CC BY
7Исследование оптоэлектронного устройства
на основе элемента МНПВО для автоматического контроля содержания серы в нефти и нефтепродуктах
Ш.И. Мадумаров, ФГБОУ ВПО НГТУ
Аннотация. В данной статье исследуется рефрактометрический метод для
количественного и качественного определения содержания серы в нефти и нефтепродуктах в инфракрасном диапазоне. Предлагаемый чувствительный оптоэлектронный датчик применяется для экспресс-анализа содержания серы в нефти и нефтепродуктах.
Ключевые слова: Автоматика, Нефть, нефтепродукты, светоизлучающий диод, приемник оптического излучения, элемент НПВО, элемент МНПВО, оптоэлектронное устройство, датчик.
Известные в настоящее время наиболее перспективные оптические однофункциональные методы и средства мониторинга не обеспечивают высокой точности измерения из-за широкой области спектра поглощения тех или иных веществ, присутствующих в нефтесодержащих средах. В данный момент известно, что оптические методы все чаще применяются для определения одного вещества в другом при помощи оптических волн. Использование многофункциональных систем с применением эффекта нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО), определяющих одновременно несколько параметров, даёт возможность одновременно контролировать как физико-химические показатели, 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, таких как температура, влажность и уровень вибрации, которые могут учитываться при автоматической коррекции погрешностей.
Для определения качественного и количественного содержания серы в нефти и нефтепродуктах можно применять приставку элемента многократного полного внутреннего отражения (МНПВО) в виде трапеции. Не смотря на другие физико-химические методы, в точности и удобстве определения оптических параметров, метод НПВО превосходит их в экспрессной,
обеспечивая в то же время неразрушающий контроль [1]. В основе метода НПВО (рис. 1) лежит явление проникновения световой волны в оптически менее плотную среду п2, когда
световой поток Ф 01 распространяется из
оптически более плотной среды п в менее плотную п2 под углом 0, превышающим предельный угол полного внутреннего отражения 0к, [2]. Световой поток Ф0ц частично проникает в среду п2; на глубину порядка длины волны падающего излучения:
11
/ . 2 _ У/2
2р0- п2^
где 1 - длина волны излучения в оптически плотной среде с показателем преломления п1; п21 = п2 / п1 - относительный показатель преломления.
Рисунок 1. Физические основы метода НПВО.
Если угол излучения равен или превышает предельный 0к = arcslп п1 / п2, то наблюдается полное внутреннее отражение (метод ПВО). Поскольку менее плотная среда будет поглощать, отражение не будет полным, т.е. условия для этого нарушаются и коэффициент отражения (Я = Ф11 / Ф011) станет меньше 1. Степень ослабления Я пропорциональна показателю поглощения. Таким образом, чем выше поглощение, тем сильнее нарушается отражение. Это называется
эффект НПВО [3].
При измерениях методом МНПВО, по сравнению с методом пропускания, требуется дополнительная оснастка, необходим
продуманный выбор показателя преломления элемента МНПВО и угла падения света. Другое важное преимущество метода МНПВО -отсутствие интерференционных полос в спектре.
В ИК - области спектра для достижения условия П1 > п2 используются измерительные элементы НПВО из высокопреломляющих оптических материалов, прозрачных в соответствующем диапазоне [4]. Приставки выпускаются в двух вариантах: с однократным отражением или с многократным отражением. Приставки МНПВО чаще всего строятся по типовым схемам, показанным на рис. 2. На рисунке - 2. Наиболее простая схема а). Она используется для малого (5 - 10) числа отражений, поскольку в ней используются элементы сравнительно небольшой длины. Значительно большее число отражений получают в схеме б). Здесь элемент МНПВО имеет длину, близкую к максимально возможной при данном расстоянии от осветителя до монохроматора, в), является удобство исследования жидкостей, так
как число отражений легко изменять за счет глубины погружения в жидкость [5].
Приставки МНПВО предназначены в основном для аналитических целей, и поэтому сам элемент МНПВО и ряд принадлежностей к приставке выполняются с учетом решаемой задачи. Так, для проведения исследований в области электрохимии и биологии на рабочую поверхность элемента наносятся тонкие полупрозрачные слои золота и платины. Приставки, приспособленные для жидкостной хроматографии, имеют проточные
термостатированные кюветы [6].
Оптоэлектронный метод применяется для экспресс анализа состава и свойств нефти непосредственно в трубопроводе в процессе добычи и его общий принципиальный вид на рис. 3.
Повышение чувствительности достигается за счет того, что источники излучения и измерительные ПОИ расположены относительно друг друга под углом ~ 45° [7].
Рисунок 2. Приставки МНПВО: 1 - элемент МНПВО; 2 - 6 - плоские и сферические зеркала а) для малого число отражений, б) много число отражений, в) много число отражений применяется для жидкостей.
Рисунок 3. Оптический прибор на основе приставки элемента МНПВО: 1 - Светоизлучающие диоды, 2 - Приемники оптического излучения, 3 - Элемент МНПВО виде трапеция, 4 - Труба, где протекають исследуемый нефть или нефтепродукт, 5 - Исследуемый объект, 6 - Корпус оптоэлектронного датчика, 7 - Опоры для элемента МНПВО.
Предлагаемое оптоэлектронное устройство повышает точность для определения содержания серы в нефти и нефтепродуктах за счет элемента МНПВО. В этом оптическом методе принимаем элемент МНПВО для того, чтобы повысить качество анализа содержания серы в исследуемом продукте. Когда ИК луч проходит через элемент МНПВО, если исследуемый продукт содержит серу, часть луча из оптической плотной среды переходит на менее плотную оптическую среду. Оставшаяся часть луча полностью отражается от верхней части элемента МНПВО, так как верхняя часть элемента МНПВО является более плотной средой. Полностю отражаясь от верхней части элемента МНПВО, ИК луч вновь попадает в нижнюю часть элемента МНПВО, часть луча поглащается на исследуемом продукте так как исследуемый продукт содержит серу. Таким образом ИК луч будет отражаться и поглощаться до тех пор, пока не примет луч приемник оптического излучения. Этот оптический процесс неоднократного нарушенного полного внутренего отражения позволяет нам получить более точный и качественный результат для автоматического определения содержания серы в нефти и нефтепродуктах.
[2] Рахимов, Н.Р. Оптический контроль в нефтеперерабатывающем производстве / монография. - Фергана: Техника, 2004. - 91 с.
[3] Рахимов, Н. Р. Оптоэлектронные системы на основе эффекта НПВО для контроля технологических параметров нефти и нефтепродуктов / Н.Р. Рахимов, Л.Ф. Парфирьев // Изв. вузов. Приборостроение, 2005. - № 10. - С. 41 - 45.
[4] Рахимов Н.Р., Жмудь В.А., Мадумаров Ш.И. Исследование оптоэлектронного метода определения серы в нефти и нефтепродуктах с использованием вод /Сборник научных трудов НГТУ. - 2012. - №1. // Автоматика и програмнная инженерия.
[5] Кутенкова Е.Ю., Рахимов Н.Р., Мадумаров Ш.И., Исломов Д.Д. Математическая модель оптоэлектронного преобразователя для мониторинга жидких сред /Сборник научных трудов НГТУ. - 2012 № 2(2) стр. 36-40. // Автоматика и програмнная инженерия.
[6] Рахимов Н.Р. Оптоэлектронные системы с применением эффекта НПВО для анализа состава нефти и нефтесодержащих сред / кн. «Современные проблемы геодезии и оптики». - Новосибирск, 2004. - С. 163-167.
[7] Мадумаров Ш.И. Исследование аналитических методов и разработка оптоэлектронных систем для определения серы в нефти и нефтепродуктах. Маг. дисс. техники и техналогии, Новосибирск 2011, 88с.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Иоффе Б.В. Рефрактометрические методы в химии. Л.: Химия, 1983 г.
Шерзод Ильхомович Мадумаров
кафедры Автоматики. Е-таП: Гегаапа 10@mail.ru
аспирант НГТУ
