CC BY
49
УДК 665.681:622.629
Н.Р. Рахимов
СибНИА им. С.А. Чаплыгина, Новосибирск
МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ СРЕД
Мониторинг нефтесодержащих сред, т. е. определение влагосодержания, солей, серы, температуры и расхода товарной нефти и нефтепродуктов тесно связано с точностью её коммерческого учета.
Известные к настоящему времени наиболее перспективные оптические однофункциональные методы [1] и средства мониторинга не обеспечивают высокой точности измерения из-за широкой области спектра поглощения тех или иных веществ, присутствующих в нефтесодержащих средах.
Использование многофункциональных систем с применением эффекта нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО), определяющих одновременно несколько параметров, даёт возможность одновременно контролировать как физико-химические показатели (в том числе их изменение во времени, т. е. их динамические состояние), так и физические процессы, сопровождаемые одновременным и неодновременным изменением во времени ряда физико-химических величин. Кроме того, применение многофункциональных оптоэлектронных систем не только повышает информативность измерений, но и позволяет уменьшить погрешности от влияния внешних факторов. Например, температура, влажность и уровень вибрации могут учитываться при автоматической коррекции погрешностей.
В данной работе на основе использования эффекта НПВО при взаимодействии с контролируемой средой рассматриваются вопросы разработки нового принципа построения оптоэлектронных систем для мониторинга нефтесодержащих сред. Предлагаемая идея состоит в одновременном применении п источников и п измерительных приемников оптического излучения (ПОИ), установленных на элементе НПВО, выполненного в виде полуцилиндра, и компенсационного (опорного) ПОИ, оптически связанного непосредственно с опорным источником излучения.
Общие принципы многофункциональных измерений
В однофункциональных оптоэлектронных контрольно-измерительных системах процесс преобразования измеряемой величины хх в информативный параметр электрического сигнала теоретически должен описываться как
У = Р(хх). (1)
А в практических случаях этот сигнал имеет вид
¥ = /(хьу1,у2...ук),
(2)
где у1, у2, Ук - ряд изменяющихся физических величин, изменений
которых существенно влияет на величину У.
Введение коррекции по одному из у, например, у,- требует использования второго преобразования, описываемого как [2]
Г]=/](Уг)- (3)
Исходя из этого, для извлечения из многомерного сигнала, описываемого выражением (2), информации о величине х необходимо получить сигналы, описываемые уравнением (3), что очень трудно осуществить в практике.
Многофункциональные оптоэлектронные методы позволяют определять физико-химические величины за счет использования набора многомерных сигналов, т. е. зависящих от многих хг-, расширяют возможности оптоэлектронного метода измерения неэлектрических величин. Метод основан на том, что если на основе специального элемента НПВО (в наших случаях полуцилиндрического) можно получить п многомерных сигналов, информативные параметры которых зависят от п физических величин таким образом, что описывающие эти зависимости уравнения образуют систему п независимых уравнений:
Уг/1 (Х1,Х2,...,Хп);
У2=/2 (Х1, Х2,.,Хп); (4)
Уп /п (х1, x2,.,xn),
то в целом ряде случаев оказывается возможным с помощью значений информативных параметров У1, У2, ... Yn определять значения отдельных или всех п физико-химических величин Хг-, поддающихся оптическому контролю.
Определяемые параметры У1, У2, ... Yn, называемые первичными сигналамы, измеряются последовательно один за другим, запоминаются, и лишь затем применяется спектр измерений для определения параметров хг, или все они измеряются одновременно и совместно используются для формирования выходных сигналов, пропорциональных подлежащим измерению х.
Разработка многофункциональных систем мониторинга на основе элемента НПВО
Авторам разработан ряд оптоэлектронных приборов [3] с использованием элемента НПВО для решения проблем автоматического анализа структурно-группового состава. Создано оптоэлектронное устройство НПВО для определения содержания эмульсионной воды в нефти и нефтепродуктах [4]. Преимущество НПВО-метода мониторинга, по сравнению с другими физико-химическими методами, заключается в точности и одновременном определении нескольких оптических параметров. Также,
метод НПВО превосходит названные методы в оперативности и простоте, обеспечивая в тоже время неразрушающий контроль [5, 6].
В данной статье предложена оптоэлектронная система многофункционального мониторинга нефтесодержащих сред на основе элемента НПВО, т. е. определение содержания влаги, солей, серы, температуры и расхода товарной нефти и нефтепродуктов. Блок схема системы, осуществляющей многофункциональный мониторинг при одновременной обработке всех п первичных сигналов У]-, приведена на рис. 1, на рис. 2 - вид датчика по сечению А-А.
Рис. 1. Функциональная схема системы Рис. 2. Вид датчика
Система включает датчик НПВО, выполненный в виде полуцилиндра 1, по всей длине полуцилиндра 1 на его цилиндрической поверхности расположены источники излучения 4-7, оптически связанные с измерительными фотоприемниками 8-11. Система также включает компенсационные источник излучения 12 и фотоприемник 13, оптически связанные между собой. Задающий генератор 2, соединенный с коммутатором 3, один выход которого соединен с компенсационным источником излучения 12, а другие выходы - с источниками излучения 4-7, выход каждого измерительного фотоприемника 8-11 соединен с одним из входов усилителя 14, выход которого соединен с первым входом блока обработки фотоэлектрического сигнала 15, второй вход которого соединен с компенсационным фотоприемником 13, а выход - с регистрирующим прибором 16. Каждый источник излучения 4-7 оптически связан через измерительный гран полуцилиндра 1 с соответствующим измерительным фотоприемником 8-11. Вместо регистрирующего прибора 16 может быть использована ЭВМ. В качестве источников излучения 4-7 и компенсирующего источника излучения 12 могут быть использованы светодиоды.
Система работает следующим образом. Задающий генератор 2 вырабатывает прямоугольные импульсы с частотой следования 8-10 кГц,
поступающие на вход коммутатора 3, который делит их на две части. Одна часть импульсов поступает на источники излучения 4-7, а другая часть - на компенсирующий источник излучения 12. Потоки излучения от источников излучения 4-7 фокусируются на измерительном гране полуцилиндра 1, отражаются и поступают на измерительные фотоприемники 8-11, где оптический сигнал преобразуется в электрический, который поступает на входы сумматора 14 и суммируется в нем. Оптическое излучение от компенсационного источника излучения 12 поступает на компенсационный фотоприемник 13.
Электрические сигналы с выхода усилителя 14 и компенсационного фотоприемника 13 поступают в блок обработки фотоэлектрического сигнала 15, где определяется отношение величин электрических сигналов, соответствующих компенсационному потоку и измерительным потокам излучения, которые пропорциональны параметрам среды. Электрический сигнал с выхода блока обработки фотоэлектрического сигнала 15 поступает на регистрирующий прибор 16 (или ЭВМ), по показаниям которого судят об измеряемых параметрах среды.
В последнее время для анализа содержания одного вещества в другом все чаще используют ИК-спектроскопию. Суть ИК-метода с использованием эффекта НПВО состоит в том, что длина волны измерительных светодиодов лежит в полосе поглощения ИК-спектра влаги, солей, серы, а опорных СИД -вне полосы поглощения, но близко к длине волны измерительных светодиодов и служит для компенсации неинформативных параметров.
Создание многофункциональных систем мониторинга нефтесодержащих сред
Применение ЭВМ в построении оптоэлектронных многофункциональных автоматических контрольно-измерительных систем (ОМАКИС) для решения конкретных задач анализа состава и свойств жидких сред является этапом дальнейшего более совершенного развития структуры оптических приборов.
ЭВМ обеспечивает выполнение аналого-цифровых измерительных преобразований, вычислительных процедур, выдачу полученной информации, формирование командной и другой служебной информации, необходимой для функционирования ОМАКИС.
Следует отметить, что создание аналитических измерительновычислительных комплексов с использованием микропроцессорной техники -одно из основных направлений развития комплексных автоматизированных аналитических систем контроля (ААСК) качества нефти и нефтепродуктов [7].
Применяя высокочувствительный метод на основе элемента НПВО, можно создать ААСК для качественного и количественного анализа нефти и нефтепродуктов. На рис. 3 приведена структурная схема ААСК качества нефти и нефтепродуктов на основе ОМАКИС. С помощью данной системы можно измерять одновременно следующие параметры: плотность, содержание воды, солей, серы, а также расход.
Во всех типах оптоэлектронных систем, предназначенных для контроля качества нефти и нефтепродуктов, использующих метод НПВО, всё чаще применяются микропроцессоры и ЭВМ, которые позволяют расширить функциональные возможности систем и повысить точность анализа за счет введения автоматической коррекции воздействия внешних факторов, например, температуры окружающей среды.
Встраивание современной ЭВМ позволяет автоматизировать процессы калибровки, наладки и диагностики ОМАКИС.
Создание высокочувствительной простой и надежной ААСК, обеспечивающей мониторинг нефтесодержащих сред, является в наше время актуальной задачей. Однако, как показано в данной статье, существуют различные и достаточно эффективные пути для достижения поставленной цели.
Рис. 3. Структурная схема ААСК качества нефти и нефтепродуктов на основе ОМАКИС: ОК - объект контроля; ОШ - общая шина; РОШ - расширитель общей шины. Автоматические измерители: р - плотности; Св - влажности; Сс
- солей; С8 - серы; рп - расхода
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ермаков, О.Н. Прикладная оптоэлектроника / О. Н. Ермаков. - М. Техносфера, 2004. - 416 с.
2. Госьков, П.И. Оптоэлектронные развертывающие полупроводниковые преобразователи в измерительной технике / П.И. Госьков. - Томск: ТГУ, 1978. - 190 с.
3. Рахимов, Н.Р. Оптический контроль в нефтеперерабатывающем производстве. монография / Н.Р. Рахимов. - Фергана: Техника, 2004. - 91 с.
4. Рахимов, Н.Р. Оптоэлектронные системы с применением эффекта НПВО для анализа состава нефти и нефтесодержащих сред / Н.Р. Рахимов // Современные проблемы геодезии и оптики. - Новосибирск: CTTA. - 2004. - С. 16З - 167.
5. Рахимов, Н.Р. Определение оптических параметров нефти и нефтепродуктов: сб. ст. / Н.Р. Рахимов, Р.Ж. Тожиев, A.A. Холмирзаев. - Бухара: INNOVATION, 2000. - C. 141 - 143.
6. Пат. РУз. IDP 0227 от З0.05.2001. Устройство для определения содержания эмульсионной воды в нефти и нефтепродуктах / Ш.М. Сайдахмедов, Р.Ж. Тожиев, Н.Р. Рахимов, A.X. Хайдаров. - Опубл. БИ. - 2005, № 6.
7. Телемеханические комплексы для нефтяной промышленности / A.A. Aбдyллаев, A.A. Джавадов, A.A. Левин, ИА. Набиев. - М.: Недра, 1982.
© Н.Р. Рахимов, 2006
