ИНФРАКРАСНЫЙ ВЛАГОМЕР

Полезная модель относится к области физико-химических методов анализа, в частности к инфракрасной спектроскопии определения состава смесей нефтепродуктов.
Известен инфракрасный влагомер углеводородов, содержащий оптический излучатель для излучения инфракрасных лучей и инфракрасный фотоприемник, расположенные на одной вертикальной оси, кювету с пробой нефти, размещенную горизонтально между излучателем и приемником и выполненную прозрачной, усилитель сигналов, блок обработки для вычисления концентрации воды в нефти и дисплей влагомера для вывода результатов измерений, при этом излучатель и приемник дополнительно оснащены устройствами температурной стабилизации с блоком управления (патент RU 80955, МПК G01N 21/81, 2009 год).
Недостатками известного влагомера являются, во-первых, сложность осуществления измерения в потоке нефти непосредственно в трубопроводе, во-вторых, сложность монтажа устройства на трубопровод через стандартное фланцевое соединение.
Известен многоканальный инфракрасный датчик для измерения фазового состава многокомпонентного потока, в частности потока нефтепродуктов, содержащий инфракрасный излучатель, соединенный с источником питания, параболический рефлектор, пробоотборник, состоящий из двух плоскопараллельных сапфировых пластин, с пробой нефтепродуктов, коллиматор, соединенный с приемным концом волоконно-оптической сборки, состоящей из кварцевых волокон, при этом выходной конец волоконно-оптической сборки разделен на оптические каналы, имеющие равное количество волокон, причем по крайней мере один канал является опорным, концы оптических каналов через оптические фильтры связаны с фотодиодами, на выходе которых получают электрический сигнал, передаваемый на компьютерную обработку с получением изображения на дисплее (патент GB 2423817; МПК G01N 21/25, G01N 33/28; 2006 год).
Недостатком прибора является его низкая точность за счет недостаточно высокой чувствительности.
Таким образом, перед авторами стояла задача разработать конструкцию датчика для определения количественного состава нефтепродуктов, обеспечивающего высокую точность за счет повышения чувствительности.
Поставленная задача решена в предлагаемой конструкции инфракрасного влагомера, содержащего источник инфракрасного излучения, соединенный с источником питания, параболический рефлектор, пробоотборник, состоящий из двух плоскопараллельных сапфировых пластин, с пробой водонефтяной смеси, коллиматор, соединенный с приемным концом волоконно-оптической сборки, состоящей из кварцевых волокон, при этом выходной конец волоконно-оптической сборки разделен на оптические каналы, имеющие равное количество волокон, причем по крайней мере один канал является опорным, концы оптических каналов через оптические фильтры связаны с фотоприемниками, на выходе которых получают электрический сигнал с получением его изображения на экране дисплея после компьютерной обработки, в котором волоконно-оптическая сборка дополнительно содержит волокна, выполненные из галогенида серебра, причем соотношение кварцевых волокон и волокон из галогенида серебра равно 1:1, а их общее количество составляет не менее 90, при этом конец волоконно-оптической сборки разделен на девять оптических каналов, соединенных с девятью фотоприемниками через девять оптических фильтров, соответственно, при этом три оптических канала являются опорными.
В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен инфракрасный влагомер предлагаемой конструкции, в котором волоконно-оптическая сборка дополнительно содержит волокна, выполненные из галогенида серебра, причем соотношение кварцевых волокон и волокон из галогенида серебра равно 1:1, а их общее количество составляет не менее 90, при этом конец волоконно-оптической сборки разделен на девять оптических каналов.
На фиг. 1 изображена функциональная схема предлагаемого инфракрасного влагомера, где 1 - источник инфракрасного излучения (λ 0,5-10,0 мкм), соединенный с электрическим источником питания (на схеме не показан); 2 - параболический рефлектор; 3 - пробоотборник, выполненный из двух плоскопараллельных сапфировых пластин (3.1, 3.2) с регулируемым зазором; 4 коллиматор; 5 - волоконно-оптическая сборка, состоящая из кварцевых волокон и волокон из галогенида серебра, взятых в соотношении 1:1; 6 - приемный торец волоконно-оптической сборки; 7 - оптические каналы с равным количеством оптических волокон; 8 - выходные концы оптических каналов; 9 - оптические фильтры (выделение необходимых длин волн); 10 - фотопиемники (фотодиод или пироэлектрический детектор); 11 - образец водонефтяной смеси.
На фиг. 2 изображены спектральные характеристики воды и нефти, где 1-9 каналы для выделения характеристических сигналов, 10 - спектральные характеристики поглощения воды; 11 -спектральные характеристики поглощения нефти, при этом 3, 5, 8 - каналы для выделения пиков поглощения нефти; 2, 4, 7 - каналы для выделения пиков поглощения воды; 1, 6, 9 - опорные каналы.
Инфракрасная спектроскопия является одним из основных методов анализа нефти и нефтепродуктов. Она имеет ряд преимуществ, поскольку при ее использовании для определения количественного состава природных смесей не происходит разрушение веществ, что не затрудняет их дальнейшее использование. В связи с этим актуальным является вопрос использования волоконно-оптических материалов в качестве световодов инфракрасного излучения. К перспективным материалам относится волоконно-оптический материал на основе галогенида серебра (Лисицкий И.С., Голованов В.Ф., Поляков Г.В. "Монокристаллы галогенидов серебра для волоконной оптики", "Поверхность. Рентгеновские, синхронные и нейтронные исследования", 2003, №7, с. 20-23). Однако в настоящее время он используется в основном в качестве одномодовых световодов для передачи излучения лазера в инфракрасной области спектра (http://jewishnews.com.ua). Исследования, проведенные авторами, позволили выявить перспективность использования волокна, выполненного из галогенида серебра, в предлагаемой конструкции инфракрасного влагомера. В связи с тем, что оптические волокна на основе галогенида серебра прозрачны в диапазоне сигналов от 2,0 мкм до 10,0 мкм, авторами было установлено, что наиболее интенсивный пик поглощения воды находится в области 3,0 мкм, а нефти - в области 3,4 мкм (см. фиг. 2). Полученные данные свидетельствуют о значительном увеличении чувствительности прибора, и как следствие, повышение точности полученных результатов. Необходимо отметить, что при использовании только кварцевых оптических волокон, прозрачных в области от 0,4 до 2,2 мкм, ближайший детектируемый пик поглощения воды находится в области 1,95 мкм, а нефти - в области 1,72 мкм. При этом интенсивность поглощения в указанном диапазоне значительно ниже, чем интенсивность поглощения при использовании волокон на основе галогенида серебра (в 15 и в 28 раз, соответственно). Кроме того, в случае использования волокон из галогенида серебра в области 5,0 мкм поглощение воды и нефти максимально близкое, что также способствует увеличению чувствительности прибора. В предлагаемой конструкции влагомера используют смешанный состав волоконно-оптической сборки: кварцевые волокна и волокна из галогенида серебра при их соотношении 1:1, что обеспечивает увеличение рабочего диапазона длин волн и, как следствие, суммарной детектируемой мощности излучения, что обеспечивает повышение чувствительности прибора. Использование в конструкции трех опорных каналов (1,00 мкм; 2,55 мкм; 5, мкм) обеспечивает увеличение надежности получаемых результатов.
Инфракрасный влагомер предлагаемой конструкции работает следующим образом. Источник инфракрасного излучения 1, соединенный с электрическим источником питания, генерирует непрерывный или импульсный сигнал с определенной (стабильной) мощностью в диапазоне длин волн от 0,5 мкм до 10 мкм. Параболический рефлектор 2, расположенный за источником инфракрасного излучения 1, направляет условно параллельный оптический сигнал в пробоотборник 3 через первую защитную сапфировую пластину 3.1 на образец водонефтяной смеси 11. В результате прохождения излучения через жидкость часть мощности оптического сигнала поглощается. На длинах волн, соответствующих характеристическим пикам воды и нефти, поглощение происходит наиболее интенсивно, в области с окнами прозрачности оптический сигнал поглощается меньше (см. фиг. 2). После взаимодействия с исследуемой средой измененный (ослабленный) оптический сигнал через вторую ответную защитную сапфировую пластину 3.2 пробоотборника 3 попадает на коллиматор 4. Коллиматор 4 собирает оптическое излучение и направляет его в волоконно-оптическую сборку 5, приемный конец 6 которой состоит из не менее 90 кварцевых волокон и волокон из галогенида серебра, взятых в соотношении 1:1. Выходной конец волоконно-оптической сборки 5 разделен на девять оптических каналов 7 с равным количеством оптических волокон обоих видов в каждом. Таким образом, мощность оптического излучения, поступившая в приемный конец 6 волоконно-оптической сборки 5, равномерно распределяется по выходным концам 8 оптических каналов 7. Каждый выходной конец 8 каждого из оптических каналов 7 смонтирован напротив одного из узкополосных оптических фильтров 9, каждый из которых выделяет мощность только одной длины волны: 1,45 мкм; 1,95 мкм; 3,00 мкм (пики поглощения воды); 1,72 мкм; 2,31 мкм; 3,41 мкм (пики поглощения нефти); 1,10 мкм; 2,55 мкм; 5,00 мкм (опорные каналы). За каждым оптическим фильтром 9 расположен фотоприемник 10, каждый из которых синхронно регистрирует мощность приходящего оптического излучения и преобразует ее в электрический сигнал, изображение которого после компьютерной обработки поступает на экран дисплея в виде спектра поглощения, который представляет собой график, по оси абсцисс которого откладывается длина волны, а по оси ординат - поглощение, то есть величина, равная отношению интенсивности прошедшего через поглощающее вещество и падающего на него излучения. При исследовании нефтепродуктов спектр изображается рядом максимумов и минимумов, при этом область спектра, в котором поглощение проходит через максимум и является полосой поглощения, характеризующей количество составляющей (воды или нефти) смеси. Одновременное использование девяти каналов в предлагаемой конструкции инфракрасного влагомера позволяет измерять концентрацию воды в нефти в диапазонах от 0,1 до 100,0% со следующими пределами абсолютной погрешности в зависимости от содержания газовой фазы:
Таким образом, предлагаемая конструкция инфракрасного влагомера позволяет повысить точность получаемых результатов за счет повышения его чувствительности.