УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ СВЕТЛЫХ НЕФТЕПРОДУКТОВ

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 невозможность определения влагосодержания нефтепродукта в случае, если вода находится в состоянии отличном от мелкодисперсной эмульсиипель, т.е. вода находится в нефтепродукте в виде капель.
Технической задачей, на решение которой направлена предложенная полезная модель, является возможность определения влагосодержания нефтепродукта без ограничений на размер частиц водной эмульсии.
Поставленная техническая задача решается тем, что 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, снабжено микроконтроллером и соединенным с ним аналого-цифровым преобразователем, а световод выполнен составным из 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 световода оптически связана с источником излучения, а приемная часть световода через приемное устройство и
аналогово-цифровой преобразователь соединена с микроконтроллером.
Предложенная конструкция устройства обеспечивает возможность определения влагосодержания нефтепродукта без ограничений на размер частиц водной эмульсии.
Сущность полезной модели поясняется рисунком, где на фиг.1 представлена блок-схема устройства определения влагосодержания светлых нефтепродуктов.
Устройство (фиг.1) включает световод, выполненный составным из оптически связанных передающей части 1 и приемной части 2, источник излучения 3, приемное устройство 4, аналого-цифровой преобразователь 5 и микроконтроллер 6.
Передающая часть 1 и приемная часть 2 световода расположены диаметрально друг против друга, при этом один торец каждой из частей 1 и 2 соответственно вмонтирован в стенки трубопровода или кюветы 7 со светлым нефтепродуктом. Вход передающей часть 1 оптически связан с источником излучения 3. Выход приемной части световода 2 через соответственное приемное устройство 4 и аналого-цифровой преобразователь 5 соединен с микроконтроллером 6.
2
В качестве приемного устройства 4 используется фотоприемник (фотоорезистор, фотодиод или фототранзистор) с плоской приемной гранью, серийно выпускаемый как отечественной так и зарубежной промышленностью (например фотоэлементы фирмы Vishay). Микроконтроллер 6 (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 3 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-цифрового преобразователя 5 используется серийно выпускаемый аналого-цифровой преобразователь разрядностью не менее 8 бит и частотой не менее 1 МГц.
Устройство работает следующим образом.
В кювету или трубопровод 7 с вмонтированными диаметрально друг против друга частями 1 и 2 световода подается исследуемый светлый нефтепродукт. Включается источник излучения 3. Излучение от источника излучения 3 проходит по передающей части 1 световода в исследуемый светлый нефтепродукт.
С оптической точки зрения каждая капля воды представляет собой сферическую микролинзу (фиг.2). Вследствие большой разницы между коэффициентами преломления воды и нефтепродукта происходит значительное преломление потока излучения, попавшего на каплю воды. Угол, на который отклонится поток излучения, зависит не только от коэффициентов преломления воды и нефтепродукта, но и от диаметра капли, ее местонахождения относительно световода и т.д. Таким образом, интенсивность излучения в телесном угле, в который вписан шар (капля воды), резко снижается из-за преломления, и наоборот интенсивность излучения увеличивается в телесном угле образованном преломленным излучением. В остальной области апертурного расширения интенсивность излучения не меняется
фп
Часть излучения, прошедшая через светлый нефтепродукт и преломленная каплей воды, попадает в приемную часть 1 световода и далее в приемное устройство 4. Опытным путем доказано наличие реакции приемника излучения на каплю воды, проходящую между световодами. При этом светопропускание измерительного канала приемного устройства 4 характеризуется током фотоприемника I от множества параметров (передаточная функция), таких как показатель преломления светлого 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:
фп
ис
д
ис
сф
фп
I=Р*К*М(λ)*К*Т(n(t,р,λ),Х1...Хn)*К*S, 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.
Принятое приемным устройством 4 излучение преобразуется в напряжение постоянного тока, которое в свою очередь переводится аналогово-цифровым преобразователем 5 в цифровой эквивалент. Микроконтроллер 6, предварительно откалиброванный под данный тип нефтепродукта и диаметр трубопровода, определяет концентрацию воды, в случае если известна скорость движения потока нефтепродукта. Также микроконтроллер 6 может влиять на источник излучения 3 с целью ликвидации влияния температурного дрейфа источника излучения 3. Калибровка микроконтроллера 6 под данный тип нефтепродукта и диаметр трубопровода 7 (длину кюветы) производится однократно в процессе монтажа системы.