Принцип построения системы активного контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов и газообразных продуктов на основе волоконно-оптических преобразователей

Бойков А.Ю., Зак Е.А. ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ АКТИВНОГО КОНТРОЛЯ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ СВЕТЛЫХ НЕФТЕПРОДУКТОВ И ГАЗООБРАЗНЫХ ПРОДУКТОВ НА ОСНОВЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Одним из важнейших показателей качества нефтепродукта является его влагосодержание. Наличие воды в нефтепродуктах приводит к большим экономическим и материальным потерям. Усложняется и удорожается транспортировка нефтепродуктов, ухудшаются эксплуатационные характеристики нефтепродукта. Вода, присутствующая в нефтепродуктах, особенно с растворенными в ней хлористыми солями, осложняет их переработку и вызывает коррозию элементов аппаратуры. Попадая в бензины и дизельное топливо, вода снижает их теплотворную способность, вызывает закупорку распыляющих форсунок двигателей. Растворенная в топливе вода при низких температурах вымерзает и выделяется в виде мелких кристаллов или хлопьев, которые могут забить фильтры, жиклеры и нарушить работу двигателей, что может послужить причиной аварии. Содержание воды в масле усиливает его склонность к окислению и ускоряет процесс коррозии металлических деталей, соприкасающихся с маслом.

Изначально все методы определения влагосодержания представляют собой лабораторные исследования в силу сложившейся практики и наличию нормативной базы на лабораторные исследования. Однако лабораторные исследования требуют отбора пробы, применения сложного дорогостоящего оборудования и зачастую довольно длительны. К тому же отобранная проба за время доставки в лабораторию и в процессе анализа изменяет свои свойства, в следствии изменения температурного режима, давления, контакта с атмосферой и т.д. При современном уровне развития производства нефтепродуктов, для управления производственным процессом часто оказывается недостаточным периодическое измерение параметров процесса. В таких случаях необходимо применять автоматические контрольно-измерительные устройства, которые работают либо непрерывно, либо с короткими интервалами времени и автоматически указывают или регистрируют значения измеряемой величины прямо на потоке нефтепродукта, т.е. осуществляют активный контроль. Автоматические поточные анализаторы влагосодержания, обрабатывающие данные от датчиков, позволяют получать непрерывную информацию об изменениях в ходе производственного процесса, которые демонстрируются или записывается, а в отдельных случаях сигнализируется достижение заранее заданной величины, что существенно облегчает управление производством.

Авторами предложена система активного контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов и газообразных продуктов на основе волоконно-оптических преобразователей. Данная система состоит из электронного интеллектуального модуля и многоканальной системы волоконно-оптических преобразователей.

Предложена ([1], [2]) структурная схема и обобщенная математическая модель волоконно-оптического

преобразователя (ВОП) влагосодержания светлых нефтепродуктов, а также проанализированы преимущества применения данного ВОП ( [3] ). ВОП состоит из двух световодов по одному торцу каждого световода

вмонтированы в стенки трубопровода или кюветы друг напротив друга

Принцип действия состоит в следующем: поток излучения от источника излучения попадает в передающий световод, из которого выходит в рабочее пространство (кювету или трубопровод) заполненное нефтепродуктом, где претерпевает апертурное расширение (см. рис. 1) и часть потока излучения попадает в приемный световод и далее принимается фотоприемником. Интенсивность принятого излучения связана с влагосодержанием нефтепродукта. Введение дополнительных измерительных каналов (ВОП) позволяет ликвидировать влияние неиформативных факторов (таких как мутность и т.д.) на результат измерения ([4]).

Рис. 1 Принцип действия ВОП

Интеллектуальный модуль строится на основе блочно-модульной архитектуры, что позволяет максимально оптимизировать такие системно-эксплуатационные характеристики, как наращиваемость, ремонтопригодность и адаптация к изменяемым условиям внешней технологической среды, а также к различным типам светлых нефтепродуктов и газообразных продуктов. Структурная схема анализатора влагосодержания приведена на рис. 2

Рис. 2 Структурная схема анализатора влагосодержания

Физически интеллектуальный модуль разбит на 4 функциональных блока: вычислительный блок, блок

питания, электронно-оптический блок и интерфейсный блок. Все блоки собираются в едином шасси и подключаются к одной объединительной плате. Таким образом достигается возможность «горячей замены» любого блока, а также увеличения числа измерительных каналов, путем установления дополнительных электронно-оптических блоков.

Вычислительный блок предназначен для обработки сигналов от электронно-оптического блока, определения влагосодержания, ведения статистики содержания влаги и обмена данными с АСУ предприятия. Центральным элементом интеллектуального модуля является унифицированный вычислительный блок. Основным элементом вычислительного блока является микроконтроллер, к которому предъявляются следующие основные требования:

1) производительность не менее 10MIPS

2) наличие интерфейса к внешней памяти данных

3) наличие интегрированного АЦП, с количеством измерительных каналов не менее 8-ми

4) наличие интегрированного UART и опционально USB

5) возможность внутрисхемного программирования

6) Наличие в системе команд арифметических операций, таких как умножение, деление, сложение, вычитание и др.

7) Наличие флэш памяти программ на кристалле

В паре с микроконтроллером работает ПЛИС (предпочтительно CPLD), которая выполняет функции расширителя портов, многоканального ШИМ-контроллера (для управления яркостью излучения светодиодов), ведущего устройства (master) в сети, построенной на интерфейсе 1Wire (для сбора данных от термодатчиков), формирователя интерфейса к различным микросхемам (например к микросхеме RTC, необходимой для ведения статистики) ЖКИ или клавиатуре. Таким образом ПЛИС освобождает микроконтроллер от постоянных рутинных действий при работе с периферийными устройствами и позволяет большее количество ресурсов использовать для обработки сигналов, полученных от электронно-оптического блока. Флэш-память данных, предназначена для хранения статистики содержания воды в нефтепродукте и подключается параллельно с ПЛИС к интерфейсу внешней памяти данных микроконтроллера.

Электронно-оптический блок предназначен для формирования волоконно-оптических измерительных каналов, мультиплексирования данных измерительных каналов и передачи этих данных вычислительному блоку, также вычислительному блоку передается информация с термодатчиков от каждого измерительного канала. Каждый волоконно-оптический преобразователь подключается к электронно-оптическому блоку при помощи 2-х разъемов, связанных оптическим компаундом с источником излучения и фотоприемником соответственно. В качестве источника излучения наиболее оптимально использование ИК светодиода, работающего в ближней ИК области, в одной из зон прозрачности оптоволокна. Интенсивность излучения каждого светодиода в отдельности регулируется ШИМ-контроллером, расположенным в вычислительном блоке. В качестве фотоприемника излучения возможно использовать фотодиод (или pin фотодиод) или фототранзистор, сигнал с которых необходимо усилить и пропустить через фильтр. Усиленный и отфильтрованный сигнал от каждого измерительного канала через электронный коммутатор поступает в вычислительный блок. К каждой паре светодиод/фотодиод в непосредственной близости устанавливается цифровой термодатчик фирмы Dallas Semicond. с интерфейсом 1Wire. Все термодатчики электронно-оптического блока соединены в одну сеть и подключаются к вычислительному блоку.

Интерфейсный блок предназначен для передачи данных в АСУ предприятия. Так как существует множество компаний занимающихся разработкой и внедрением АСУ, то и интерфейсы АСУ различаются, так как общего международного стандарта, определяющего интерфейс передачи данных в АСУ не существует. По этой причине не имеет смысла создавать какой-либо специальный интерфейс в вычислительном блоке. В зависимости от типа интерфейса АСУ создается специализированный интерфейсный блок и данный блок подключается к вычислительному блоку. Однако в самом вычислительном блоке присутствуют интерфейс RS232/485 и опционально USB для внутрисхемного программирования микроконтроллера и ПЛИС. Эти же интерфейсы возможно использовать для подключения к АСУ, тогда использование интерфейсного блока не требуется.

Блок питания предназначен для обеспечения стабилизированным питанием различных номиналов всех блоков интеллектуального модуля. Необходимость создания блока питания в виде отдельного модуля вызвана различными источниками питания доступными на предприятии, как-то 220В\50Гц, 200В\400Гц,

380В\400Гц, 27В и т.д. К тому же фильтрацию питания удобно производить в непосредственной близости от силовых элементов.

Дальнейшим направлением работы является моделирование системы волоконно-оптический канал - среда, реализация способов компенсации дестабилизирующих факторов (в частности возникновения помутнения среды) и натурные испытания во взрывоопасных средах.

ЛИТЕРАТУРА

1. А.Ю. Бойков «Некогерентный волоконно-оптический датчик влагосодержания жидких сред» Тезисы ежегодной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ (2005).

2. А. Ю. Бойков, Е.А. Зак «Структурная схема и модель некогерентного волоконно-оптического датчика влагосодержания светлых нефтепродуктов». Ежеквартальный научно-технический журнал «Сенсор» №4, 2005г. ISSN 1681-5017

3. А.Ю. Бойков, Е.А. Зак «Анализ возможности применения волоконно-оптических датчиков для сбора данных во взрывоопасных средах». Сборник трудов МНТК "Информационные технологии в науке, технике и образовании" том 3. ГАПИ и ГНИИ ИТТ "Информика" 2005

4. А. Ю. Бойков, Е.А. Зак «Разработка устройства определения влагосодержания светлых нефтепродуктов с избыточными измерительными каналами». Тезисы 7 международной научно-технической конференции «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации», 2005г., г. Курск;