CC BY
94
УДК 681.586.5:621.384.3
Н.Р. Рахимов, Е.Ю. Кутенкова, Т.В. Ларина, П.В. Петров, Ш.И. Мадумаров СГГ А, Новосибирск
ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ МЕТОД АНАЛИЗА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ
Предлагается оптоэлектронная система с применением эффекта НПВО для контроля состава нефти и нефтепродуктов. Разработана оптоэлектронная система для определения эмульсионной воды в нефти и нефтепродуктах.
N.R Rakhimov, Ye. YU. Kutenkova, T. V. Larina, P.V. Petrov, Sh.I. Madumarov SSGA, Novosibirsk
OPTOELECTRONIC METHOD USED FOR THE ANALYSIS OF OIL AND OIL PRODUCTS PHYSICOCHEMICAL PARAMETERS
Optoelectronic system is offered to be used with FTIR effect for oil and its products composition control. The optoelectronic system has been developed for revealing water emulsion in oil and its products.
В отечественных и зарубежных работах, посвященных автоматическому контролю физико-химических параметров нефти и нефтепродуктов, уделено мало внимания вопросам оптического контроля за составом и свойствам нефти и нефтепродуктов в нефтеперерабатывающем производстве.
К важнейшим оптическим свойствам нефти и нефтепродуктов относятся оптическая плотность, содержание различных компонентов веществ и другие характеристики, которые можно контролировать с помощью оптических методов, в том числе с применением различных рефрактометров.
Рефрактометры в зависимости от используемых оптических явлений подразделяются на призменные, интерференционные, инерционные, фокусируюшие, стержневые, рефрактометры полного внутреннего отражения (ПВО) или нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО), в которых используется зависимость предельного угла полного внутреннего отражения светового потока от коэффициента преломления контролируемой среды [1, 2].
Призменные рефрактометры используются для исследования только прозрачных сред и в зависимости от типа используемых призматических кювет обладают разными метрологическими свойствами. Структурные схемы основных вариантов оптоэлектронных призменных рефрактометров представлены на рис. 1.
Самой простой является конструкция кюветы на основе полой единичной треугольной призмы, заполненной исследуемым веществом (рис. 1, а). Расчетное выражение для нее имеет вид:
. В + а sin-----
n =------L, (1)
а
sm
где а - преломляющий угол призмы;
в - угол отклонения светового луча призмой из исследуемой среды.
Источник И создает единичный полихроматический или монохроматический световой поток. Его отклонение после призматической кюветы К, определяется информационным преобразователем ОП, подключенным к схеме В обработки выходного сигнала ОП, который фиксируется регистрирующим устройством Р.
Большую точность и лучшее разрешение по показателю преломления обеспечивают двухканальные рефрактометры со встречным включением призм (рис 1, б). В этом случае видеосигнал ОП содержит два импульса (рис. 1, б), которые определяются параметрами и расположением кювет К и. К2, показателем преломления сред.
В целях упрощения конструкции оптической части рефрактометров в них вместо двух отдельных трехугольных кювет используют одну дифференциальную рефрактометрическую кювету в виде единой плоскопараллельной системы из двух трехугольных призм (рис. 1, в), В начальной положении в обе части таких кювет помещается эталонная: среда и фиксируется временное положение видеосигнала. При этом световой луч выходит из куветы нормально к её выходной грани. При замене в одной из частей кюветы эталонной среды на исследуемую луч света отклоняется от первоначального направления на угол в, пропорциональный Ап - разности показателей преломления сред в обоих частях кюветы. В результате чего луч на ОП смещается на величину Ах, а видеосигнал сместится на величину, определяемую выражением (2).
Расчетное выражение для полезных кювет имеет вид:
Ьбtga ’
где Ах = А^
Т
ТР
При Ьб = 1 м, Лхтіп = 10-6 м, а = 45° разрешающая способность таких рефрактометров составляет Лптіп = 10-6.
Одноканальные одноплечие рефрактометры на основе подобных дифференциальных кювет, обладая простотой конструкции, обеспечивают при этом более высокую точность, чем одноканальные одноплечие рефрактометры на основе единичных треугольных призм.
Повысить разрешающую способность таких рефрактометров можно путем двукратного прохождения светового луча через дифференциальную кювету (рис. 1, г), для чего за ней помещают отражающее зеркальце 3. В этом случае вместо смещения луча ЛХ} с помощью ОП определяется смещение луча Лх2 и разрешающая способность возрастает в т раз, где Лх2
т = ~Т^. (3)
Лхі
Для повышения разрешающей способности одноканальных призменных рефрактометров в некоторых случаях используют кюветы на основе строенных треугольных призм (рис. 1, д).
Такие кюветы из строенных треугольных призм можно применять и в двухканальных рефрактометрах (рис. 1 , е).
Кроме того важнейшей характеристикой нефти является цвет. Нефти имеют различную окраску в зависимости от плотности: жёлтую при р < 0,79, янтарную при р в пределах 0,79 - 0,82, коричневую и чёрную при р > 0,82. Цвет нефтепродукта определяется его составом, а именно - содержанием ароматических и асфальто-смолистых веществ. Поэтому по цвету нефтепродукта можно косвенно судить о степени его очистки от смолистых соединений [3].
Для определения цвета нефтепродукта используют такие приборы, как колориметры ЦНТ, КНС-1 и КНС-2 для нефтяных парафинов.
В данной работе предлагается следующая конструкция оптоэлектронного колориметра, блок-схема которого представлена на рис. 2, а на рис. 3 конструктивное выполнение датчика [4].
Оптоэлектронный фотоколориметр состоит из задающего генератора 1 (источника импульсного питания), коммутатора 2, светоизлучающих диодов СИД1 - 3, СИД2 - 4, СИД3 -5, СИД4 - 6, контролируемого объекта 7, отражающей поверхности 8, приемников оптического излучения ПОИ1 - 9, ПОИ2 - 10, ПОИ3 -11, ПОИ4 - 12, блока обработки фотоэлектрического сигнала - 13 и измерительного прибора 14 или ЭВМ - 15.
Рис. 2. Блок-схема оптоэлектронного колориметра
Датчик (рис. 3) включает в себя линзу-шар 16, полость которой представляет собой цилиндр, проходящий через ее центр, где уставлен посеребренный вал с отражающей поверхностью 8, кран 17 для перекрывания и пропускания потока исследуемой жидкости 7, помещенные в корпус 18.
Рис. 3. Конструктивное выполнение датчика оптоэлектронного колориметра
Устройство работает следующим образом. При заполнении цилиндрического отверстия линзы-шара 16 (то есть кюветы) контролируемой жидкостью, она облучается несколькими светодиодами с длиной волны 315 -1200 нм и устройство также можно установить в технологический процесс, т.е. можно контролировать нефть, протекающую через трубу по стрелке, указанной на рис. 2. При включении задающий генератор 1 вырабатывает прямоугольные импульсы 8 - 10 Гц. Разделенные импульсы через переключатели оптронов подаются на светоизлучающие диоды 3, 4, 5, 6.
В первом положении переключателя, поток излучения светоизлучающего диода 3 фокусируется и отражается от посеребренной поверхности вала 17 и далее попадает на приемник оптического излучения 8. Затем сигналы поступают в БОФС -12, где реализуется отношение сигналов компенсационного и измерительного потока. Сигнал отношения пропорционален величине коэффициента пропускания, оптической плотности жидких сред и прозрачных твердых тел, а также измеряется концентрация веществ в растворе, после предварительного определения потребителем градуировочной характеристики,
подаются на измерительный прибор, по показанию которого судят об оптических параметрах жидких сред.
Предлагаемое устройство повышает точность измерения за счет двукратного прохождения излучения через исследуемый объект и стационарного расположения кюветы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Отражательная рефрактометрия/ М.В. Лейкин и др. - Л.: Машиностроение, 1983.
2. Рахимов, Н.Р. Оптический контроль в нефтеперерабатывающем производстве: монография. — Фергана: Техника, 2004. - 91 с.
3. Рябов, В.Г. Технология переработки нефти и газа. Первичная переработка нефти и газа: конспект лекций: учеб. Пособие. - Пермь: Перм. Гос. Техн. ун-т, 2007. - 225 с.
4. Заявка 2009146659 (066473) Российская федерация. Оптоэлектронный
колориметр/Б.Н. Рахимов и др.; Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия»
© Н.Р. Рахимов, Е.Ю. Кутенкова, Т.В. Ларина, П.В. Петров, Ш.И. Мадумаров, 2010
