ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 681.586.5: 621.384.3

Оптоэлектронные методы измерения и контроля технологических параметров нефти и нефтепродуктов

Н.Р.Рахимов, В.А. Жмудь, В.А.Трушин, И. Л. Рева, И.А. Сатволдиев НГТУ (Новосибирск, Россия)

Аннотация: В настоящей работе даны основы оптоэлектронных методов измерения и контроля, а также принципы построения многофункциональных оптоэлектронных

физико-химических

систем

анализа

параметров нефти и нефтепродуктов. Рассмотрены оптоэлектронные влагомеры с применением эффекта НПВО и анализ основных конструкций НПВО-датчиков, приведены практические схемы

оптоэлектронных систем неразрушающего контроля.

Ключевые слова: Нефть и нефтепродукты, оптрон, оптоэлектронные датчики. Эффект НПВО, оптические волокна, линзы.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время одним из быстро развивающихся направлений физики полупроводников, оптики и электроники является оптоэлектроника. Техническую основу оптоэлектроники определяют конструктивно-технологические концепции современной электронной техники: миниатюризация элементов, предпочтительное развитие твердотельных плоскостных конструкций, интеграция элементов и функций, ориентация на специальные сверхчистые материалы, применение методов групповой обработки изделий.

В практике развитых странах мира, как США, Япония, Германия и др., неплохо освоена разработка оптоэлектронных систем неразруша-ющего контроля различного назначения. Однако в России отсутствуют или плохо внедряются различные оптоэлектронные контрольно-измерительные системы. Создание многофункциональных систем для оптоэлектронного мониторинга физико-химических параметров веществ и изделий характеризуется своими особенностями и трудностями, требующими изыскания новых научных, технических и технологических решений. Поэтому необходимо глубокое понимание физических процессов, происходящих в элементах нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) и оптических волокнах (ОВ), в источниках и приемниках излучения для разработки на их основе высокочувствительных датчиков для

мониторинга физико-химических параметров нефти и нефтепродуктов.

Преимущества разрабатываемой системы по сравнению с другими известными устройствами состоят в том, что, в отличие от датчиков, использующих электрический ток, оптоэлект-ронные НПВО и оптоволоконные датчики не требуют изоляции, линзы и световоды не подвержены коррозии, что способствует более эффективной автоматизации процессов измерений.

На современном этапе научно-технического развития большое значение приобретают системы автоматического управления производственными процессами и контроля качества. Несомненно, значительный экономический эффект нефтяной отрасли дает автоматизация за счет снижения трудоемкости, увеличения производительности оборудовения, повышения объема и качества выпускаемой продукции.

Развитие систем автоматического управления производственными процессами основывается на непрерывном совершенствовании их элементной базы - первичных измерительных преобразователей (ПИП) и, в частности, оптоэлектронных ПИП.

Оптоэлектронные ПИП автоматических устройств, используемые в нефтяной промышленности, должны контролировать основные технологические параметры, определяющие оптимальный ход технологического процесса, такие как влажность или содержание воды, оптическая плотность, цвет, содержание одного вещества в другом и другие характеристики, поддающиеся оптическому контролю.

В настоящее время сфера применения волоконно-оптических систем (ВОС) стремительно расширяется. Волоконно-оптические датчики (ВОД) относятся к перспективному классу ВОС и по своим техническим характеристикам существенно превосходят датчики физических величин (давления, температуры, и т. д.) других типов [1-5]. Научные и коммерческие организации разрабатывают и внедряют ВОД на основе новейших достижений всех направлений оптики, включая спектроскопию, интерферометрию, мультиплексирование и флуоресценцию. Хотя разработки ВОД проходили быстрыми темпами (частично на основе

производственных достижений в телекоммуникации), в целом внедрение ВОД шло недостаточными темпами. В последние несколько лет в этом направлении наметились положительные сдвиги, благодаря тому, что разработчики в поисках путей расширения рынка, доказали выгодность применения ВОД. Так, если в 1994 году, по оценкам Японской Ассоциации Развития Оптоэлектронной Промышленности и Технологии, общая сумма продаж ВОД составила 920 млн. долларов, то к 2015 году, по оценке, сделанной специалистами Мэрилендского университета, объёмы продаж возрастут до 7 миллиардов долларов. Согласно исследованиям, проведенным Японскими и североамериканскими оптическими корпорациями, ВОД подразделяются на следующие основные типы: температуры, давления, нагрузки, химические, биомедицинские, электрические и магнитные, вращения, вибрации, перемещений и потока. Многие из этих датчиков разработаны не для широкого применения, а для узко ведомственных целей. Такие специальные датчики, несмотря на чрезвычайную эффективность, не нашли, кроме нескольких исключений, широкого применения. Этими исключениями являются: датчики для нефтехимической отрасли, датчики для мониторинга зданий, транспорта и биомедицины [6]. Последние три относятся к обычным (бытовым) применениям и в данной работе рассмотрены не будут. Целью данной работы является раскрытие возможностей первого из упомянутых применений, относящегося к мониторингу взрывоопасных зон. К сожалению, как производство самых современных ВОД, так и их использование в настоящее время сосредоточены в зарубежных странах. Популяризация оптоэлектронных ПИП для их продвижения на рынок России является одной из целей настоящей статьи.

В отечественных и зарубежных источниках, посвященных автоматическому измерению и контролю технологических параметров нефти и нефтепродуктов, уделено мало внимания вопросам оптоэлектронного контроля состава и свойств нефти и нефтепродуктов в нефтяном производстве. Поэтому настоящая статья систематизирует и обобщает материалы, накопленные за последние годы авторами и отечественной практикой, а также, зарубежным опытом по вопросам разработки, применения и эксплуатации оптоэлектронных методов.

1. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ

В последнее время оптоэлектронные методы измерения и контроля с успехом применяются для количественного и качественного анализа веществ и материалов. Высокая точность и чувствительность, экономичность и безопас-

ность являются их преимуществами по сравнению с другими физико-химическими методами анализа.

Суть оптоэлектронного метода анализа состоит в том, что любое вещество отражает или поглощает, или излучает свет. При этом в зависимости от химического состава вещества и количественного соотношения составляющих его элементов изменяется интенсивность светопоглощения, угол отражения и другие характеристики взаимодействия светового излучения и вещества.

При контроле нефти и нефтепродуктов оптоэлектронными методами можно косвенно судить о содержании в них асфальто-смолистых веществ, влаги, о глубине очистки нефтепродуктов, о превалировании тех или иных групп углеводородов, о возрасте и происхождении нефти, содержание одного вещества в другом и т. п. В зависимости от того, какой параметр светового излучения положен в основу, различают различные оптические методы анализа, классификация которых показана на Рис. 1 [1].

В зависимости от физических явлений,

изменяющих параметры светового потока, прошедшего через исследуемую среду, оптические устройства для контроля физико-химических параметров нефти и нефтепродуктов можно подразделить на три группы: фотометрические, рефрактометрические, поляриметрические (см. Рис. 1).

В зависимости от области применения этих устройств их можно подразделить на пять групп: оптические средства для изучения структуры и состава жидкостей, оптические концентромеры, оптические средства для определения и контроля кинетики различных физических и химических процессов, т. е. для изучения взаимодействий и превращений веществ, оптические расходомеры.

Кратко охарактеризуем эти методы.

Поляриметрический метод анализа продуктов основан на измерении угла вращения плоскости поляризации луча света, прошедшего через оптически активную среду.

Ограничение числа оптические активных сред препятствует широкому распространению этого метода. Нефть и нефтепродукты также входят в число оптически активных сред. Однако в зависимости от месторождения и химического состава одни нефтепродукты обладают высокой оптической активностью (нефти, богатые парафиновыми и нафтеновыми углеводородами), а другие малой (нефти, богатые нафтеновыми и ароматическими углеводородами) [2].

Фотометрический метод в основном применяется для анализа жидких веществ и растворов. В этом методе либо сравниваются цвета анализируемой жидкости со стандартным раствором, либо измеряется степень поглощения света (разного цвета) [3].

Рис. 1. Классификация оптоэлектронных средств нефтепродуктов

Рис. 2. Оптоэлектронный анализатор утечек Л001 фирмы Optical Systems industries, Inc (США)

Рефрактометрический метод, основывающийся на определении показателя преломления исследуемых сред с применением эффекта нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) и многократного нарушенного полного внутреннего отражения (МНПВО), характеризуется высокой точностью, технической простотой и доступностью. Одним из направлений использования оптоэлектронных ПИП является определение уровня основного продукта и подтоварной воды в резервуарах.

и контроля физико-химических параметров нефти и

Известно [2] несколько вариантов устройства зондов волоконно-оптических уровнемеров. Это, и просто оптический зазор между торцами двух световодов, и различного типа отражатели, и изогнутый в виде петли световод, с некоторого участка которого удалена отражающая оболочка. Действие такого прибора основано на уменьшении интенсивности светового потока при пересечении зондом границы раздела фаз. Типичным примером использования такого технического решения является волоконно-оптический сигнализатор аварийного уровня и уровнемеры, выпускаемые рядом зарубежных фирм, среди которых отметим китайскую компанию Wuhan Zhongguang Photoelectric Co., Ltd. [http://ccne.mofcom.gov.cn/486517]. Абсолютная погрешность измерения уровня у датчиков, выпускаемых этой компанией снижена до значения 0,1 мм. На этом же принципе основано и действие сигнализатора утечек Ж&301, производимого американской компанией Optical Systems Industries Inc. (Рис. 2). Эти приборы могут работать как в автономном режиме индикации, так и в составе более сложных систем, имеющих выход на исполнительные механизмы. Для решения более сложной задачи измерения уровня нефтепро-

дуктов с целью их коммерческого учёта весьма перспективным представляется использование метода измерения гидростатического давления. Американская компания Paroscientific Inc. недавно начала производство волоконно-оптических датчиков давления серии 790, погрешность которых составляет 0,01%, а разрешающая способность 0,0001%. Действие этих датчиков основано на использовании в его зонде кварцевого резонатора, обеспечивающего высокую точность и стабильность измерений [8]. Расчёты показывают, что, используя эти приборы можно добиться абсолютной погрешности определения уровня не более 0,5 мм. Отметим, что точность определения уровня у обычно используемых для этой цели датчиков магнитострикционного типа составляет 1 мм.

Рис. З.Оптоэлектронный ИК - спектрометр Matrix F фирмы Bruker (Германия)

Проблема точного определения химического состава нефти и нефтепродуктов весьма актуальна на объектах нефтехимии, поскольку операторам технологических линий для оптимизации процесса необходима точная и своевременная информация о состоянии нефтепродуктов в фиксированных точках процесса. Наиболее распространённым методом для таких анализов в настоящее время является хроматография. Не умаляя всех достоинств этого метода, отметим, что с его помощью не всегда возможно получение экспресс информации, затруднён on-line анализ, требуется проведение соответствующих мероприятий по взрывобезопасности, поскольку токоведущие части прибора (в случае on-line анализа) находятся вблизи взрывоопасных зон. В качестве альтернативного метода в настоящее время всё чаще применяется спектроскопия ближнего ИК-диапазона. Известно [11], что нефть и продукты её переработки представляют сложную смесь углеводородов самых различных классов, имеющих полосы поглощения в ближней ИК-области спектра. Исследования спектров поглощения дают возможность

полного количественного анализа химического состава нефти и нефтепродуктов. Важной вехой в развитии метода ИК-спектроскопии для рутинных анализов в нефтеперерабатывающей промышленности явилась разработка выносных волоконно-оптических зондов [12].

Конструкция такого зонда представлена на Рис. 3. Оптическое излучение с выхода спектрометра вводится в волоконно-оптический кабель (ВОК) и подаётся в зонд. Взаимодействие оптического излучения с нефтепродуктом происходит в регулируемом оптическом зазоре зонда. Далее оптическое излучение по другой световедущей жиле ВОК поступает на фотоприёмник спектрометра. Зонды с помощью резьбовых или фланцевых соединений устанавливаются в нужных точках технологической линии. Использование мультиплексора позволяет подключить к одному измерительному прибору до 48 зондов. Длина ВОК составляет до 600 м. Одним из наиболее известных производителей оборудования для ИК-анализа в настоящее время является немецкая компания Bruker, специализирующаяся на выпуске ИК-спектрометров, в том числе и оборудованных выносными волоконно-оптическими зондами. Разработанная этой фирмой компьютерная программа OPUS/QUANT-2 позволяет производить полный количественный анализ состава нефти и нефтепродуктов. Израильская компания PetroMetrix

специализируется на производстве ИК-спектрометров дисперсионного типа Beacon с волоконно-оптическими датчиками и программой Freetune для обработки данных. Преимущества метода спектроскопии ближнего ИК-диапазона с волоконно-оптическими зондами можно сформулировать так:

• Реализация on-line контроля.

• Быстрота анализа.

• Простота проведения измерений.

• Высокая точность и воспроизводимость анализа.

• Автоматизация измерений.

Очевидно, на эту систему распространяются

и преимущества ВОД, изложенные нами выше. Стоимость системы ИК-анализа по оценкам специалистов фирмы PetroMetrix, например, для анализа процесса непрерывной каталитической регенерации Нафты, составляет менее 1/3 цены традиционного анализа и к тому же обеспечивает значительную экономию при установке и обслуживании [12, 13]. В качестве ещё одного примера может служить применение волоконно-оптического ИК-анализатора Beacon с программой Freetune на установке дистилляции сырой нефти на нефтеперерабатывающем заводе в канадском городе Онтарио. Один анализатор с тремя выносными зондами заменил два газовых хроматографа, один rvp-анализатор и оборудование для измерения RON и MON. Это позволило заводу сэкономить 200 000 долл.

капитальных вложений и 30 000 долл. ежегодно оборотных средств.

2. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ КОНТРОЛЬ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЖИДКИХ СРЕД

Как указано выше, в связи с необходимостью повышения эффективности производства в нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей промышленности, а также развития автоматизированных систем управления, постоянно возрастает значение оптоэлектронных ПИП. Интенсивное развитие оптоэлектроники позволило создать оптоэлектронные неразрушающие методы и устройства автоматического контроля, удовлетворяющие требованиям, предъявляемым к первичным преобразователям: бесконтактность контроля, высокая чувствительность, точность, быстродействие, надежность, малые габариты и энергопотребление.

К настоящему времени в области создания оптоэлектронного ПИП авторским коллективом накоплен большой объем научных материалов и разработан ряд оптоэлектронных устройств для неразрушающего контроля физико-химических параметров жидких сред [14-23, 27-34].

Основными физико-химическими параметрами, определяющими оптимальный ход технологического процесса, являются цвет (для нефтепродуктов, хлопкового масла, соков, напитков и т. п.), влагосодержание (для нефти и нефтепродуктов, хлопкового масла, глицерина и т. п.), а также оптическая плотность, содержание одного вещества в другом и другие характеристики, поддающиеся оптическому контролю.

Современное оптоэлектронное устройство состоит из трех основных узлов: источника излучения - светоизлучающего диода (СИД), лазерного диода (ЛД), различных линз и приемника оптического излучения (ПОИ). В последнее время в качестве источника излучения все шире применяются полупроводниковые источники некогерентного излучения (СИД) и когерентного излучения (ЛД) [18, 19]. Их преимущество по сравнению с другими источниками заключается в малых габаритах и массе, энергоемкости, способности выдерживать значительные механические перегрузки, высокой стабильности, надежности в работе, малой инерционности, простоте модуляции излучения.

Эти свойства СИД и ЛД позволяют использовать их в качестве источников излучения в составе бесконтактных измерительных схем. Сочетание малой инерционности с линейной зависимостью мощности излучения от тока делает возможным использование СИД и ЛД в качестве источника излучения с управляемой интенсивностью, которую можно модулировать весьма высокой частотой или изменять по определенному закону за весьма короткий

промежуток времени. Основным недостатком СИД является нестабильность излучения при изменении температуры, что можно исключить правильным подбором режима питания или термостатированием [20, 38-48].

В оптоэлектронных ПИП функции приемника излучения выполняет ПОИ, который является первичным преобразователем [21]. Роль последнего сводится к пропорциональному преобразованию освещенности его светочувствительной поверхности в выходное напряжение или ток. Такое преобразование оптического сигнала в электрический происходит вследствие того, что, при изменении потока излучения, в ПОИ меняется сопротивление либо возникает электродвижущая сила.

К ПОИ, основанным на внешнем фотоэффекте, принадлежат вакуумные фотоэлементы: фотоэлектронные умножители (ФЭУ) и болометры. К ПОИ с внутренним фотоэффектом относятся фотодиоды, фоторезисторы, фототранзисторы, лавинные фотодиоды, приборы с зарядовой связью (ПЗС) и АФН-приемники [22].

ПОИ обладают различной спектральной чувствительностью - ее область для ФЭУ находится в пределах 0,16... 1,1 мкм, а у фотодиодов зависит от исходного полупроводникового материала: для кремниевых она составляет от 0,4 до 1,2 мкм, для германиевых - от 0,4 до 1,2 мкм. Область спектральной чувствительности фоторезисторов лежит в пределах от 0,4 до 10 мкм, а АФН-приемников - от 0,4 до 2 мкм. Используемые в этих ПОИ линзы (полушарные, шарообразные, цилиндрические и т. п.) изготовлены Санкт-Петербургским оптико-механическим объединением (ЛОМО).

Оптоэлектронные средства для контроля оптических параметров жидких сред в зависимости от физических явлений, определяющих параметры прошедшего через исследуемую среду светового потока, подразделяют на три группы: фотоэлектрические, рефрактометрические, поляриметрические [1]. В зависимости от области применения, их можно разделить на пять групп: для изучения структуры и строения веществ; для определения и контроля кинетики различных физически и химических процессов, т. е. для изучения взаимодействий и превращений веществ; оптоэлект-ронные уровнемеры; оптоэлектронные расходомеры. По принципу построения датчики подразделяются на одно- и многоволновые.

Многоволновый метод основан на принципе облучения контролируемого объекта двумя или более световыми потоками. По результатам исследования физико-химического состава и спектральных характеристик для контроля цвета полупрозрачных жидкостей (хлопкового масла, соков, напитков и т. п.) в ходе технологического процесса выбран двухволновый метод. При этом используется зеленое излучение с длиной волны 1 = 0,56 мкм и красное с 1 = 0,68 мкм.

Конструктивно датчик-анализатор ДЦ-5М [15] состоит из корпуса и электронного блока, соединенных между собой кабелем.

Основными узлами датчика являются два идентичных кварцевых колпачка. Внутри одного из них находятся два СИД, в другом -идентичные АФН-приемники. Между кварцевыми колпачками протекает анализируемая полупрозрачная жидкость.

Действие устройства УФД-4М [16] для контроля качественных параметров жидкостей (мутности, цветности, кислотности) основано на принципе регистрации интенсивности световых потоков, прошедших через контролируемую жидкость и эталонный раствор. Оно работает следующим образом. Блок питания снабжает идентичные генераторы стабилизированным током. Каждый генератор в отдельности вырабатывает импульсные токи, которые подводятся к идентичным СИД. Излучения, проходящие через контролируемую жидкость и эталонный раствор, поступают на АФН-приемники. Далее, разница сигналов, пропорциональная контролируемому параметру, регистрируется измерительным прибором.

На основе элемента нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) с использованием двухволнового принципа разработан датчик ИВГ-2М [21] для контроля концентрации глицерина и датчик-зонд для определения влажности. Применение элемента НПВО обеспечивает получение надежных результатов, высокую воспроизводимость, необходимую точность и высокую чувствительность, позволяет простыми средствами осуществить эффективный контроль концентрации глицерина, а также осуществлять их автоматизацию.

Разработанный датчик-зонд [23] для определения влажности и содержания воды в цистернах с различными жидкостями (нефть, нефтепродукты, жирные кислоты, глицерин и т. п.) работает следующим образом. Его погружают в исследуемую жидкость, при этом чувствительный элемент (элемент НПВО на основе светоизлучающих диодов и АФН-приемника) с помощью привода углубляется в жидкость. По мере движения чувствительного элемента происходит непрерывное самоочищение его чувствительной грани с помощью очистительных щеток, равномерно размещенных вдоль корпуса.

Разработаны также уровнемер для контроля химически активных жидких сред (СО2, нефтепродукты, глицерин и др.) на основе АФН-приемника. Используемые в нем светоди-оды со спектром излучения на опорной и измерительной длинах волн выбирают по специальным характеристикам контролируемой жидкости. Устанавливается необходимая мощность излучения светодиода.

Устройство НПВО (Рис. 4) предназначено для контроля физико-химических параметров

(концентрация, влажность, показатель преломления и поглощения и т. п.) жидких сред [24]. Оно включает шар-линзу 1 с полостью в виде призмы, проходящей через ее центр, задающий генератор (источник импульсного питания) 2, триггер 3 со счетным входом, излучающие диоды 4, 6, 8, 10 и компенсационный светоизлучающий диод 12, измерительные 5, 7, 9, 11 и компенсационный 14 ПОИ, сумматор 13, сравнивающий блок 15 и регистрирующий прибор 16. Внутри шар-линзы 1, работающей на основе НПВО-эффекта, выполнена полость в виде п-гранной призмы. Соответственно устройство содержит п - 1 дополнительных источников излучения и измерительных ПОИ, а также сумматор. Каждый источник излучения оптически связан через одну из граней призмы с соответствующим ПОИ. Далее разница сигналов суммарного измерительного и дополнительного ПОИ, пропорциональная контролируемому параметру, подается на измерительный прибор 16.

При прохождении через призменное отверстие шар-линзы, исследуемое вещество оказывает давление на его измерительные грани. Благодаря этому осуществляется хороший контакт исследуемого вещества с оптическим элементом, за счет чего повышается точность измерений.

Разработанное устройство имеет следующие технические характеристики:

Напряжение питания, В .................. 220

Частота, Гц............................................50

Потребляемая мощность, Вт, не более . .5 Предел контроля цветности

(ЦНТ) 0,1... 8,0

Чувствительность (ЦНТ)................... 0,05

Предел измерения влажности, %.....0...20

Предел измерения мутности, %.......1...50

Габариты, мм...................... 200 х 50 х 200

Масса, кг. не более............................. 0,5

В целом оптоэлектронные системы с набором различных линз можно использовать в контрольно-измерительной технике в качестве параметрического измерительного преобразователя неэлектрических величин, таких как плотность, влажность, координаты движущихся объектов, цвета, шероховатость, концентрация, уровень жидкостей и т. д. Следует отметить, что применение этих линз открывает широкие возможности в разработке многофункциональных измерительных устройств для нераз-рушающего контроля различных физико-химических параметров.

3. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ЭКСТРЕННОГО КОНТРОЛЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ ПЕРЕКАЧКИ НЕФТИ

При последовательной перекачке сырой и обессоленной нефти контрольными параметрами являются содержание влаги, суммарное количество минеральных солей, плотность и т. д. Для идентификации нефти используют физико-химические методы анализа ее состава и свойств [25]. Исходя из современного уровня требований по качеству нефтепродуктов, предъявляемых к нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, необходимо внедрение высокочувствительных методов экспресс-анализа. В настоящее время все более широко применяются оптические методы контроля в видимой и инфракрасной областях спектра [19, 20]. ИК-спектры дают более полный набор признаков, отражающих особенности углеводородного состава нефти различного происхождения.

Для контроля состава таких веществ, как нефть, можно использовать многофункциональные оптические методы, основанные на регистрации ослабления нескольких монохроматических световых потоков при прохождении через объект. В случае неоднородной среды

поглощение энергии подчиняется закону Бугера-Ламберта-Бера [1].

Согласно простейшей модели функционирования оптических приборов указанного назначения, световой поток в нефти распространяется от СИД. Пройдя через анализируемый продукт, он поступает на светочувствительную площадь ПОИ. Принцип действия такого устройства основан на регистрации изменения логарифма отношения световых потоков [1].

Нефть характеризуется значениями оптического поглощения 0,01 < % < 0,2. Можно достичь условий, при которых ее оптическая плотность не выходит за пределы рабочего интервала, обеспечивающего удовлетворительную точность фотометрических измерений (например, 0,2 < D < 0,8), путем изменения концентрации поглощающего вещества (например, его разбавление растворителем). Недостатком этого способа является возможность случайных погрешностей и нарушение структуры анализируемого вещества.

Одним из авторов настоящей статьи на основе линз и элемента НПВО разработан оптический анализатор структурно-группового состава нефти и нефтесодержащих сред, упрощенная схема которого показана на Рис. 5. По точности и детальности определения характеристик он не

уступает приборам на основе других физико-химическим методов [47] и при этом превосходит их в скорости выполнения экс-

пресс-анализа и в простоте, обеспечивая нераз-рушающий контроль.

Рис. 5. Анализатор структурно-группового состава нефти и нефтесодержащих сред

Прибор состоит из задающего генератора 1, триггера 2, схем совпадений 3 и 4, электронных ключей 5 и 6, излучающих диодов на опорных и измерительных длинах волн 7 и 8, линзы-полушара 9 (элемент НПВО), ПОИ 10, усилителя 11, аналогового коммутатора 12, интеграторов 13 и 14, порогового устройства 15 и измерительного прибора 16. Световой поток Ф01 распространяется из оптически плотной среды с показателем преломления п1, в менее плотную среду с показателем п2 под углом 0, превышающим предельный (критически) угол полного внутреннего отражения 0 Световой поток Ф011 частично проникает в среду с показателем и2; на глубину порядка длины волны падающего излучения [1].

В ИК-области спектра для достижения И1 > п2 используют измерительные элементы НПВО из высокопреломляющих оптических материалов, прозрачных в соответствующем диапазоне. Поскольку для нефти из различных месторождений показатель преломления варьируется в интервале п = 1,3 1,6, то, выбирая подходящие по физико-химическим свойствам оптические материалы с п > 1,6, можно реализовать условие НПВО для автоматической идентификации нефти.

Важным преимуществом предлагаемого метода при разработке приборов экспресс-контроля качества нефти является то, что в условиях НПВО практически отсутствует рассеяние излучения на дисперсионной фазе (эмульсионная влага, механические примеси).

4. ДАТЧИК-ЗОНД ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЗА ВЛАЖНОСТЬЮ И СОДЕРЖАНИЕМ ВОДЫ В НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТАХ

Одна из актуальных проблем развития производства нефтепереработки и повышения

степени оценки выпускаемой продукции -разработка современных методов и создание технических средств измерения влажности и содержания воды в нефти и нефтепродуктах. Детальное изучение свойств воды позволяет выбрать рациональные приемы контроля ее содержания, разработать эффективные влагомеры. Оптические методы и устройства на их основе широко применяются для определения влажности газообразных, жидких и твердых тел [26, 27]. При этом используется инфракрасное (ИК) излучение в диапазоне 0,8-7 мкм, что объясняется тем, что вода имеет в этой области несколько пиков поглощения на длинах волн 1 = 0,94; 1,1; 1,38; 1,94; 2,7; 3,4; 6,3 мкм [15]. Для построения ИК-влагомеров необходимо, используя спектральные характеристикам влажного вещества, определить полосы поглощения излучения на измерительных длинах волн. Их правильный выбор позволяет получать необходимую чувствительность и точность. Предпочтительными следует считать двухканальные вариантам с одним измерительным плечом, которые соответствуют предъявляемым требованиям и меньше реагируют на помехи и колебания.

В работе [24] приведен датчик-зонд для определения влажности, включающий в себя источники излучения, отражающую призму с измерительной гранью и фотоприемник, расположенные в корпусе-клине. Недостатком его является высокая погрешность, связанная с заполнением чувствительной поверхности контролируемой влагой.

На основе применения эффекта НПВО одним из авторов данной статьи (в соавторстве) разработан датчик-зонд [28] для измерения влажности и содержания воды в цистернах с нефтью и нефтепродуктами. Блок-схема датчика-зонда приведена на Рис. 6. Датчик-зонд

содержит корпус 1 с направляющими, чувствительный элемент НПВО 2, электронный блок 3, регистрирующий прибор 4, привод перемещения вдоль корпуса 5, двигатель 6, счетчик положения 7 и очистительные щетки 8.

Датчик работает следующим образом. В исходном состоянии чувствительный элемент 2 находится в верхнем положении. При включении двигателя 6 чувствительный элемент с помощью привода 5 углубляется в жидкость. По мере движения чувствительного элемента 2 происходит непрерывное самоочищение его измерительной грани с помощью очистительных щеток 8, равномерно размещенных вдоль корпуса 1. Счетчик 7 показывает положение чувствительного элемента НПВО. Элемент НПВО работает совместно с электронным блоком, который состоит из задающего генератора ЗГ, генератора экспоненциального напряжения ГЭН, эмиттерного повторителя ЭП, излучающего диода ИД, полусферической линзы, контролируемого объекта КО, фотоприемника ФП, порогового устройства ПУ, измерительного прибора ИП, как показано на Рис. 7.

Рис. 6. Блок-схема датчика-зонда

Рис. 7. Функциональная схема элемента НПВО и электронного блока датчика

Электронная схема датчика-зонда работает следующим образом. Задающий генератор ЗГ вырабатывает прямоугольные импульсы с частотой повторения f = 1 кГц, которые поступают на запускающий вход генератора экспоненциального напряжения ГЭН. С выхода формирователя экспоненциальных импульсов через эмиттерный повторитель ЭП импульсный ток подается на излучающий диод ИД. Световой поток, выпускаемый излучающим диодом (1= 1,94 мкм), направляется на основание полусферической линзы. Световой поток, отраженный от измерительной поверхности линзы и, следовательно, от поверхности контролируемого объекта, поступает на свето-

чувствительную поверхность фотоприемника ФП, где преобразуется в фотоэлектрический сигнал. С выхода фотоприемника сигнал поступает на пороговое устройство ПУ и далее - на вход измерительного прибора.

Повышение точности и оперативности измерений достигается за счет непрерывного самоочищения чувствительного элемента в процессе измерений. Применение датчика-зонда ограничено сложностью технической конструкции (для работы двигателя требуется довольно большая сила тока), трудностью определения влажности и содержания воды в нефтепродуктах.

Рис. 8. Датчик-зонд с повышенной чувствительностью

В связи с этим разработан другой вариант [51] датчика-зонда, показанный на Рис. 8. Он содержит корпус 1 и очисти тельные щетки 2, чувствительный блок НПВО 3 в виде квадрата с направляющей 4, блок обработки фотоэлектрического сигнала 5 и регистрирующий прибор 6. Корпус 1 с очистительными щетками 2 погружают в исследуемую жидкость. Блок 3 изначально находится в верхнем положении. По мере его движения происходит непрерывное самоочищение чувствительной грани щетками 2. Положение блока 3 наблюдается с помощью отметок, нанесенных на направляющую 4. Оптоэлектронный сигнал из блока 3 непрерывно обрабатывается блоком обработки фотоэлектрического сигнала 5 и регистрируется измерительным прибором 6. Повышение чувствительности и упрощение конструкции достигаются за счет четырехстороннего измерения с помощью блока в виде квадрата, на каждой стороне которого расположены элементы НПВО. Блок 3 легко углубляется в жидкость вручную, поэтому в двигателе нет необходимости.

5. ОПТОЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ЭМУЛЬСИОННОЙ ВОДЫ В НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТАХ

При добыче и переработке нефть дважды смешивается с водой, образуя эмульсии: при выходе с большой скоростью из скважины и в процессе обессоливания, т. е. промывки для удаления хлористых солей.

В результате эффективного разрушения образующихся в производственных условиях нефтяных эмульсий улучшаются свойства нефти и нефтепродуктов и увеличивается срок службы нефтеперерабатывающих установок.

Известно [29], что количество добываемой эмульсионной нефти зависит от продолжительности эксплуатации месторождения. Одна из актуальных проблем в этой области -разработка и внедрение высокочувствительного метода определения содержания эмульсионной воды в нефти и нефтепродуктах.

Эмульсии представляют собой дисперсные системы двух жидкостей, малорастворимых или нерастворимых друг в друге, одна из которых диспергирована в другой в виде мелких капелек (глобул), и является внутренней (в нашем случае вода) или дисперсной фазой. Жидкость (нефть, нефтепродукты), в которой она находится, считается дисперсионной средой.

Механизму образования эмульсий посвящено много теоретических исследований [18], однако не все они подтверждаются на практике.

В работах [29, 30] этот механизм образования эмульсии представлен в нижеследующем виде.

Первая стадия диспергирования - растягивание капли жидкости в цилиндрик, сопровождающаяся увеличением поверхности дисперсионной фазы и затратой энергии на преодоление молекулярных сил поверхностного натяжения. Вторая стадия - вытянутая капля, становясь неустойчивой, распадается на мелкие частицы сферической формы. При этом поверхность и свободная поверхностная энергия уменьшаются. Образующиеся при перемешивании цилиндрики жидкости превращаются в капельки только тогда, когда их длина становится больше длины периметра сечения. На третьей стадии одновременно происходят процессы коалесценции при столкновении капель и их диспергирование. Однако, чем меньше капельки, тем труднее они вытекают. Под действием увеличивающегося капиллярного давления они делаются все более

жесткими и сопротивляются изменению формы.

По мнению автора работы [30], устойчивость эмульсии определяется временем ее существования: г = H / v, где Н - высота столба эмульсии в сантиметрах; v - средняя линейная скорость самопроизвольного расслоения системы в сантиметрах в секунду.

При смешении нефти с водой возможно образование эмульсии двух типов: вода в нефти (В/Н) и нефть в воде (Н/В). Способность двух взаимно нерастворяющихся жидкостей образовывать эмульсии того или иного типа предложено характеризовать уравнением

у= (Г / / Vв).

С увеличением показателя у возрастает способность к образованию эмульсий типа В/Н, а с уменьшением - Н/В. Соотношение времени жизни капель нефти гн и воды гв на границе раздела фаз является мерой способности системы к их обращению, определяющей выживание эмульсии первого и второго типов.

В условиях добычи и обессоливания на границе раздела нефть-вода более продолжительно могут существовать капли воды (В > Н), поэтому образуется эмульсия типа В/Н.

Различные виды и формы эмульсии влияют на отражение и поглощение ИК-лучей. Здесь можно выявить определенную систему, и оптоэлектронным методом обеспечить непрерывный и неразрушающий автоматический контроль за эмульсионной водой в нефти

и нефтепродуктах.

Один из авторов данной статьи разработал ряд оптоэлектронных приборов [1, 19, 20] для анализа физико-химических параметров нефти и нефтепродуктов, которые, по-видимому, достаточно полно отвечают современным требованиям.

Приборы на основе элемента НПВО могут непосредственно интегрироваться в исследуемый процесс [15], практически не воздействуя на него, т. е. исключается возможное искажение.

Определение наличия эмульсионной воды косвенными методами сопровождается погрешностью до 5 % даже при больших величинах, и кроме того, при микроскопическом анализе эмульсий нельзя избежать ошибок, вследствие испарения жидкости в тонком слое, а также деформации частиц. Предлагаемая автором оптоэлектронная система [33] для определения содержания эмульсионной воды в нефти и нефтепродуктах, показанная на Рис. 9, включает цилиндр 1 с полостью в виде призмы 2, проходящей через его центр, задающий генератор (источник импульсного питания) 17, триггер 18 со счетным входом, излучающие диоды 3-8 и компенсационный СИД 15, измерительные 9-14 и компенсационный 16 ПОИ, сумматор 19, блок обработки фотоэлектрического сигнала 20 и регистрирующий прибор или ЭВМ 21.

Рис. 9. Блок-схема оптоэлектронной системы для определения содержания эмульсионной воды в нефти и

нефтепродуктах

Система работает следующим образом. При включении задающего генератора 17 вырабатываемые им прямоугольные импульсы с частотой 8-10 кГц подаются на вход триггера 18. Разделенные импульсы поступают на СИД 3-8 измерительных каналов и СИД 15 опорного канала. Поток излучения светоизлучающих диодов фокусируется на измерительных поверхностях и подается на фотоприемники 914. Далее сигналы с фотоприемников суммируются в сумматоре 19. Излучение компенсационного светоизлучающего диода через световод попадает на компенсационный фотоприемник 16. Затем сигнал с компенсационного фотоприемника поступает в блок обработки фотоэлектрического сигнала 20, где измеряется отношение компенсационного и измерительного сигналов. Сигнал отношения, пропорциональный содержанию эмульсионной воды, подается на регистрирующий прибор или ЭВМ 21, по показанию которого судят о содержании воды в контролируемой среде.

Недостатком известных датчиков является наличие погрешностей, обусловленных неравномерностью распределения влаги в объеме исследуемой жидкости. Предлагаемое устройство повышает точность за счет многократного объемного измерения, суммирования и осреднения фотоэлектрического сигнала. Кроме этого, с его помощью можно определить содержание нефтепродуктов в эмульсионной воде.

6. ОПТОЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО НА ОСНОВЕ ЭЛЕМЕНТА НПВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ СЕРЫ В НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТАХ

Контроль содержания серы в нефти и нефтепродуктах является важным для оценки качества этих продуктов. Традиционно содержание серы в нефти и нефтепродуктах в лабораторных условиях контролируют методом сжигания в лампе, который предписан стандартами на нефтепродукты в большей части стран: ГОСТ 19121-73 (СНГ), ЛБТМО 1266 (США), ^107 (Великобритания), и принят в качестве международного ./502192-73Е.

Метод заключается в сжигании нефтепродукта в фитильной лампе с последующим поглощением образовавшегося сернистого ангидрида раствором карбоната натрия и тити-рованием соляной кислотой [46].

Недостаток лабораторных методов заключается в том, что требуется очень длительное время для анализа, т. к. они трудно поддаются автоматизации процесса.

В настоящее время в отечественной нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности нет проточных автоматических анализаторов содержания серы в нефти и нефтепродуктах. Поэтому целью целого ряда работ [31-33] была

разработка оптоэлектронного устройства для определения содержания серы в нефти и нефтепродуктах на основе анализа принципов построения зарубежных автоматизированных систем контроля содержания серы.

Для количественного определения свободной серы предложены различные оптические методы [31]. Наиболее надежным из них является фотометрический метод, где использована реакция взаимодействия свободной серы с цианидами щелочных металлов. После добавления хлорного железа в раствор образовавшегося радонистого калия измеряли интенсивность поглощения в области 1 = 465 нм. Содержание серы определяли по калибровочному графику «оптическая плотность - концентрация». Этим методом удается определить содержание в нефтепродуктах серы от 2-10"5 % и выше.

Санкт-Петербургское НПО «Буревестник» выпускает рентгеновские аналитические комплексы на основе рентгеновских спектрофотометров и ЭВМ, осуществляющих управление прибором и расчет концентрации. В настоящее время этим предприятием выпускаются также многоканальные спектрометры СРМ-2, СРМ-18, СРМ-20 для анализа дискретных проб на содержание до 16 элементов, осуществляется серийный выпуск семейства бескристальных рентгеновских анализаторов типа «БАРС» для нефти и нефтепродуктов в потоке на содержание серы.

Автоматический экспресс-анализатор серы в нефтепродуктах модели СЬГЛ-80 фирмы «Хориба» (Япония) используют в химических лабораториях наливных пунктов. Принцип работы анализатора заключается в облучении образца рентгеновским излучением и регистрации сигнала после прохождения через контролируемый образец.

В развитых странах - Японии (модель 8220 «Екогава»), ФРГ (модель В375 «Бертхольд») -датчик серы построен на принципе поглощения радиоактивного излучения («Амерций-243» и «Кюрий-247») веществами с различными атомными номерами.

Анализаторы с радиоактивным излучением сложны по принципу работы, обслуживанию и могут иметь случайную и дополнительную погрешности при определении содержания серы в нефтепродуктах. Так, случайная погрешность связана с временем запаздывания анализа и длины полосы излучения. Погрешность уменьшается при увеличении временного интервала анализа. При времени анализа 30 с и длине прохождения луча в 50 мм погрешность составляет 0,2 %, а погрешность системы -0,5 % от диапазона измерения. Погрешность может быть вызвана случайным характером изменением радиоактивной эмиссии и ее поглощения [47]. Дополнительные погрешности могут возникать в результате изменений содер-

жания эмульсионной воды 0,006 % на каждые 0,1 % содержания воды.

Одним из авторов (в соавторстве) разработан ряд оптоэлектронных приборов [32, 33] 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 [34]. Преимущество НПВО-метода анализа, 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. Предложенное оптоэлектронное устройство на основе элемента НПВО [49] для определения содержания серы в нефти и нефтепродуктах позволило реализовать требования к структуре и оптической схеме автоматического анализатора.

Анализатор, показанный на Рис. 10, 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.

Рис. 10. Функциональная схема анализатора содержания серы

Анализатор 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 сумматора 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 811. Вместо регистрирующего прибора 16 может быть использована ЭВМ. В качестве источников излучения 4-7 и компенсирующего источника излучения 12 могут быть использованы светодиоды.

Анализатор работает следующим образом. Задающий генератор 2 вырабатывает прямоугольные импульсы с частотой следования 810 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 сумматора 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 содержанию серы. Электрический сигнал с выхода блока обработки фотоэлектрического сигнала 15 поступает на регистрирующий прибор 16 (или ЭВМ), по показанию которого судят о содержании серы.

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 серы, а опорных СИД - вне полосы поглощения, но близко к длине волны измерительных светодиодов и служит для компенсации неинформативных параметров.

Предлагаемое устройство повышает точность измерения за счет многократного объемного измерения параметров контролируемой жидкости, суммирования электрических сигналов от нескольких фотоприемников. Кроме того, с помощью данного устройства можно также одновременно определить содержание эмульсионной воды в нефти и нефтепродуктах.

7. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ СИГНАЛИЗАТОР ПРЕВЫШЕНИЯ ПДК СЕРОВОДОРОДА В ВОЗДУХЕ

В современных условиях в нефтяной промышленности одной из насущных задач является охрана здоровья трудящихся. Повышение концентрации сероводорода в воздухе не только вредит здоровью персонала, но и негативно сказывается на окружающей среде. По этой причине, создание малогабаритного удобного сигнализатора превышения предельно допустимой концентрации (ПДК) сероводорода в воздухе является актуальной задачей. В настоящее время в нефтедобывающей, а также в нефтеперерабатывающей промышленности все чаще применяются оптические газоанализаторы.

Их принцип действия основан на измерении степени поглощения энергии электромагнитного излучения, проходящего через слой анализируемого вещества. Теоретической основой абсорбционного спектрального метода анализа является закон Ламберта-Бера, согласно которому поглощение энергии потока монохроматического излучения с длиной волны 1, проходящего через слой вещества толщиной ё с концентрацией в нем поглощающегося компонента С, описывается следующим уравнением:

Ф = Ф0 ехр(- к 1 ёС)

где Ф, Ф0 - мощности потоков излучения соответственно на входе в слой и на выходе из него; к\ - коэффициент поглощения, который зависит от природы поглощающего компонента и длины волны излучения. При постоянных значениях параметров Ф0, к\ и ё, а также при постоянных температуре и давлении величина однозначно определяется концентрацией поглощающего компонента.

Обычно способность вещества поглощать излучение характеризуется относительной величиной пропускания

X

Ф

1

Ф

•100%

0

или связанной с ней величиной поглощения

Пя = 100-Х1 ,

а также оптической плотностью

Б =

Г Ф >

V Ф 0 У

= 0,434 • к х ёС

Значения т% или П для каждого вещества как функции от длины волны при некоторых постоянных значениях ё и С называются спектром поглощения. Участки спектра с наиболь-

шими значениями П% называются полосами поглощения. Спектр поглощения каждого вещества специфичен, однако некоторые полосы поглощения различных веществ могут совпадать. Если в анализируемом веществе одновременно присутствуют несколько компонентов, способных поглощать излучение с одной и той же длиной волны, то

(

Ф = Ф0 ехр

Л

-1!к Л

]=1

где п - общее число поглощающих компонентов в анализируемой смеси;

кц и С - коэффициент поглощения и концентрация у-го поглощающего компонента (I = 1, 2, 3, ..., п).

Следовательно, в общем случае данный метод анализа является неизбирательным, так как результат измерения зависит от изменения концентраций неопределяемых компонентов, полосы поглощения которых частично совпадают с определяемым компонентом.

Абсорбционный спектральный метод анализа с наибольшей эффективностью применяют в тех случаях, когда удается выбрать длину волны, на которой полосы поглощения, определяемого и неопределяемых компонентов практически не перекрываются. Если же полосы поглощения перекрываются частично, то некоторое увеличение избирательности может быть достигнуто рациональным выбором схемы прибора и ее параметров.

Закон Ламберта-Бера справедлив только для монохроматического излучения, однако в автоматических анализаторах производственного назначения измерение обычно производят с использованием потока излучения, содержащего некоторый спектр длин волн от 1п до 1. В этом случае соотношения для этих величин остаются справедливыми, если в них использовать значения коэффициента поглощения Я, усредненного в диапазоне 1п - 1к:

1,

| к 1 (1)11

Я =

1,-1

к

(4.9)

Способностью поглощать излучение в инфракрасной области спектра обладают среди газов лишь такие, молекулы которых содержат не меньше двух различных атомов. Поэтому газоанализаторы, измеряющие степень поглощения инфракрасного излучения, не пригодны для измерения концентрации таких газов, как кислород, азот, водород, хлор, аргон, гелий и др. Атмосферный воздух почти полностью состоит из таких двухатомных газов. Поэтому применение выше упомянутых

газоанализаторов для обнаружения сероводорода представляется наиболее перспек-

(4.10)

(4.11)

(4.12)

1

п

тивным.

Приборы для анализа газов, паров и жидкостей, основанные на избирательном поглощении анализируемыми веществами ИК-излучения, обычно содержат источники и приемники ИК-излучения, устройства для выделения необходимого интервала длин волн (светофильтры), кюветы для анализируемого вещества, а также устройства для обработки электрического сигнала, функционально связанного с содержанием анализируемого компонента в смеси.

Известен способ дифференциального компенсационного анализа, заключающийся в выравнивании двух потоков излучения, один из которых рабочий, пропускают через анализируемую схему. Для компенсационного изменения другого потока, сравнительного, применяется следящая система, включающая в себя компенсирующее устройство (подвижную оптическую заслонку или абсорбционную камеру переменной длины) приводимое в движение реверсивным двигателем. Для управления работой двигателя необходим усилитель мощности.

Салль А.О. (авт. свид. № 364881) предлагает для повышения надежности измерений сравнительный сигнал периодически изменять в пределах возможного изменения рабочего сигнала при колебаниях состава анализируемой смеси и определяют отношение промежутка времени, в течение которого сравнительный сигнал превышает рабочий сигнал, к периоду изменения сравнительного сигнала.

Известен оптический анализатор [34], содержащий источник излучения, диспергирующий элемент в виде призмы или дифракционной решетки, зеркальный обтюратор и фотоприемник. В этом анализаторе рабочий и сравнительный лучи испускаются из одного и того же места одного излучателя, попадают на одно и то же место, проходят через одни и те же зрачки, призму или дифракционную решетку. Изменение излучающих, поглощающих и отражающих свойств указанных элементов и чувствительности ПОИ происходят одновременно для обоих лучей на одну и ту же величину, и погрешности их взаимно компенсируются. Однако неодинаковое изменение отражающих свойств зеркал (запыление) по-разному изменяет интенсивность рабочего и сравнительного лучей, следовательно, изменяются и показания прибора. Видно, что из множества выпускаемых отечественной промышленностью газоанализаторов лишь немногие пригодны для регистрации сероводорода. Следует отметить, что существующие анализаторы сероводорода обладают рядом недостатков: необходимостью химических реагентов, громоздкостью, сложностью, необходимостью предварительного разделения газовой смеси специальным устройством. Часто необходимым бывает также подключение газоанализатора к электрической

сети. Атмосферный воздух почти полностью состоит из двухатомных газов (Ы2, 02, Н2 и т. д.). Поэтому при выборе метода, на основе которого будет работать газоанализатор, следует отдать предпочтение такому, который нечувствителен к наличию в анализируемой смеси подобных двухатомных газов. Этим преимуществом обладает метод, использующий инфракрасное поглощение.

Наиболее распространенный источник инфракрасного излучения в газоанализаторах - открытая нихромовая спираль, нагреваемая электрическим током до температуры 700-1000 °С. Ее спектр излучения охватывает в основном диапазон длин волн от 1 до 6 мкм, а максимум излучения соответствует 2,5-3 мкм. Для получения относительно узкого спектра длин волн используются специальные светофильтры. Полупроводниковые инфракрасные излучатели по сравнению с нихромовой спиралью имеют важные преимущества: позволяют управлять световым потоком с довольно большой частотой порядка 100 кГц и более, а также расширяют спектральный диапазон до длин волн порядка 20 мкм. Соответствующим выбором светодиода можно обеспечивать излучение практически в любом необходимом узком интервале длин волн.

Во всех газоанализаторах инфракрасного поглощения преобразование интенсивности потока излучения на выходе оптического канала в электрический сигнал осуществляется избирательными оптико-акустическими преобразователями. Оптико-акустический эффект был открыт в 1880 г., а в 1938 г. применен М.Л. Вейн-геровым для анализа газов. Он заключается в пульсации давления газа, находящегося в замкнутом объеме, при облучении его модулированным потоком инфракрасного излучения. Оптико-акустический эффект обусловлен поглощением энергии излучения, которая переходит в тепловую, вызывая нагрев газа в замкнутом объеме. Изменение давления и температуры имеют частоту модуляции падающего потока излучения, а их амплитуда зависит от амплитуды колебаний энергии потока излучения. Колебания давления воспринимаются конденсаторным микрофоном или другим устройством, которое преобразует их в электрический сигнал.

Применение полупроводниковых приемников позволяет значительно упростить приемную схему и улучшить чувствительность. Существующие фотодиоды позволяют регистрировать излучение в широком диапазоне длин волн. Таким образом, применение современных полупроводниковых фотоприемников и излучателей делает метод инфракрасного поглощения наиболее перспективным для обнаружения и измерения концентрации сероводорода в атмосферном воздухе.

Среди приборов, используемых для анализа, наиболее чувствительными является инфракрас-

ные абсорбционные газоанализаторы. Чувствительность абсорбционных газоанализаторов с использованием диодного плавно перестраиваемого лазера для двуокиси серы составляет около 2-10-5 [35]. Из существующих абсорбционных газоанализаторов наиболее простыми надежными являются двухволновые абсорбционные газоанализаторы. Принцип их работы основан на пропускании через газовую камеру чередующихся двух потоков излучения, длина волны одного из которых 11 (измерительная) соответствует максимуму поглощения регистрируемого компонента, длина волны другого -12 (опорная) лежит вне максимума поглощения регистрируемого компонента. На основе закона Бугера-Ламберта интенсивность измерительного (Ф 01) и опорного (Ф 012 ) световых

потоков, проходящих через газовую камеру имеет вид

Ф1 =Ф012ехР+ к2^ ) Ф12 =Ф 012ехР -

где

Ф, Ф

интенсивности соответст-

1 , 12

вующая световому потоку с длиной волны 11, 12 после прохождения через газовую камеру;

Ф 01 , Ф 01 - интенсивности, соответствующие световым потокам с длиной волны 11 и 12 до прохождения через газовую камеру; ^ -коэффициент рассеяния воздуха; ^ -коэффициент поглощения регистрируемого

компонента; N1 - концентрация воздуха; N2 -концентрация регистрируемого компонента. Если интенсивность, соответствующая световому потоку с длиной волны 11 и 12 до прохождения через газовую камеру одинакова, т. е.

Ф 01, = Ф 012 .

то отношение интенсивностей соответствующих световых потоков с длинами волн 11 и 12 пропорциональна концентрации регистрируемого компонента

Ф

Ф 0^ ехР -

Ф

Ф0^ ехр^^ + к2^)

= ехрк2К2

С этой целью были исследованы спектральные характеристики сероводорода и нескольких других газов, входящих в состав атмосферного воздуха. Спектральные характеристики газов, полученные с помощью спектрофотометра «SPECORD» при одних и тех же условиях, приведены на Рис. 11 и 12.

Исходя из полученных спектральных характеристик, измерительная и опорная длина волны выбраны соответственно для И^: 1 = 2,34 мкм; 12 = 2,38 мкм, а для 802 1 = 1,33 мкм; 12 = 1,40 мкм.

На основе двухволнового метода разработан сигнализатор предельно допустимой концентрации сероводорода в воздухе.

(4.16)

(4.17)

4000 СМ"1

Рис. 11. Обзорный спектр И28 (с водяными парами)

=ьН окпп к. —. Т г V

4 1

г V 112С I

1 150 510 *

1 340 и-13 30

о -

4000 см1

Рис. 12. Обзорный спектр £02

Рис. 13. Блок-схема сигнализатора Н2£

Блок-схема устройства приведена на Рис. 13. Оно состоит из задающего генератора ЗГ, триггера Т, схем совпадений СС1 и СС2, электронных ключей К! и К2, излучающих диодов на опорных и измерительных длинах волн ИД1 и ИД2, газовой камеры ГК, фотоприемника ФП, усилителя У, аналогового коммутатора АК, интеграторов И! и И2, порогового устройства ПУ и блока сигнализации БС.

Принцип действия устройства следующий. Задающий генератор вырабатывает последовательность прямоугольных импульсов с заданной частотой повторения (в устройстве используется / = 500 Гц). Эти импульсы поступают на вход триггера и один из входов схем совпадений СС1 и СС2. А на другой вход схемы совпадения поступают прямоугольные импульсы из противофазных выходов триггера.

На выходе схем совпадений формируются сигналы в виде прямоугольных импульсов, разделенных на два канала по времени. Прямоугольные импульсы сформированные с помощью схемы совпадения СС1 через электронный коммутатор К1 подаются на излучающий диод ИД!, который излучает

потоки излучения на опорных длинах волн. Сформированные прямоугольные импульсы на выходе схемы совпадения СС2 через электронный ключ К2 подаются на излучающий диод ИД2, который излучает потоки излучения на измерительных длинах волн. В качестве излучающего диода был использован диод опытного образца на длинах волн 1 = 4,4 мкм, 1 = 4,23 мкм.

Потоки излучения на опорных и измерительных длинах волн проходят через измерительную газовую камеру ГК и попадают на светочувствительную поверхность фотоприемника, в качестве которого использован пироэлектрический фотоприемник типа МГ-30. Фотоэлектрический сигнал с выхода фотоприемника подается на вход усилителя, выходной сигнал которого разделяется в аналоговых коммутаторах.

Разделенные фотоэлектрические сигналы, соответствующие опорному и измерительному потокам излучения, через интеграторы И1 и И2 подаются на вход порогового устройства, выходным сигналом которого управляется блок сигнализации.

8. ОПТОЭЛЕКТРОННАЯ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ АС КОНТРОЛЯ ОПТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ

Применение ЭВМ в построении оптоэлект-ронных 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 обеспечивают выполнение аналого-цифровых измерительных преобразований, вычислительных процедур, выдачу полученной информации, формирование командной и другой служебной информации, необходимой для функционирования ОМАКИС

Эффективное применение ЭВМ в нефтеперерабатывающем производстве можно иллюстрировать примером создания Рязанским филиалом

НПО «Нефтехимавтоматика» (Россия) автоматизированного хроматографического комплекса (АХК) для контроля качества бензина [41]. АХК выполняет многофункциональный контроль таких показателей качества, как октановое число по моторному методу (без учета этилирования), давление насыщенных паров, фракционный состав, плотность.

В состав АХК (Рис. 14) входит хроматографический анализатор и комплекс обработки информации. Анализатор включает в себя промышленный хроматограф «Нефтехром-1123» или лабораторный хроматограф ЛХМ-8МД с программированием температуры и устройство управления хроматографом (УУХ). Хроматографы используют в качестве датчиков углеводородного состава контролируемого продукта. Операции по вводу пробы, запуску хроматографа на анализ, поддержанию необходимых режимов работы полностью автоматизированы.

Рис. 14. Структурная схема автоматизированного хроматографического комплекса: УПП - устройство подготовки пробы; ХР - хроматограф; УУХ - устройство управления хроматографом; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; УС - устройство связи; УОИ - устройство отображения информации

При основном рабочем режиме обсчет хроматограммы проводят по специальному алгоритму [41]. Далее рассчитывают показатель качества по формуле:

п

ПК = а0 + 2 РА

1=1

где ПК - рассчитываемый показатель качества; а0...ап - коэффициенты модели соответствующего показателя качества (ПК), найденные методом регрессии; п - число обсчитываемых пиков, п = 35; Р1...Рп - нормированная к 100% площадь хроматографических пиков. После расчета осуществляется печать значений показателей качества бензина: октановое число, фракционный состав (%к., ¿10%, ¿50%, ¿90%, ¿к.к.), упругость паров, плотность.

Следует отметить, что создание аналитических измерительно-вычислительных комплексов с использованием микропроцесс-сорной техники - одно из основных направлений развития комплексных автоматизи-

рованных аналитических систем контроля (ААСК) качества нефти и нефтепродуктов [36].

Надо полагать, что ОМАКИС будут в дальнейшем существенно развиваться, что позволит создавать все более совершенные комплексные ААСК качества нефти и нефтепродуктов при невысоких затратах времени и средств. (5.1)

Задачи обработки информации в ААСК могут быть крайне разнообразны, и мощность ЭВМ, используемой в ААСК, определяется в значительной степени сложностью задач обработки измерительных данных. При создании ААСК имеется тенденция к рассредоточению задач обработки на двух уровнях. На первом уровне осуществляется управление анализаторами, накопление и простая обработка данных с помощью ЭВМ. Сложная обработка данных производится на втором уровне с помощью ЭВМ большей вычислительной мощностью.

С помощью ААСК одновременно можно определять многие характеристики объекта контроля. Более того, если с помощью отдельных анализаторов можно измерять те или

иные значения физико-химических параметров нефти и нефтепродуктов, то с помощью ААСК возможно контролировать как физико-химические показатели, так и физические процессы, сопровождаемые одновременным или неодновременным изменением во времени многих физико-химических величин. При этом некоторые характеристики физических процесс-сов можно измерять, как характеристики случайных процессов.

Примерами практической реализации ААСК могут служить узлы учета нефти и нефтепродуктов фирмы «Инвалко» (США), «Магистраль» (Россия), «Кор-Мас» (Венгрия) [37]. Эти ААСК предназначены как для

самостоятельной работы, так и в системах коммерческого количественного учета нефти и нефтепродуктов в нефтеперерабатывающем производстве.

Применяя высокочувствительный метод на основе элемента НПВО, можно создать ААСК для качественного и количественного анализа нефти и нефтепродуктов. На Рис. 15 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.

ЭВМ

Рис. 15. 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; Qn - расхода

Во всех типах оптоэлектронных систем, предназначенных для контроля качества нефти и нефтепродуктов, использующих метод НПВО, намечается применение микропроцессоров 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 неразруша-ющий контроль нефти и нефтепродуктов, является в наше время еще нерешенной задачей. Однако, как показано в данной работе, существуют различные и достаточно эффективные пути для достижения поставленной цели.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Успехи, достигнутые в области разработки оптоэлектронные ПИП для нефтяной отрасли в последние годы, весьма значительны. Отметим, прежде всего, такие направления как измерения уровня, границ раздела фаз, сигнализации аварийного уровня и утечек из трубопроводов и хранилищ, измерения давления, температуры и плотности, определение химического состава нефтепродуктов - вот далеко не полный перечень возможных применений оптоэлектронных ПИП в нефтяной отрасли. По своим характеристикам оптоэлектронные ПИП не только не уступают обычным датчикам, но зачастую и превосходят их. Эти факторы, а также постепенное снижение стоимости оптоэлектронные ПИП, вызванное удешевлением элементной базы, способствуют преобладающему применению датчиков этого типа на взрывоопасных объектах нефтехимии.

ОМАКИС на основе элемента НПВО весьма перспективны для целей автоматизации разнообразных производственных процессов, что целиком и полностью подтверждается накопленным к настоящему времени значительным опытом применения датчиков НПВО в этом плане.

Расширение сфер и объема применения оптоэлектронной системы на основе эффекта НПВО для автоматизации производственных процессов нефтепереработки связано с развитием и совершенствованием их в области физиики, технологии, метрологии и схемотехники.

В первую очередь здесь следует отметить следующие основополагающие направления. Во-первых, совершенствование преобразователей оптической информации на основе элементов НПВО, МНПВО и оптрона открытого канала. Во-вторых, развитие технологии обработки фотоэлектрического сигнала. И, в-третьих, расширение применения микропроцессоров и современных ЭВМ.

Отметим, что, хотя в данной статье не рассмотрены методы лазерной спектроскопии, следует учитывать, что лазерная спектроскопия - наиболее надежный и точный метод исследования качественного и количественного состава вещества. Исследования в этой области непрерывно совершенствуются и результаты давно опередили потребности промышленности, и сосредоточены в настоящее время в области фундаментальной метрологии [49-53].

Также отметим широкое использование оптических (в том числе лазерных) методов для измерения скорости потоков жидких и газообразных сред, а также их расхода и скорости твердых объектов (кроме объектов с зеркальной поверхностью) [54-56].

ЛИТЕРАТУРА

[1] Рахимов Н.Р. Многофункциональные системы мониторинга нефтесодержащих сред и металлических конструкций на основе полупроводниковых источников и приемников излучения. Дисс. доктор. техн. наук, Ташкент 2006, 246 с.

[2] Dakin R and Culshaw B (Eds.). Optical Fiber Sensors, Principles and Components // Artech House. Boston. 1988 Vol. I & II.

[3] Giallorenzi M. et.al. Optical Fiber Sensor Technology // IEEE J. Quantum Electronics. QE-18. 1982. P. 626-665.

[4] Batchellor W. and Edge E. Some Recent Advances in Fiber-Optic Sensors // Electron. & Comm. Eng. J. Oct. 1990. P. 175-184.

[5] Winn Hardin R. Fiber optic sensors seek to prove their utility // OE Report. Oct. 1998.

[6] Harnessing Light: Optical Science and Engineering for 21-th Century // The National Research Council Report. 1999.

[7] Серов Б.Б. Современные подходы к построению систем измерения количества нефти и нефтепродуктов // Промышленная автоматизация в России. 2003.

[8] Berthold J.W., Jeffer L.A. and Lopushansky R.L. Fiber Optic Sensors for the Refinary of the Future // Sicon 02. Houston TX. Nov. 2002.

[9] Isabelle Alexandre. Fiber-Optic Temperature Measurements // Sensors. May 2001.

[10] Новые достижения фирмы КРОНЕ // Нефть, газ и оборудование, Апрель - Июнь, 2003.

[11] Massart D.L., Vandeginste G.M., Buydens L.M.C., Delong S., Lewi P.J., Smeyers-Verbeke J. Handbook of Chemometries and Qualimetrics // NIR Pablications. 1998.

[12] Turner P., Yallop C. Использование ИК-спектроскопии ближнего диапазона для определения гидроксильного числа с помощью оптоволоконных датчиков // FT - NIR для непрерывного контроля технологических процессов. Обзор Bruker Instruments.

[13] Zilberman I., Bigman I and Sela I. Use telecommunication for Real-time Process Control // Hydrocarbon Processing.1996. V. 5.

[14] Rahimov N.R. Mirzamahmudov Т.М. Control device for qualitative parameters of liquids on the basis of photosensitive semiconductor sensors «УФД-1А». — Moscow: Vneshtorgizdat, 1989, N 1379 Т, р. 2.

[15] Rahimov N.R; Gafurov U.A., Zokirov R. Semitransparent fluid color sensor-analyzer «ДЦ-5М». - Moscow, Vneshtorgizdat, 1991, N 3822 Т, p. 2.

[16] Rahimov N.R., Gafurov U.A., Zokirov R., Isakov M. Fluid quality parameters control devise «УФД-4М». - Moscow, Vneshtorgizdat, 1991, № 3825 Т, p. 2.

[17] Rahimov N.R., Gafurov U.A., Akhunjanov M. Sensor-probe for maisturc dtitcrmiiuition «ДЗВ-2М». — Moscow, Vneshtorgizdat, 1991, N 3824 Т, p. 2.

[18] Рахимов Н.Р., Хатамов С.О., Холмирзаев А.А. Оптоэлектронный концентромер глицерина на основе ИК-излучателя / Т.: INFRA-2000 (сб.ст.). - с. 256-259.

[19] Рахимов Н.Р., Тожиев Р.Ж., Холмирзаев А.А. Оптических параметров нефти и нефтепродуктов / Бухара: INNOVATION - 2000

(сб.ст.). - с. 141-143.

[20] Мирзамахмудов Т.М., Рахимов Н.Р., Мусаев Э.С., Гафуров У .А., Бутаев Т.Б., Зокиров Р.З. Датчик-зонд для определения влажности. Авторское свидетельство № 1689813 от 07.11.91.

[21] Мирзамахмудов Т.М., Рахимов Н.Р., Гафуров У .А., Зокиров Р.З., Атакулов О.Х. Устройство для определения оптических параметров жидких сред. Авторское свидетельство № 1693482 от 23.11.91.

[22] Рахимов Н. Р. Касымахунова А.М., Усмонов Ш. Оптоэлектронные средства неразрушающего контроля физико-химических параметров жидких сред. Киев: Техническая диагностика и неразрушающий контроль № 3, 2001 г., с. 40-43.

[23] Сайдахмедов Ш.М., Тожиев Р.Ж., Рахимов Н.Р., Хайдаров А. Х. Устройство для определения содержания эмульсионной воды в нефти и нефтепродуктах. Патент РУз. IDP 0227 от 30.05.2001.

[24] Френкель Б.А., Степанов Н.Н., Грачева Е.Г. Приборы и средства автоматизации для контроля состояния окружающей среды и источников ее загрязнения нефтехимическими продуктами. М., Журнал «Автоматизация и контрольно-измерительные приборы в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности» № 1, 1980.

[25] Абдуллаев А.А и др. Контроль в процессах транспорта и хранения нефтепродуктов. - М., Недра, 1990 г., с 194-195.

[26] Мухитдинов М., Мусаев Э. С. Оптические методы и устройства контроля влажности. М.: Энергоатомиздат, 1986 г., 96 с.

[27] Рахимов Н. Р. Касымахунова А.М., Усмонов Ш. Оптоэлектронные средства неразрушающего контроля физико-химических параметров жидких сред. Киев: Техническая диагностика и неразрушающий контроль № 3, 2001 г., с. 40-43.

[28] Рахимов Н.Р., Тожиев Р.Ж., Тилаволдиев О., Ахунов К.Х. Оптоэлектронный колориметр для контроля за цветовыми различиями нефтепродуктов. Узбекский журнал нефти и газа № 3, 2003 г., с. 39-42.

[29] Левченко Д.Н., Бергштейн и др. Эмульсии нефти с водой и методы их разрушения. Химия, 1967 г., с. 14.

[30] Клейток В. Эмульсии, их теории и технические применения. Издатинлит, 1981 г.

[31] Абдуллаев А.А. и др. Различие нефти по спектрам отражения. Изв. вузов, Нефть и газ, 1979 г., № 3, с. 67-70.

[32] Рахимов Н.Р., Сайдахмедов Ш. М. и др. Оптический метод определения содержания воды в нефтепродуктах. Узбекский журнал нефти и газа, 2001 г., №1, с. 40-42.

[33] Рахимов Н.Р., Сайдахмедов Ш.М., Тожиев Р.Ж, Хатамов С.О. Разработка приборов для экспрессного контроля за последовательной перекачной нефти //Узбекский журнал нефти и газа, 2001 г., № 3.

[34] Рахимов Н.Р., Тожиев Р.Ж., Сайдахмедов Ш.М. и др. Оптоэлектронное устройство для определения содержания эмульсионной воды в нефти и нефтепродуктах. Узбекский журнал нефти и газа, 2003 г., № 1.

[35] Поисковые исследования по разработке переносного сигнализатора сероводорода в воздухе. Отчет НИР № 0285.0059864, М., 1980.

[36] Абдуллаев А.А, Джавадов А.А., Левин А.А., Набиев И.А. Телемеханические комплексы для нефтяной промышленности. - М., Недра, 1982 г.

[37] Зайцев Л.А., Панарин В.В. Системы сбора и обработки информации для резервуарных парков. - М., Недра, 1984 г.

[38] Система стабилизации частоты излучения лазера. Патент на изобретение. RU 2431909 C2, МКП H01S 3/10 (2006.01). Заявка 2009137713/28 от 12.10.2009. Дата начала срока действия 12.10.2009. дата подачи заявки 12.10.2009., дата публикации заявки: 20.04.2011. Бюл. №11. Опубликовано 20.10.2011., бюл. № 29. Авторы:

B.А. Жмудь, В.М. Семибаламут. Правообладатель: Учреждение РАН СО РАН ИЛФ.

[39] Жмудь В.А. Столповский А.А. Устройство стабилизации режима работы полупроводникового лазера. Автометрия, 1988, N 2, с.104 - 106.

[40] А.А.Воевода, В.А.Жмудь. Оптимизация динамики контура термостабилизации полупроводникового лазера. Развитие метода локализации. Автометрия, 1990, No 1, с.43-50.

[41] Е.Г. Волков, В.А.Жмудь, З.Б. Кругляк. Программно-управляемый полупроводниковый лазер для магнитооптической памяти. Автометрия, 1992, No 1, с.45-54.

[42] Ефимов А.С., Жмудь В.А., Падюков И.В. Прецизионный источник тока для полупроводникового лазера. Автометрия, 1997, N 3 с.111- 115.

[43] Жмудь В.А., Падюков И.В. Прецизионная микропроцессорная система стабилизации температуры. Автометрия, 1997, N 5, с. 115-120.

[44] Воевода А.А., Жмудь В.А., Соловьев А.Л.. Цифровая система термостабилизации полупроводникового лазера: математическая модель и условия получения оптимального переходного процесса. Автометрия. N 3, 2000.

C.109-121.

[45] А.С. Ефимов, В.А. Жмудь, Д.Ю. Ивашко, И.В. Падюков. Прецизионное управление полупроводниковыми лазерами. ПТЭ, 2000г. N 4, с.105-110.

[46] В.А. Васильев, В.А. Жмудь. Система термостабилизации диодного лазера. ПТЭ, 2000г. N 4, с.158-159.

[47] В.А. Жмудь, А.Г. Соколов. Источник импульсного тока для инжекционных полупроводниковых лазеров. ПТЭ, 2000, N2, с.155-156.

[48] Жмудь В.А., Соколов А.Г. Исследование помех в цепи диодного лазера. Научный вестник НГТУ, 2004, N 2(17), с.83-92.

[49] Лазерная спектроскопия, свободная от квадратичного эффекта Доплера. Дмитриев А.К., Жмудь В.А., Охапкин М.В. Информационный бюллетень РФФИ. 1994. Т. 2. № 2. С. 355.

[50] Создание абсолютного стандарта частоты для экспериментов по прецизионной спетроскопии мюония. Багаев С.Н., Дычков А.С., Ефимов А.С., Жмудь В.А., Колкер Д.Б., Невский А.Ю., Фарносов С.А., Фатеев Н.В. Информационный бюллетень РФФИ. 1996. Т. 4. № 2. С. 1095.

[51] Нелинейная лазерная спектроскопия на компонентах дуплета отдачи. Дмитриев А.К., Бабушкин Д.Г., Бармасов С.В., Васильев В.А., Жмудь В.А., Луговой А.А., Орлов О.М.,

Охапкин М.В., Падюков И.В., Попов С.Ю. Информационный бюллетень РФФИ. 1997. Т. 5. № 2. С. 538.

[52] Нелинейная лазерная спектроскопия на компонентах дуплета отдачи. Дмитриев А.К., Бармасов С.В., Бабушкин Д.Г., Васильев В.А., Падюков И.В., Орлов О.М., Пугач Ю.П., Луговой А.А., Охапкин М.В., Жмудь В.А. Информационный бюллетень РФФИ. 1999. Т. 7. № 2. С. 374.

[53] Frequancy reference in the 532-nm region for precision laser of muonium. Bagaev S.N., Belkin A.M., Dychkov A.S., Efimov A.S., Zhmud' V.A., Kolker D.B., Matyugin Yu.A., Pivtsov V.S., Farnosov S.A., Fateev N.V. Quantum Electronics. 2000. Т. 30. № 7. С. 641-646.

[54] Устройство для измерения скорости Ю.Н. Дубнищев, В.А.Жмудь, В.А. Павлов, А.А. Стол-повский - Ас. N 1139261, 1982, МКИ G 01 P3/36.

[55] В. А. Жмудь, В. С. Соболев А.А. Столповский. Устройство для обработки доплеровского сигнала А. с. N 1091087, 1982, МКИ G 01 R23/02

[56] V. A. Zhmud'. The tracking signal processor for the back-scattered beams laser Doppler velocimeter. / China, Beijing, 1989, Pergamon Press, Modern Techniques and Measurements in fluid flows -Proc. of the Int. Conf. on Fluid dynamics measurements and its applications

Рахимович

д.т.н., профессор

Неъматжон Рахимов -

кафедры Специальных

устройств и технологий ФГБОУ ВПО «СГГА». Е-mail: nerah@rambler.ru

Вадим Аркадьевич Жмудь -

заведующий кафедрой

Автоматики НГТУ, профессор, доктор технических наук. E-mail: oao nips@bk.ru

Трушин Виктор

Александрович - Заведующий кафедрой Защиты информации НГТУ, к.т.н, с.н.с. Е-mail: trushin@corp. nstu. ru

Рева Иван Леонидович -

декан факультета Автоматики и вычислительной техники НГТУ, к. т.н.

Е-mail: reva@corp. nstu.ru

Сатволдиев Иномжон

Абдусаломович - аспирант кафедры Защиты информации, имеет 5 публикаций.

Optoelectronic Measurement and Control of Technological Parameters of Crude Oil and Petroleum Products

NR. RAKHIMOV, V.A. ZHMUD, V.A. TRUSHIN, I.L. REVA, I.A.SATVOLDIEV

Abstract: In this paper we present the fundamentals of optoelectronic measuring methods and controls as well as the principles of construction of multifunctional optoelectronic systems analysis of physical-chemical parameters of oil and oil products. Considers optoelectronic hygrometer with effect ATR and FTIR analysis of the main structures of sensors are given practical schemes of optoelectronic systems of nondestructive testing.

Key words: Petroleum and petroleum products, optic coupler, optoelectronic sensors. the effect of FTIR, optical fibers, lenses.

REFERENCES

[1] Rahimov N.R. Mnogofunkcional'nye sistemy monitoringa neftesoderzhashhih sred i metallicheskih konstrukcij na osnove poluprovodnikovyh istochnikov i priemnikov izluchenija. Diss. doktor. tehn. nauk, Tashkent 2006, 246 s.

[2] Dakin R and Culshaw B (Eds.). Optical Fiber Sensors, Principles and Components // Artech House. Boston. 1988 Vol. I & II.

[3] Giallorenzi M. et.al. Optical Fiber Sensor Technology // IEEE J. Quantum Electronics. QE-18. 1982. P. 626665.

[4] Batchellor W. and Edge E. Some Recent Advances in Fiber-Optic Sensors // Electron. & Comm. Eng. J. Oct. 1990. P. 175-184.

[5] Winn Hardin R. Fiber optic sensors seek to prove their utility // OE Report. Oct. 1998.

[6] Harnessing Light: Optical Science and Engineering for 21-th Century // The National Research Council Report. 1999.

[7] Serov B.B. Sovremennye podhody k postroeniju sistem izmerenija kolichestva nefti i nefteproduktov // Promyshlennaja avtomatizacija v Rossii. 2003.

[8] Berthold J.W., Jeffer L.A. and Lopushansky R.L. Fiber Optic Sensors for the Refinary of the Future // Sicon 02. Houston TX. Nov. 2002.

[9] Isabelle Alexandre. Fiber-Optic Temperature Measurements // Sensors. May 2001.

[10] Novye dostizhenija firmy KRONE // Neft', gaz i oborudovanie, Aprel' - Ijun', 2003.

[11] Massart D.L., Vandeginste G.M., Buydens L.M.C., Delong S., Lewi P.J., Smeyers-Verbeke J. Handbook of Chemometries and Qualimetrics // NIR Pablications. 1998.

[12] Turner P., Yallop C. Ispol'zovanie IK-spektroskopii blizhnego diapazona dlja opredelenija gidroksil'nogo chisla s pomoshh'ju optovolokonnyh datchikov // FT - NIR dlja nepreryvnogo kontrolja tehnologicheskih processov. Obzor Bruker Instruments.

[13] Zilberman I., Bigman I and Sela I. Use telecommunication for Real-time Process Control // Hydrocarbon Processing.1996. V. 5.

[14] Rahimov N.R. Mirzamahmudov T.M. Control device for qualitative parameters of liquids on the basis of photosensitive semiconductor sensors «UFD-1A». — Moscow: Vneshtorgizdat, 1989, N 1379 T, p. 2.

[15] Rahimov N.R; Gafurov U.A., Zokirov R. Semitransparent fluid color sensor-analyzer «DC-5M». - Moscow, Vneshtorgizdat, 1991, N 3822 T, p. 2.

[16] Rahimov N.R., Gafurov U.A., Zokirov R., Isakov M. Fluid quality parameters control devise «UFD-4M». - Moscow, Vneshtorgizdat, 1991, № 3825 T, p. 2.

[17] Rahimov N.R., Gafurov U.A., Akhunjanov M. Sensor-probe for maisturc dtitcrmiiuition «DZV-2M». — Moscow, Vneshtorgizdat, 1991, N 3824 T, p. 2.

[18] Rahimov N.R., Hatamov S.O., Holmirzaev A.A. Optojelektronnyj koncentromer glicerina na osnove IK-izluchatelja / T.: INFRA-2000 (sb.st.). - s. 256259.

[19] Rahimov N.R., Tozhiev R.Zh., Holmirzaev A.A. Opticheskih parametrov nefti i nefteproduktov / Buhara: INNOVATION - 2000 (sb.st.). - s. 141143.

[20] Mirzamahmudov T.M., Rahimov N.R., Musaev Je.S., Gafurov U.A., Butaev T.B., Zokirov R.Z. Datchik-zond dlja opredelenija vlazhnosti. Avtorskoe svidetel'stvo № 1689813 ot 07.11.91.

[21] Mirzamahmudov T.M., Rahimov N.R., Gafurov U.A., Zokirov R.Z., Atakulov O.H. Ustrojstvo dlja opredelenija opticheskih parametrov zhidkih sred. Avtorskoe svidetel'stvo № 1693482 ot 23.11.91.

[22] Rahimov N. R. Kasymahunova A.M., Usmonov Sh. Optojelektronnye sredstva nerazrushajushhego kontrolja fiziko-himicheskih parametrov zhidkih sred. Kiev: Tehnicheskaja diagnostika i nerazrushajushhij kontrol' № 3, 2001 g., s. 40-43.

[23] Sajdahmedov Sh.M., Tozhiev P.Zh., Rahimov H.R., Hajdarov A.H. Ustrojstvo dlja opredelenija soderzhanija jemul'sionnoj vody v nefti i nefteproduktah. Patent RUz. IDP 0227 ot 30.05.2001.

[24] Frenkel' B.A., Stepanov N.N., Gracheva E.G. Pribory i sredstva avtomatizacii dlja kontrolja sostojanija okruzhajushhej sredy i istochnikov ee zagrjaznenija neftehimicheskimi produktami. M., Zhurnal «Avtomatizacija i kontrol'no-izmeritel'nye pribory v neftepererabatyvajushhej i neftehimicheskoj promyshlennosti» № 1, 1980.

[25] Abdullaev A.A i dr. Kontrol' v processah transporta i hranenija nefteproduktov. - M., Nedra, 1990 g., s 194-195.

[26] Muhitdinov M., Musaev Je.S. Opticheskie metody i ustrojstva kontrolja vlazhnosti. M.: Jenergoatomizdat, 1986 g., 96 s.

[27] Rahimov N. R. Kasymahunova A.M., Usmonov Sh. Optojelektronnye sredstva nerazrushajushhego kontrolja fiziko-himicheskih parametrov zhidkih sred. Kiev: Tehnicheskaja diagnostika i nerazrushajushhij kontrol' № 3, 2001 g., s. 40-43.

[28] Rahimov N.R., Tozhiev R.Zh., Tilavoldiev O., Ahunov K.H. Optojelektronnyj kolorimetr dlja kontrolja za cvetovymi razlichijami nefteproduktov. Uzbekskij zhurnal nefti i gaza № 3, 2003 g., s. 39-42.

[29] Levchenko D.N., Bergshtejn i dr. Jemul'sii nefti s vodoj i metody ih razrushenija. Himija, 1967 g., s. 14.

[30] Klejtok V. Jemul'sii, ih teorii i tehnicheskie primenenija. Izdatinlit, 1981 g.

[31] Abdullaev A.A. i dr. Razlichie nefti po spektram otrazhenija. Izv. vuzov, Neft' i gaz, 1979 g., № 3, s. 67-70.

[32] Rahimov N.R., Sajdahmedov Sh.M. i dr. Opticheskij metod opredelenija soderzhanija vody v nefteproduktah. Uzbekskij zhurnal nefti i gaza, 2001 g., №1, s. 40-42.

[33] Rahimov N.R., Sajdahmedov Sh.M., Tozhiev R.Zh, Hatamov S.O. Razrabotka priborov dlja jekspressnogo kontrolja za posledovatel'noj perekachnoj nefti //Uzbekskij zhurnal nefti i gaza, 2001 g., № 3.

[34] Rahimov N.R., Tozhiev R.Zh., Sajdahmedov Sh.M. i dr. Optojelektronnoe ustrojstvo dlja opredelenija soderzhanija jemul'sionnoj vody v nefti i nefteproduktah. Uzbekskij zhurnal nefti i gaza, 2003 g., № 1.

[35] Poiskovye issledovanija po razrabotke perenosnogo signalizatora serovodoroda v vozduhe. Otchet NIR № 0285.0059864, M., 1980.

[36] Abdullaev A.A, Dzhavadov A.A., Levin A.A., Nabiev I.A. Telemehanicheskie kompleksy dlja neftjanoj promyshlennosti. - M., Nedra, 1982 g.

[37] Zajcev L.A., Panarin V.V. Sistemy sbora i obrabotki informacii dlja rezervuarnyh parkov. - M., Nedra, 1984 g.

[38] Sistema stabilizacii chastoty izluchenija lazera. Patent na izobretenie. RU 2431909 C2, MKP H01S 3/10 (2006.01). Zajavka 2009137713/28 ot 12.10.2009. Data nachala sroka dejstvija 12.10.2009. data podachi zajavki 12.10.2009., data publikacii zajavki: 20.04.2011. Bjul. №11. Opublikovano 20.10.2011., bjul. № 29. Avtory: V.A. Zhmud', V.M. Semibalamut. Pravoobladatel': Uchrezhdenie RAN SO RAN ILF.

[39] Zhmud' V.A. Stolpovskij A.A. Ustrojstvo stabilizacii rezhima raboty poluprovodnikovogo lazera. Avtometrija, 1988, N 2, s.104 - 106.

[40] A.A.Voevoda, V.A.Zhmud'. Optimizacija dinamiki kontura termostabilizacii poluprovodnikovogo lazera.

Razvitie metoda lokalizacii. Avtometrija, 1990, No 1, s.43-50.

[41] E.G. Volkov, V.A.Zhmud', Z.B. Krugljak. Programmno-upravljaemyj poluprovodnikovyj lazer dlja magnitoopticheskoj pamjati. Avtometrija, 1992, No 1, s.45-54.

[42] Efimov A.S., Zhmud' V.A., Padjukov I.V. Precizionnyj istochnik toka dlja poluprovodnikovogo lazera. Avtometrija, 1997, N 3 s.111- 115.

[43] Zhmud' V.A., Padjukov I.V. Precizionnaja mikroprocessornaja sistema stabilizacii temperatury. Avtometrija, 1997, N 5, s. 115-120.

[44] Voevoda A.A., Zhmud' V.A., Solov'ev A.L.. Cifrovaja sistema termostabilizacii poluprovodnikovogo lazera: matematicheskaja model' i uslovija poluchenija optimal'nogo perehodnogo processa. Avtometrija. N 3, 2000. C.109-121.

[45] A.S. Efimov, V.A. Zhmud', D.Ju. Ivashko, I.V. Padjukov. Precizionnoe upravlenie poluprovodnikovymi lazerami. PTJe, 2000g. N 4, s. 105—110.

[46] V.A. Vasil'ev, V.A. Zhmud'. Sistema termostabilizacii diodnogo lazera. PTJe, 2000g. N 4, s.158-159.

[47] V.A. Zhmud', A.G. Sokolov. Istochnik impul'snogo toka dlja inzhekcionnyh poluprovodnikovyh lazerov. PTJe, 2000, N2, s.155-156.

[48] Zhmud' V.A., Sokolov A.G. Issledovanie pomeh v cepi diodnogo lazera. Nauchnyj vestnik NGTU, 2004, N 2(17), s.83-92.

[49] Lazernaja spektroskopija, svobodnaja ot kvadratichnogo jeffekta Doplera. Dmitriev A.K., Zhmud' V.A., Ohapkin M.V. Informacionnyj bjulleten' RFFI. 1994. T. 2. № 2. S. 355.

[50] Sozdanie absoljutnogo standarta chastoty dlja jeksperimentov po precizionnoj spetroskopii

mjuonija. Bagaev S.N., Dychkov A.S., Efimov A.S., Zhmud' V.A., Kolker D.B., Nevskij A.Ju., Farnosov S.A., Fateev N.V. Informacionnyj bjulleten' RFFI. 1996. T. 4. № 2. S. 1095.

[51] Nelinejnaja lazernaja spektroskopija na komponentah dupleta otdachi. Dmitriev A.K., Babushkin D.G., Barmasov S.V., Vasil'ev V.A., Zhmud' V.A., Lugovoj A.A., Orlov O.M., Ohapkin M.V., Padjukov I.V., Popov S.Ju. Informacionnyj bjulleten' RFFI. 1997. T. 5. № 2. S. 538.

[52] Nelinejnaja lazernaja spektroskopija na komponentah dupleta otdachi. Dmitriev A.K., Barmasov S.V., Babushkin D.G., Vasil'ev V.A., Padjukov I.V., Orlov O.M., Pugach Ju.P., Lugovoj A.A., Ohapkin M.V., Zhmud' V.A. Informacionnyj bjulleten' RFFI. 1999. T. 7. № 2. S. 374.

[53] Frequancy reference in the 532-nm region for precision laser of muonium. Bagaev S.N., Belkin A.M., Dychkov A.S., Efimov A.S., Zhmud' V.A., Kolker D.B., Matyugin Yu.A., Pivtsov V.S., Farnosov S.A., Fateev N.V. Quantum Electronics. 2000. T. 30. № 7. S. 641-646.

[54] Ustrojstvo dlja izmerenija skorosti Ju.N. Dubnishhev, V.A.Zhmud', V.A. Pavlov, A.A. Stolpovskij - A.s. N 1139261, 1982, MKI G 01 P3/36.

[55] V.A. Zhmud', V.S. Sobolev A.A. Stolpovskij. Ustrojstvo dlja obrabotki doplerovskogo signala A.s. N 1091087, 1982, MKI G 01 R23/02

[56] V. A. Zhmud'. The tracking signal processor for the back-scattered beams laser Doppler velocimeter. / China, Beijing, 1989, Pergamon Press, Modern Techniques and Measurements in fluid flows - Proc. of the Int. Conf. on Fluid dynamics measurements and its applications