southern California Gas或Pacific Gas and Electric公司)的最终产品被称为“干线天然气”。干线天然气中典型的最大可允许水蒸汽浓度是每实测百万标准立方英尺CH4(MMscf)7磅H2O，1磅/MMscf大约是每百万体积比(million by volume，ppmv)21.1份。此浓度被称为“费率(tariff)”。当H2O浓度超过费率浓度时，工厂操作便可能被中止，从而导致巨大的利润损失和相关联的顾客诉讼。测量天然气中水蒸汽的传统技术主要依赖于使用化学传感器。这些传感器通过监测传感器元件(由组合物如五氧化磷(P2O5)和氧化铝制成)的电容或介电常数来工作，传感器元件由来自干线天然气的样本决定。传感器的电属性作为样本天然气中水蒸汽量的函数，而以可测量的量化方式变化，并且这种变化被转换成水含量测量值。在这种化学传感器中，管道天然气的低压样本通过调节(减压)系统被传送给传感器元件。通过管道测量的天然气样本处于比管道本身低得多的压强下(通常是10-30psi，相比之下管道中是800psi)。这种传感器通常位于采样遮蔽装置中，采样遮蔽装置也容纳相关调节系统。由于化学传感器中的感应元件必须暴露给天然气样本，所以气流中的杂质如乙二醇、胺和油直接接触传感器。虽然化学传感器可在校准之后短时期内提供可靠的测量值，但是暴露于杂质(特别是乙二醇和胺)下会污染传感器，因此导致校准漂移。这种情况导致错误读数，并且如果污染累积堵塞，能够引起最终的故障。已经利用了各种过滤器(结合(coalescing)过滤器、吸附剂过滤器和粒子过滤器)来使得乙二醇和胺的污染效应最小，但是历史地看，这些过滤方案仅仅是临时解决方案，因为过滤器易于被杂质饱和，或者它们发生泄漏并且要求以不定期的间隔进行更换。因此应理解，仍然需要一种可靠耐用的系统和方法，用以检测天然气中的水蒸汽浓度。
技术实现思路
本专利技术利用吸收光谱学，这是一种已经长期被用于测量空气中的水蒸汽含量的技术，并且是在各种实验室环境中。利用这种光谱学技术，光源穿过气体样本，并且受到与光源相对的检测器检测。该光源可以是传统的热灯丝、辉光棒(glow bar)、激光器或者在感兴趣的波长范围中的任何合适的发射器。通过监测样本在指定的波长吸收的光量，能够准确地确定目标气体的含量。吸收光谱学的一个常见问题是被测量的气体样本中的成分之间的干扰。当感兴趣的气体(在这里是H2O)在与样本中的另一气体相同或者几乎相同的波长处吸收光时，发生这种干扰。天然气是由超过95％的CH4组成的，其具有的水蒸汽一般体积不到1％。传统的光谱方法(也就是基于非激光的)不适合测量CH4背景中的H2O，因为CH4吸收的量大得多，使得H2O在可见光和红外范围内的所有波长的更弱得多的吸收完全模糊。本专利技术在具有最小CH4吸收量的波长范围内工作，且最好将激光光源用于吸收光谱，以此因激光(窄线宽度)极高的光谱纯度而使得干扰效果最小。在一些实施例中，目前的系统整合了激光器作为其光源，比如那些在自动化、无人管理的野外仪器中使用的光源，它们在1.6到2.7微米(μm)之间的波长工作。在这种变化情况下，优选激光器是可调谐二极管激光器(TDL)，其在美国专利5257256中有详细描述，该专利文件在此通过引用全部并入。作为选择，可利用工作于1-3μm范围的色心激光器，但是由于其相对大的物理尺寸、高功率消耗、高维护要求(它们必须被低温冷却)以及成本，这种激光器不总是适合用作商用的野外仪器。此外，还可使用其他类型光源，比如VCSEL、量子级联激光器和一些色心激光器，其发光的工作波长为基本单一的波长，在此单一波长比如大约920nm至960nm、1.877至1.901μm或者2.711至2.786μm，水吸收的水平远大于天然气。可利用其他吸收线，其中水以比天然气足够更高的水平吸收光，并且可用光源具有充分小的线宽，以在单个吸收线处或者单个吸收线附近发光。空气中水蒸汽的基于激光的测量方案利用了可商业获得的TDL，其在1.38μm附近波长工作，水蒸汽在此波长范围具有强吸收带。但是，该波长不适合测量CH4背景下的H2O，因为在1.38微米区域中的CH4吸收非常强，并且完全遮蔽了H2O吸收(见图2所示1-2μm区域200中的CH4光谱)。本专利技术在其他吸收带测量水蒸汽，例如在1.88μm吸收带，在此CH4的吸收弱得多(见图3，该图说明了CH4325和H2O 350在波数(波数＝1/μm×10000)5260-5330之间的透射光谱300(透射率＝1-吸收率))。有几条H2O吸收线可被用于监测天然气背景中的H2O，但是它处于CH4吸收光谱中的特定波长范围内，即920nm-960nm、1.877-1.901μm或者2.711-2.786μm范围内，在这些范围中有较强的H2O吸收线，因此能够测量纯CH4背景中的水蒸汽(见图4，该图说明光普400，显示了在波数5322-5336之间的CH4425吸收线和H2O 450吸收线的相对位置)。图6说明光谱600，显示了在波长2700nm到2800nm之间的CH4625吸收线和H2O 650吸收线的相对位置，其中示例性吸收线位于2771.15nm、2724.17nm、2740.17nm、2755.07nm、2770.69nm和2786.51nm处。图7说明光谱700，显示了在波长920nm到980nm之间的CH4625吸收线和H2O 650吸收线的相对位置。为了提高检测灵敏度，目前的系统结合其TDL光源利用一种被称为谐波光谱学的技术。从20世纪50年代起，谐波光谱学就已经被用在核磁共振光谱计、斯塔克光谱计和其他各种实验室仪器中。在目前系统的一些实施例中使用的谐波光谱学包括在高频(kHz-MHz)条件下调制TDL激光波长以及检测多个调制频率的信号本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于检测天然气中水蒸汽的系统，其包括： 一光源，其以一个波长发射光，在该波长处水分子以比天然气分子实质高的水平吸收光； 一检测器，其被配置用于检测从所述光源发射的光的强度；和 电子装置，其耦合到所述检测器，用于确定所述天然气中水蒸汽浓度和所述天然气中水蒸汽浓度。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：R梅，
申请(专利权)人：光学传感公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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