Устройство экспресс-контроля содержания нефти и механических частиц в подтоварной воде
DEVICE FOR EXPRESS CONTROL OF THE CONTENT OF OIL AND MECHANICAL PARTICLES IN THE PRODUCED WATER

Изобретение относится к оптическим измерениям и технике контроля концентраций взвешенных частиц в воде и может быть использовано для определения содержания нефти и механических частиц в подтоварной воде на нефтедобывающих предприятиях, а также для экологического мониторинга водных сред.
Известен детектор концентрации нефти в воде (патент США № 4201471, опубликованный в 1978 г.), который содержит рассеивающий объем, выполненный в виде полого цилиндра, закрепленный через конические переходы в разрыве трубопровода промысловых сточных вод, в котором выполнены три прозрачных окна, соединенные с помощью волоконно-оптических кабелей соответственно с лазером и двумя фотоприемниками, причем один фотоприемник служит для регистрации прямого излучения лазера, прошедшего через рассеивающий объем, а второй, окно для которого установлено под угломотносительно окна для регистрации прямого излучения, для регистрации излучения, рассеянного на нефтяных частицах, при этом выходы фотоприемников через предварительные усилители, аналого-цифровой преобразователь и интерфейс подключены к входу компьютера.
Недостатками устройства являются не высокая точность измерений и определение в воде только одного показателя – содержания нефти.
Известно устройство определения концентрации нефти и нефтепродуктов в воде (а.с. № 1453272, опубликованное в 1989 г.), содержащее стабилизированный источник излучения, фотометрическую кювету, выполненную в виде цилиндрического корпуса с оптическими окнами, с входным и выходным штуцерами, фотоприемник, соединенный с блоком обработки сигналов, два электромагнитных клапана, емкость с растворителем, насос и блок коммутации, соединенный с блоком обработки сигнала, внутренний объем фотометрической кюветы выполнен в виде усеченных корпусов, на конических поверхностях которых выполнены, по крайней мере три канавки, симметричных относительно оптической оси, оптические окна расположены в вершинах усеченных конусов, выходной штуцер содержит симметричные отверстия, совпадающие с канавками на конических поверхностях, электромагнитные клапаны установлены на входе и выходе кюветы и гидравлически связаны между собой через емкость с растворителем и насос, блок коммутации электрически соединен с источником излучения и выполнен с возможностью автоматической регулировки клапанов.
Недостатками устройства являются низкая надежность и не возможность определения кроме концентрации нефти еще содержание механических частиц в подтоварной воде.
Известно устройство для определения размеров и числа частиц в жидкости  (патент РФ № 2149379, опубликованный в 2000 г.), содержащее приемное устройство; оптическую систему; источник излучения; аналого-цифровой преобразователь, осуществляющий преобразование электрического сигнала с приемного устройства в цифровой код; регулярный многоэлементный световод, выполняющий функции передачи изображения анализируемой среды на приемное устройство, которое выполнено в виде двухкоординатного многоэлементного приемника излучения на основе ПЗС-матрицы; нерегулярный многоэлементный световод, выполняющий функции передачи импульса оптической подсветки в исследуемую среду; микро ЭВМ, выполняющая функции обработки цифрового сигнала, следующего на нее с аналого-цифрового преобразователя; устройство генерации импульсной подсветки, синхронизируемое с циклом накопления заряда ПЗС-матрицы.
Недостатком устройства является не возможность разделять нефтяные и механические частицы в подтоварной воде.
Общим недостатком известных устройств является определение в воде только одного показателя – содержания нефти или механических частиц. На практике для определения обоих показателей качества подтоварной воды используют сразу несколько методик анализа, что увеличивает затраты и удлиняет процесс контроля.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство «Детектор концентрации нефти в воде», патент РФ № 2308707, опубликованный в 2007 г. (прототип). Оно включает лазерный источник излучения, проточную кювету с анализируемым образцом, фотоприемник, регистрирующий прямопрошедший через кювету световой поток, фотоприемник, регистрирующий интенсивность рассеяния, расположенный перпендикулярно к нему. Лазер и фотоприемники закреплены на вращающемся с помощью двигателя столике. Устройство содержит также блоки калибровки, промывки, аварийной сигнализации и обработки сигналов фотоприемников.
Недостатком устройства является его высокая сложность, не высокая точность измерений и не возможность определения кроме концентрации нефти в воде содержания механических частиц.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении точности измерений и определения в подтоварной воде дополнительно концентрации механических частиц. Для уменьшения и усреднения размеров нефтяных шариков присутствующих в подтоварной воде ее перед измерением пропускают через гомогенизатор, который может иметь ультразвуковой принцип работы. Это обеспечивают более мелкое дробление частиц нефти, позволяет определять сразу два параметра качества подтоварной воды – содержание нефти и механических частиц. Для устранения колебаний мощности лазерного источника излучения в предложенном устройстве между лазером и проточной кюветой установлена полупрозрачная пластина, которая часть излучения лазера направляет на фотоприемник контроля мощности лазера. Зарегистрированный сигнал используется блоком обработки сигналов для корректировки измеренных сигналов фотоприемников и устраняет погрешности измерений связанные с колебаниями мощности лазера. Фотоприемник контроля рассеянного излучения, расположенный под углом 90º к направлению прямопрошедшего через проточную кювету светового потока (прототип) заменен на фотоприемник рассеянного назад лазерного излучения, который крепится непосредственно на кювете со стороны лазера соосно к нему.  Фотоприемник имеет центральное отверстие диаметром равным диаметру лазерного луча, проходящего через него в кювету. Расположение и конструкция фотоприемника рассеянного назад излучения позволяет регистрировать рассеяние в углах от 100 до 180º. Это обеспечивает возможность определения через зарегистрированные сигналы концентрации сразу двух контролируемых параметров в подтоварной воде – нефти и механических частиц.  Для устранения погрешностей измерения устройства из-за колебаний температуры регистрирующих фотоприемников и контролируемой среды, протекающей через кювету, фотоприемники, проточная кювета и полупрозрачная пластина размещены в блоке термостатированном при температуре 25-30ºС с погрешностью ±1°С, имеющим отверстие для ввода в него лазерного луча направленного через делитель светового потока в кювету, что также улучшает точность измерений.
Технический результат, который может быть получен при использовании заявляемого устройства, достигается за счет использования гомогенизатора подтоварной воды, полупрозрачного делителя, размещенного между лазером и проточной кюветой, фотоприемника контроля интенсивности излучения лазера, фотоприемника рассеянного излучения размещенного на кювете со стороны лазера на одной оси с ним и имеющего центральное отверстие диаметром равным диаметру лазерного луча для прохода через него в кювету. Кювета, фотоприемники и полупрозрачный делитель размещены в закрытом измерительном блоке, термостатированном при постоянной температуре в диапазоне от 20 до 25°С с погрешностью ±1°С, имеющим входное отверстие для направления лазерного луча через полупрозрачный делитель в кювету. Гомогенизатор может представлять собой ультразвуковое устройство.
Таким образом, заявляемая совокупность признаков является существенной и необходимой для достижения поставленной цели.
Сущность изобретения устройства поясняется чертежом, где на фиг.1 приведена схема предлагаемого устройства.
Устройство содержит лазерный источник излучения 1, полупрозрачный делитель лазерного светового потока 2,  фотоприемник контроля мощности лазера 3, фотоприемник регистрации рассеянного назад лазерного излучения частицами нефти и механических примесей 4, проточную кювету 5, гомогенизатор 6, фотоприемник 7, регистрирующий прямопрошедший через кювету световой поток, электронный блок обработки сигналов фотоприемников 8 и термостатированный блок 9.
Устройство работает следующим образом. Лазерное излучение от лазера 1 направляют на полупрозрачный делитель лазерного светового потока 2, который часть излучения направляет на фотоприемник 3, для контроля мощности лазера, прошедший через делитель световой поток попадает через центральное отверстие в фотоприемнике 4 в проточную кювету 5, через которую прокачивают пробу подтоварной воды прошедшую через гомогенизатор 6. Рассеянное назад частицами нефти и механических примесей лазерное излучение регистрируют фотоприёмником 4, а прямопрошедший через кювету лазерный луч регистрируется фотоприемником 7.  Сигналы от фотоприемников 3, 4 и 7 поступают в блок обработки 8, который преобразует их в количественное содержание нефти и механических частиц в подтоварной воде.  При этом кювета, фотоприемники и полупрозрачный делитель размещены в закрытом измерительном блоке 9 термостатированном при постоянной температуре в диапазоне от 25 до 30°С с погрешностью ±1°С, имеющим входное отверстие для направления лазерного луча через полупрозрачный делитель в кювету, что обеспечивает одинаковую температуру у всех регистрирующих фотоприемников и протекающей через кювету контролируемой пробы подтоварной воды.
Таким образом, представленное изобретение позволяет повысить точность измерений и контролировать содержание нефти и механических частиц в подтоварной воде.