CC BY
77
УДК 546.16:182
ОПТОЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ
Елена Юрьевна Кутенкова
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, инженер кафедры метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-79, e-mail: kutenkova.elena@yandex.ru
Татьяна Вячеславовна Ларина
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, старший преподаватель кафедры метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-79, e-mail: larina_t_v@mail.ru
Олег Владиленович Минин
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-45, e-mail: kaf.metrol@ssga.ru
Игорь Владиленович Минин
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-45, e-mail: prof.minin@gmail.com
В статье рассматривается новая усовершенствованная конструкция оптоэлектронного колориметра для контроля жидких углеводородов, которая позволяет осуществлять контроль в ходе технологического процесса перекачки полупрозрачной жидкости, кроме того многократное отражение дает возможность с большей точностью определять оптическую плотность, светопропускание, светопоглощение, а также наличие и содержание компонентов в составе жидкостей.
Ключевые слова: жидкие углеводороды, качество нефтепродуктов, коэффициенты отражения и пропускания, многократное отражение и пропускание.
OPTOELECTRONIC DEVICE FOR MEASURING INDICATORS THE QUALITY OF LIQUID HYDROCARBONS
Elena Yu. Kutenkova
Siberian State University of Geosystems and Technology, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., engineer of the department of metrology and optical technology, tel. (383)361-07-79, e-mail: kutenkova.elena@yandex.ru
Tatiana V. Larina
Siberian State University of Geosystems and Technology, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., senior teacher of the department of metrology and optical technology, tel. (383)361-07-79, e-mail: larina_t_v@mail.ru
Oleg V. Minin
Siberian State University of Geosystems and Technology, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., doctor of technical sciences, head of a department of metrology and optical technology, tel. (383)361-07-45, e-mail: kaf.metrol@ssga.ru
Igor V. Minin
Siberian State University of Geosystems and Technology, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., doctor of technical sciences, professor of the department of metrology and optical technology, tel. (383)361-07-45, e-mail: prof.minin@gmail.com
This article discusses a new improved design of optoelectronic colorimeter for the control of liquid hydrocarbons, which allows you to control during the manufacturing process of pumping translucent liquid, in addition a lot of times the reflection gives the opportunity to more accurately determine the optical density, light transmission, light absorption, and the presence and contents of the components in the composition of liquids.
Key words: liquid hydrocarbons, the quality of petroleum products, the coefficients of reflection and transmission, multiple reflection and transmission.
Основной задачей технического анализа и контроля жидких углеводородов является возможность однозначно охарактеризовать их физико-химические и эксплуатационные свойства с учетом особенностей применения. Требования по показателям качества, предъявляемые жидким углеводородам, содержатся в стандартах и технических условиях, в которые включают требования по составу и физико-химическим свойствам нефтепродуктов и некоторые важнейшие показатели, характеризующие их эксплуатационные свойства.
Во всех случаях анализ нефтепродуктов осуществляют по тем показателям, которые включены в стандарт на этот продукт. При анализе и контроле качества жидких углеводородов применяют различные физико-химические и специальные методы и многочисленные приборы и установки. Кроме того, методы оценки состава нефтепродуктов и их физико-химических свойств широко используют как при контроле процесса производства жидких углеводородов, так и при определении их марок, хранении и транспортировке.
Прежде всего, рассмотрим сырую нефть, которая является жидкой природной ископаемой смесью углеводородов широкого физико-химического состава и содержит растворенный газ, воду, минеральные соли, механические примеси и служит основным сырьем для производства жидких энергоносителей (бензина, керосина, дизельного топлива, мазута), смазочных масел, битумов и кокса.
Свойства жидких углеводородов определяют направление их переработки и влияют на продукты, получаемые из нефти, поэтому существуют различные виды классификации, которые отражают химическую природу жидких углеводородов и определяют возможные направления переработки.
Качество нефтепродуктов определяется их составом: именно он определяет направление переработки нефти и влияет на конечные продукты.
Важнейшими характеристиками свойств жидких углеводородов являются:
- плотность нефти;
- показатель преломления;
- фракционный состав;
- содержание серы;
- содержание парафинов; содержание воды; содержание хлористых солей; вязкость;
содержание механических примесей; цвет;
давление насыщенных паров.
В статье рассматривается устройство на базе оптоэлектронного метода для контроля оптических характеристик жидких углеводородов.
Цвет полупрозрачных нефтепродуктов (бензина, масла, автола, мазута и т.п.), выпускаемых нефтеперерабатывающей промышленностью, является значимым показателем их качества.
Концентрацию одного нефтепродукта в другом определяют по интенсивности окраски их смеси на основании закона Бугера-Ламберта-Бера:
Ф,=Ф0,е"к^ (1)
где Ф> - поток монохроматического излучения с длиной волны А, после прохождения через нефтепродукт; Ф0я, - первоначальный поток монохроматического излучения, попадающий в нефтепродукт; к^ -коэффициент поглощения, зависящий от длины волны излучения, природы растворенного нефтепродукта и температуры; С - концентрация растворенного вещества; ё - толщина поглощающего слоя.
Преобразованием данного уравнения можно получить основные фотометрические величины, применяемые в практике. Это - оптическая плотность Э, светопропускание Т\, светопоглощение А^. В зависимости от коэффициента поглощения к?, и толщины слоя ё, можно определить концентрацию растворенного вещества С [1].
В практических решениях, преобразовывая световые потоки Ф0я, и Ф, с помощью оптоэлектронных преобразователей в соответствующие электрические сигналы У0 и У, можно по их величине определить те или иные оптические характеристики нефтепродуктов. При работе оптоэлектронного преобразователя на линейном участке световой характеристики, когда
Ф = Кх У, (2)
где Кх - коэффициент пропорциональности. Учитывая (2), можно записать
Ф. У
п = (3)
Ф^ У
ТА =——хЮ0% = —х100% (4)
<Т> V 4 '
О А,
Фа - Ф Уа - У /сл
А, =—--хЮ0% = —--хЮ0% (5)
л Ф У
Из этих уравнений видно, что оптическая плотность Э прямо пропорциональна концентрации вещества в растворе. Если изменение концентрации С раствора красителя или любого химического компонента вызывает изменение КЛ, то будем иметь отклонение от закона Бугера-Ламберта-Бера. [1].
Эти характеристики предлагается определять при помощи оптоэлектрон-ного устройства, конструкция которого изменена по сравнению с ранее рассматриваемыми в работах [2 - 10] колориметрами.
Контроль жидких углеводородов осуществляется при прохождении светового потока через контролируемую среду. Колориметр (рис. 1) содержит задающий генератор 7 (источник импульсного напряжения) коммутатор 8, свето-излучающие диоды 9 и 5, контролируемая жидкость 2, посеребренные пластины 3 с отражающими поверхностями, измерительные фотоприемники 6 и 10, блок обработки фотоэлектрического сигнала 11, регистрирующий прибор 14 (например, э.в.м.). Лазерный диод 9 и измерительный фотоприемник 11 образуют опорную оптопару, которая предусмотрена для того, чтобы сравнивать измерительные сигналы с сигналом опорного канала и обеспечивать достоверность результатов измерения. Кювета, в которую подаются жидкие углеводороды в процессе контроля, выполняется в виде четырех склеенных плоскопараллельных пластин с отражающими поверхностями. К кювете присоединяется стеклянная градуированная воронка 1, куда заливается контролируемая жидкость 2. Снизу полость может перекрываться краном 4.
Основные технические характеристики устройства: Абсолютная погрешность измерений не более 0.010 Б в диапазоне оптической плотности 0.000-0.800 Б; длины волн источников излучения могут изменяться, предлагается использовать следующие 920, 680, 560, 450 нм. Питание 220 В, 50 Гц, 3 Вт; Габариты прибора 200 х 50 х 200 мм, масса < 3.0 кг.
Точность измерений повышена благодаря многократному прохождению излучения через исследуемый объект и стационарному расположению кюветы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Оптоэлектронный анализатор цвета полупрозрачных жидкостей / Н. Р. Рахимов, О. К. Ушаков, Е. Ю. Кутенкова и др. // ГЕ0-Сибирь-2009. V Междунар. науч. конгр. :
Рис. 1. Схема фотоколориметра
сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 20-24 апреля 2009 г.). - Новосибирск: СГГА, 2009. Т. 5, ч. 1. - С. 123-128.
2. Оптоэлектронный метод анализа физико-химических параметров нефти и нефтепродуктов / Н. Р. Рахимов, Е. Ю. Кутенкова, Т. В. Ларина и др. // ГЕО-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск: СГГА, 2010. Т. 5, ч. 1. - С. 173-179.
3. Кутенкова Е. Ю. Разработка оптоэлектронного фотоколориметра для автоматического анализа жидких сред // ГЕ0-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 5, ч. 1. - С. 191-195.
4. Пат. 2413201 Российская Федерация, МПК51 G01N 21/03. Оптоэлектронный фотоколориметр / Рахимов Б. Н., Ушаков О. К., Кутенкова Е. Ю., Ларина Т. В.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия». - № 2009146659/28; за-явл. 15.12.2009; опубл. 27.02.11, Бюл. № 6. - 4 с. : ил.
5. Пат. ат. 2485484 Российская Федерация, МПК51 G01N 21/03. Оптоэлектронный мно-гопараметровый колориметр / Рахимов Б. Н., Кутенкова Е. Ю., Мадумаров Ш. И., Алижа-нов Д. Д., заявитель и патентообладатель Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия». - № 2011153209/28; заявл. 26.12.2011; опубл., Бюл. № 17. - 7 с. : ил.
6. Оптоэлектронный автоматический колориметр / Б. Н. Рахимов, О. К. Ушаков, Е. Ю. Кутенкова, Т. В. Ларина // Приборы и техника эксперимента. - 2011. - № 5. - С. 161-162.
7. Кутенкова Е. Ю. Оптоэлектронный многопараметровый автоматический колориметр // Датчики и системы. - 2012. - № 4 (155). - С. 37-39.
8. Ушаков О. К., Кутенкова Е. Ю., Серьезнов А. Н. Автоматический колориметр на основе оптоэлектронных преобразователей // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 1. - С. 146-151.
9. Рахимов Н. Р., Кутенкова Е. Ю., Серьезнов А. Н. Принципы построения оптоэлектронных устройств для контроля параметров жидких сред // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. Междунар. науч. конф. «Сиб0птика-2013» сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск: СГГА, 2013. Т. 1. -С. 296-301.
10. Математическая модель работы устройства измерения оптических параметров жидких сред / Е.Ю. Кутенкова, Т.В. Ларина и др. // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2014. Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Сиб0птика-2014» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск: СГГА, 2014. Т. 2. - С. 104-109.
© Е. Ю. Кутенкова, Т. В. Ларина, О. В. Минин, И. В. Минин, 2015
