CC BY
271
УДК 681.586.5:621.384.3
М.П. Исаев, Н.Р. Рахимов, П.В. Петров
СГГА, Новосибирск
РАЗРАБОТКА ИК-ДАТЧИКА КОНТРОЛЯ ВЛАЖНОСТИ И СОДЕРЖАНИЯ ВОДЫ В НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТАХ
Предлагается оптоэлектронный метод контроля влажности нефти и нефтепродуктов. Для этого предлагается оптрон открытого канала, как первичный преобразователь влажности в дальнейшем обработка сигналов производится электронным устройством.
M.P. Isayev, N.R. Rakhimov, P. V. Petrov Siberian State Academy of Geodesy (SSGA)
10 Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russian Federation
DEVELOPMENT OF INFRARED SENSOR FOR OIL AND OIL PRODUCTS HUMIDITY AND WATER CONTENT CONTROL
The optoelectronic method for oil and oil products humidity control is offered. The open-channel optron is to be used as a humidity sensor, with further signal being processed by an electronic device.
В настоящее время существует большое разнообразие методов измерения влажности жидких сред [1-6]:
- Прямые методы;
- Физические методы;
- Высокочастотный метод;
- Сверхвысокочастотные методы;
- Теплофизические методы;
- Метод ядерного магнитного резонанса;
- Радиометрические методы;
- Акустические методы;
- Сорбционно-резистивный метод;
- Сорбционно-емкостный метод;
- ИК-методы;
- Рефрактометрические методы и т. д.
Применяемые в настоящее время в нефтеперерабатывающей промышленности аналитические методы определения влажности не обеспечивают повсеместное, точное и быстрое получение информации о ней. В связи с этим, одной из актуальных задач дальнейшего развития производства нефтепереработки и повышения эффективности оценки выпускаемой
продукции является разработка и внедрение современных методов и технических средств измерения влажности нефти и нефтепродуктов. С помощью современных методов, основанных на физических методах исследования состава и свойств веществ, при этом используется элементная база физики полупроводников, оптоэлектроники и т. д. С помощью этих современных отраслей физики можно создать эффективные информационноизмерительные системы. Для нефтеперерабатывающей промышленности эти методы и оптоэлектронный контроль являются новыми.
Различные виды и формы влаги влияют на отражение и поглощение ИК-лучей. Но можно выявить определенную систему и оптическим методом обеспечить возможность непрерывного неразрушающего автоматического контроля влажности в производстве нефтепереработки.
ИК-метод измерения влажности основан на определении спектральной характеристики в области ИК-диапазона влажного вещества. При этом определяется полоса поглощения ИК-излучения на измерительных и опорных длинах волн.
Принцип метода основан на измерении логарифма отношения световых потоков, учитывая закон Бугера-Ламберта-Бера:
1п(Ф,/ФоО = КпСт = 0, (1)
где Кп - коэффициент поглощения воды; С - концентрация воды; т -толщина нефти или нефтепродуктов (при этом эффективная толщина должна быть 0.5 мм); О - оптическая плотность; Ф0^ - первоначальный падающий световой поток; Ф> - прошедший через вещество световой поток. При этом чаще всего в таких влагомерах используются ИК-излучения в диапазоне 0,8 -г-6,63 мкм. Это объясняется тем, что вода и водяной пар имеет в этой области несколько пиков поглощения. По данным международного каталога Н1ТЯАЫ [7] представлен детальный спектр поглощения воды в диапазоне 1.5-г-4 мкм на рис. 1.
Рис. 1. Спектр поглощения воды по данным НІТЯЛК
При создании ИК-влагомеров чаще всего применяется двухканальный вариант (рис. 2), который обеспечивает наибольшую чувствительность к помехам, колебаниям внешних условий. При этом обычно в одном канале используется световой поток светоизлучающего диода (СИД) с длиной волны Х\ (измерительный), а в другом канале используется световой поток СИД с длиной волны Х2 (опорный), близкой к /ч, но находящейся вне ближайшего пика поглощения влаги.
Рис. 2. Блок-схема оптоэлектронного двухканального метода контроля
влажности
1 - задающий генератор; 2 - триггер; 3,4 - измерительный и опорный СИД;
5 - нефть или нефтепродукты; 6 - приемника оптического излучения;
7 - блок обработки фотоэлектрического сигнала; 8 - измерительный прибор
Использование и Х2, относящихся к ИК-диапазону, позволяет исключить влияние погрешности на результат измерений важного фактора, как, например, окраска исследуемой жидкой среды.
Для исследования метрологических характеристик при различных длинах волн применяемых СИД, был проведён эксперимент. В результате эксперимента было практически установлено, что вода очень хорошо поглощает излучения с длинами волны 0,93; 1,39; 1,94; 3,4 мкм. Наиболее оптимальным является длина волны 1.94 мкм. Так как поглощение воды в этом диапазоне носит характер индуцированной поляризации, сопутствующей колебаниям атомов, такое явление считается атомной поляризацией. Влага, попадающая в вещество, меняет его спектр. Из разных спектральных характеристик сухого вещества (рис. 3, кривая 1) и при влажности 9 % (кривая 2) следует, что на длине волны 1.94 мкм вода обладает значительным поглощением. Следовательно, если контролируемый объект облучить ИК-излучением с такой длиной волны и измерять мощность прошедшего или отраженного потока излучения, то она будет изменяться в зависимости от влажности. По результатам экспериментальных данных зависимости отношения сигналов в функции от потоков, падающего Фол, и прошедшего Ф>, через материал излучений при различных влажностях и при применении в измерительном канале СИД с длинами волн максимума спектральной характеристики = 1,94 мкм и, соответственно, ^2 = 1,7 мкм в опорном канале. В качестве приемника оптического излучения (ПОИ) для данного спектрального диапазона СИД
выбраны сернисто-свинцовые фоторезисторы, обладающие достаточной чувствительностью в диапазоне 0,5 4 3,6 мкм. Также можно использовать фоторезисторы ФСА-Г2 и ФР-1-3В.
ф
3
га
.о
5
СВ
о
га
*
о
Длина волны, мкм
Рис. 3. Спектральные характеристики сухого (1) и влажного (2) нефтепродукта
Если слой нефти или нефтепродукт облучать двумя потоками ИК-излучения Ф(Ш (опорный) и Ф0/2 (измерительный), то прошедшие через вещество потоки будут соответственно [3]:
ф,л = Фон е-к|ш1; Ф12 = ФЮ2 е-<к“+к^> (2)
где ^, k2 - коэффициенты поглощения на опорной и измерительной длинах волн; m1, :та2 - масса вещества и влаги соответственно.
Предварительно выровняв начальные значения потоков Ф()> | и Ф0/2 по реакции ПОИ, при временном разделении потоков (используется один ПОИ) получим:
^ = RнIФl; U2 = RнIФ2, (3)
где Rн - сопротивление нагрузочного резистора, включенного последовательно с ПОИ; !Ф1, IФ2 - фототоки опорного и измерительного каналов.
Так как фототок связан с потоком зависимостью 1Ф = иуФа, то получаем:
1Ф1 = сЩФьх, е'к1т1)“; 1Ф2 = сЩФои е-,к1т|+к2ш2,Г, (4)
где у и а - показатели нелинейности; с - постоянный коэффициент.
Если применяется один ПОИ, который питается от напряжения и, то имеем:
^ = А(Ф(ш е'к1т1)“; и2 = А(Фо,2 е(к1т1+к2т2))а, (5)
где А = си"Я„
Для получения сигнала, пропорционального влажности, необходимо произвести операцию деления и логарифмирование; в этом случае:
и, / и2 = (Фон е-к1т1)“/ (ФЮ2 е-(к1т1+к2"'2))“, (6)
откуда следует:
1п \]\ - 1п \]2 = к2т2а (7)
Полученная зависимость нелинейна, и в выражение входит показатель степени а, что создает дополнительные погрешности и приводит к искусственному сужению диапазона измерения. Следует отметить, что опорный поток в какой-то мере также зависит от влажности. Возможно построение влагомеров с более сложной обработкой сигнала.
Двух волновые ИК-влагомеры для нефти и нефтепродуктов позволяют исключить такие факторы, как влияние неинформативных параметров объекта, нестабильность ПОИ, старение источников и приемника оптического излучения. Если контролируемая среда, как нефть и нефтепродукты многокомпонентная, то для исключения влияния различных компонентов среды вводят дополнительно еще одну опорную длину волны. Трехволновые влагомеры в основном применяются в лабораторных исследованиях. Следует так же отметить, что увеличение числа используемых длин волн анализирующего излучения значительно усложняет прибор, снижает его надежность, а в ряде случаев приводит к неоправданным затратам.
Существует также ряд других методов преобразования влажности в фотоэлектрический сигнал, позволяющих одновременно с влажностью определять массу, как влаги, так и вещества. Таким образом, для построения ИК-влагомеров необходимы, прежде всего, спектральные характеристики объекта. По спектральным характеристикам выбирают оптимальные с точки зрения чувствительности и приборной реализации длины волн на полосе поглощения влагой (измерительная) и вне полосы поглощения (опорная). Далее выбирают источник излучения. В качестве источника излучения могут быть использованы светодиоды или полупроводниковые лазеры. Для приема и преобразования сигнала выбирают ПОИ, чувствительные к выбранному рабочему диапазону спектра. Обработку сигнала производят электронными устройствами.
Принцип действия влагомеров для нефти и нефтепродуктов, использующих отражение от контролируемого объекта излучение, основан на облучении объекта так же двумя потоками (на опорной и измерительной длинах волн) и на приеме отраженного излучения.
Многообразие схемных решений оптоэлектронных влагомеров говорит, в частности, о неполноте проведенных ранее исследований и об отсутствие критериев, позволяющих выбрать оптимальный вариант. Считаем, что в ближайшем будущем будут исследованы метрологические характеристики различных вариантов оптоэлектронных влагомеров, а так же их конструктивные, экономические и эксплуатационные характеристики, что позволит придти к различным базовым вариантам оптоэлектронных влагомеров.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Рахимов, Н.Р Оптический контроль в нефтеперерабатывающей промышленности. - Фергана: Техника, 2005.-91с.
2. Свиргун, С.П. Исследование аналитических возможностей ИК-метода определения влажности сыпучих материалов// Автоматизация химического производства. - М., 1976. - Вып. 4 - С. 48-53.
3. Мухитдинов, М. Оптические методы и устройства контроля влажности./ М.Мухитдинов, Э.С. Мусаев. - М.: Энергоатомиздат, 1986. -96 с.
4. Моик, И.Б. Термо - и влагометрия пищевых продуктов./ И.Б. Моик, Н.А Рогов, А.В. Горбунов. - М.:Агропромиздат, 1988. -304с.
5. Оптический метод определения содержания воды в нефтепродуктах / Н.Р Рахимов, Ш.М. Сайдахмедов и др.// Узбекский журнал нефти и газа.- 2001.-№1.- С. 40-42.
6. Оптоэлектронный анализатор цвета полупрозрачных жидкостей / Н. Р. Рахимов, О. К. Ушаков, Е. Ю. Кутенкова, М. П. Исаев //Сб. материалов V Междунар. науч. Конгр. «Гео-Сибирь-2009». - 2009. - Т. 5.- C.123-128.
7. Каталог HITRAN < http://www.cfa.harvard.edu/HITRAN>.
© М.П. Исаев, Н.Р. Рахимов, П.В. Петров, 2011
