УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ СВЕТЛЫХ НЕФТЕПРОДУКТОВ С ИЗБЫТОЧНЫМ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМ КАНАЛОМ

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для активного контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов на пунктах раздачи топлива и нефтеперерабатывающих предприятиях.
Известно устройство для измерения концентрации растворов жидкостей, содержащее источник излучения, световод, вмонтированный в стенки кюветы и приемное устройство. (прототип) (Бережинский Л.И., Валах М.Я., Лисица М.П. Волоконная оптика. Киев: Издательство «Техника», 1968 г., стр.186-195). Принцип действия известного устройства основывается на зависимости светопропускания световода, погружаемого в исследуемый светлый нефтепродукт, от показателя преломления исследуемого нефтепродукта.
Недостатком известного устройства являются отсутствие компенсации влияния мутности, изменения температуры, давления исследуемого нефтепродукта на результаты определения влагосодержания.
Технической задачей, на решение которой направлена предложенная полезная модель, является повышение точности измерения влагосодержания.
Поставленная техническая задача решается тем, устройство для определения влагосодержания светлых нефтепродуктов, содержащее световод, соединенный со стенкой трубопровода или кюветы со светлым нефтепродуктом, источник излучения, оптически связанный со световодом, приемное устройство, согласно предложенной полезной модели, устройство снабжено дополнительным приемным устройством, двумя аналого-цифровыми преобразователями, микроконтроллером, вторым световодом, характеризующимся смещенной передаточной функцией по отношению к первому световоду, причем каждый световод выполнен составным из оптически связанных передающей и приемной частей, диаметрально расположенных друг против друга и одним торцом закрепленных в стенках
трубопровода или кюветы со светлым нефтепродуктом, при этом передающая часть каждого световода оптически связана с источником излучения, а приемная часть каждого световода через соответствующее приемное устройство и соответствующий аналогово-цифровой преобразователь связаны с микроконтроллером.
Техническим результатом, достигаемым при реализации всей совокупности существенных признаков предложенного устройства, является повышение точности измерения влагосодержания за счет предложенного конструктивного выполнения световода и образования избыточного измерительного канала путем включения в конструкцию устройства дополнительного световода, приемного устройства, а также аналого-цифровых преобразователей и микроконтроллера.
Сущность полезной модели поясняется рисунком, где на фиг.1 представлена блок-схема устройства определения влагосодержания светлых нефтепродуктов с избыточным измерительным каналом.
Устройство (фиг.1) содержит волоконно-оптическую систему, включающую первый световод, выполненный составным из оптически связанных передающей части 1 и приемной части 3, второй световод, выполненный соответственно составным из оптически связанных передающей части 2 и приемной части 4, источник излучения 5, приемные устройства 6 и 7, аналого-цифровые преобразователи 8 и 9 и микроконтроллер 10.
Передающая часть 1 и приемная часть 3 первого световода расположены диаметрально друг против друга, при этом один торец каждой из частей 1 и 3 соответственно вмонтирован в стенки трубопровода или кюветы 11 со светлым нефтепродуктом. Передающая часть 2 и приемная часть 4 второго световода расположены диаметрально друг против друга, при этом один торец каждой из частей 2 и 4 соответственно также вмонтирован в стенки трубопровода или кюветы 11 со светлым нефтепродуктом.
Входы передающих частей 1 и 2 первого и второго световодов светооптически связаны с источником излучения 5. Выходы приемных частей 3 и 4 первого и второго световодов через соответствующие приемные устройства 6 и 7 и аналого-цифровые преобразователь 8 и
9 соединены с микроконтроллером 10.
2
В качестве каждого приемного устройства используется фотоприемник (фотоорезистор, фотодиод или фототранзистор) с плоской приемной гранью, серийно выпускаемый как отечественной так и зарубежной промышленностью (например фотоэлементы фирмы Vishay). Микроконтроллер 10 (любой серийно выпускаемый микроконтроллер с разрядностью 8 бит и более, в систему команд которого входят арифметические команды деления, умножения, сложения, вычитания, а также должна быть возможность подключения аналого-цифровых преобразователей - например 89-ое, 90-ое семейство микроконтроллеров фирмы Atmel, PIC микроконтроллеры фирмы Microchip) выполняет деление передаточной функции одного канала на передаточную функцию другого канала и вычисляет искомый коэффициент преломления, по которому определяется влагосодержание нефтепродукта. В качестве источника излучения 5 используется стандартный светодиод, с широкой поверхностью излучения (4 мм и более) серийно выпускаемый как отечественной так и зарубежной промышленностью (например светодиоды фирмы Vishay, Kingbright). В качестве аналого-цифровых преобразователей 8 и 9 используются серийно выпускаемые аналого-цифровые преобразователи разрядностью не менее 8 бит и частотой не менее 1 МГц.
Устройство работает следующим образом.
фп
В кювету или трубопровод 11 с вмонтированными попарно напротив друг друга и оптически связанными соответствующими частями 1 и 3, 2 и 4 первого и второго световодов подается исследуемый светлый нефтепродукт. Включается источник излучения 5. Излучение от источника излучения 5 проходит по передающим световодам в исследуемый нефтепродукт. Часть излучения, прошедшего через нефтепродукт, попадает в приемные части световодов и далее на детектор соответствующего приемного устройства 6 и 7. При этом светопропускание каждого канала характеризуется током фотоприемника I от множества параметров (передаточная функция), таких как показатель преломления нефтепродукта, характеристиками самого световода, источника и детектора излучения, а
также от погрешности измерения, вызванного влиянием мутности, изменением температуры, давления исследуемого нефтепродукта (Зак Е.А. Волоконно-оптические преобразователи с внешней модуляцией. М.: Энергоатомиздат, 1989, стр.8-9).
фп
Значение I может быть определено по формуле:
где
ис
Р - мощность потока излучения;
д
К - величина характеризующая диаграмму направленности потока излучения и ее сопряжение с волоконно-оптическим жгутом заданной толщины;
М(λ) - спектральная характеристика оптоволоконного жгута, источника излучения и фотоприемника, характеризующая согласование частотных спектров источника излучения, оптоволокна и приемника излучения;
ис
К - коэффициент передачи волокнно-оптического тракта от источника излучения до нефтепродукта;
сф
К - коэффициент передачи волокнно-оптического тракта от нефтепродукта до фотоприемника;
фп
S - интегральная чувствительность фотоприемника;
T(n(t,p,λ)X1...Xn) - функция пропускания, зависящая от ряда внешних факторов, среди которых мутность и коэффициент преломления светлого нефтепродукта, зависящий в свою очередь от температуры, давления среды и частотного спектра источника света 3.
д
ис
сф
фп
Параметры К, М(λ), К, К, S являются постоянными величинами при данных внешних воздействиях и передаточная функция может оцениваться по поведению функции пропускания Т.
д
ис
сф
Передаточные функции каналов различаются вследствии применения световодов с различными характеристиками (изменяются коэффициенты К, К, К и функция Т), притом, что влияние мутности, изменения температуры и давления нефтепродукта на каждый канал одинаково. Характеристиками световода, которыми можно варьировать
являются: диаметр сердцевины оптоволокна, апертура, материал сердцевины и оболочки, толщина и форма жгута волокон и т.д. (Г.Элион, X.Элион Волоконная оптика в системах связи. Издательство «Мир», 1980, стр.30-31)
Принятое детекторами приемных устройств 6 и 7 излучение преобразуется в напряжение постоянного тока, которое в свою очередь переводится соответствующими аналогово-цифровыми преобразователями 8 и 9 в цифровой эквивалент. Микроконтроллер 10, предварительно откалиброванный под данный тип светлого нефтепродукта, осуществляет деление передаточной функции одного канала на передаточную функцию другого канала, ликвидируя влияние указанной погрешности измерения (обозначим общую погрешность через коэффициент К).
По вычисленной величине М микроконтроллер 10 вычисляет искомый коэффициент преломления (выбирая из памяти микроконтроллера значение коэффициента преломления для данного значения М), а по нему и влагосодержание нефтепродукта. Коэффициент преломления нефтепродукта связан с концентрацией воды следующей формулой (М.Ф.Вукс «Электрические и оптические свойства молекул и конденсированных сред» Л: Изд-во Ленинградского ун-та 1984 г., стр.98-99)
A
где, n - коэффициент преломления жидкой среды, а - поляризуемость молекул каждого из элементов смеси, Х - концентрация каждого элемента смеси, V - объем, N - число Авогадро.
Также микроконтроллер 10 может влиять на источник излучения 5 с целью ликвидации влияния температурного дрейфа источника излучения. Калибровка микроконтроллера 10 под данный тип нефтепродукта и диаметр трубопровода (длину кюветы) производится однократно в процессе монтажа системы.