автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Разработка метода и алгоритма функционирования интеллектуального устройства контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов на основе некогерентных волоконно-оптических преобразователей

а правах рукописи

иизиБЭ741

БОЙКОВ Александр Юрьевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДА И АЛГОРИТМА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ СВЕТЛЫХ НЕФТЕПРОДУКТОВ НА ОСНОВЕ НЕКОГЕРЕНТНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Специальность 05.13.05 — Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2007

003069741

Работа выполнена на кафедре Электронно - вычислительной аппаратуры Московского государственного института электроники и математики (технического университета)

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Зак Евгений Аронович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Гетманов Виктор Григорьевич

кандидат технических наук, доцент Туманов Михаил Петрович

Ведущее предприятие Российский государственный

технологический университет им К Э Циолковского

Защита состоится «_22_» мая 2007 г в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212 133 03 при Московском государственном институте электроники и математики по адресу 109028, г Москва, Б Трехсвятительский пер , д 1-3/12 стр 8

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московскою государственного института электроники и математики

Автореферат разослан «2О » а^ье^их 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета к-1 техн наук, доцент

Ю Л Леохин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из важнейших показателей качества светлых нефтепродуктов, в частности, бензина является его влагосодержание, определяющее его стоимость и эксплуатационные свойства. Под светлыми нефтепродуктами понимаются жидкая продукция нефтегазовой отрасли, прозрачная для оптического излучения, например, бензин, керосин, дизельное топливо В работе описан метод определения влагосодержания светлых нефтепродуктов на примере бензина

В процессе переработки, транспортировки и хранения светлых нефтепродуктов в их состав неизбежно попадают нежелательные примеси и включения, к которым относится вода Эю может быть обусловлено как спецификой технологических процессов, так и может носить случайный или преднамеренный характер В ходе транспортировки и хранения неизбежно происходит конденсация паров воды в надтопливном пространстве баков и резервуаров, в поплавковой камере карбюратора и других элементах системы питания двигателя

Наличие воды в светлых нефтепродуктах ухудшает их эксплуатационные свойства и неизбежно приводит к экономическим потерям Попадая в бензин, вода снижает его тептотворную способность, вызывает закупорку распыляющих форсунок двигателей, затрудняет запуск двигателей Вода, содержащаяся в бензине, при низких температурах вымерзает и выделяется в виде мелких кристаллов или хлопьев, которые засоряют фильтры, жиклеры и нарушают работу двигателей, что может послужить причиной аварии Вода в бензине ускоряет процесс коррозии металлических деталей системы питания двигателей

Определение влагосодержания светлых нефтепродуктов, в частности бензина, требуется для оценки их качества, для расчета необходимого количества химического реагента, связывающего воду, а также при создании водоэмульсионного топлива

По существующим ГОСТ в светлых нефтепродуктах не допускается наличие воды Следами воды считается концентрация менее 0,006% или бОмг/л Поэтому целесообразно применять пороговые устройства, сигнализирующие о превышении концентрации воды сверх допустимого уровня 0,006%

Существует ряд методов и устройств для определения влагосодержания светлых нефтепродуктов Все методы предусматривают определение влагосодержания в лабораторных условиях в силу сложившейся практики и наличия нормативной базы па лабораторные исследования Однако лабораторные исследования требуют отбора пробы, применения сложного дорогостоящего оборудования, средств взрывозащиты и зачастую довольно длительны К тому же отобранная проба за время доставки в лабораторию и в процессе аиализа изменяет свои свойства, вследствие изменения температурного режима, давления, контакта с атмосферой, не говоря уже о злонамеренных действиях человека Поэтому целесообразно применять оперативные контрольно-измерительные устройства, позволяющие проводить измерения в непосредственной близости от места отбора пробы или работать непосредственно на потоке светлого нефтепродукта. При эгом остро встает вопрос искро-взрывобезопасносги В на-

стоящее время контроль влагосодержания на топливораздаточных станциях либо вовсе отсутствует, либо производится отбор пробы с се последующей доставкой в лабораторию для анализа

В существующей литературе не описаны оперативные анализаторы влагосодержания светлых нефтепродуктов, обладающие малой стоимостью простотой конструкции и удовлетворяющие требованиям искро-взрывобезопасности Поэтому разработка искро-взрывобезопасных устройств оперативного контроля влагосодержания является актуальной задачей

Целыо данной работы является разработка метода и алгоритма функционирования интеллектуального устройства контроля вла1 осодержания светлых нефтепродуктов, отличающегося низкой стоимостью, простотой конструкции а также удовлетворяющего требованиям искро-взрывобезопасности

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1 Провести анализ существующих методов и средств контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов

2 Разработать метод определения влагосодержания светлых нефтепродуктов на основе волоконно-оптического преобразователя

3 Разработать математическую модель волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов и осуществить моделирование сигнала преобразователя в зависимости от его конструктивных характеристик и свойств светлого нефтепродукта

4 Разработать алгоритм функционирования интеллектуального модуля обработки данных, полученных от волоконно-оптического преобразователя

5 Разработать экспериментальный стенд волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов, провести экспериментальное исследование и сравнить результаты моделирования и экспериментально! о исследования

6 Разработать метод компенсации влияния неинформативных факторов, в частности, загрязнения торцов световодов при контроле влагосодержания

7 Разработать рекомендации по проектированию конструкции волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов

8 Разработать структурную и принципиальную схемы прототипа интеллектуального модуля обработки данных, полученных от волоконно-оптического преобразователя

Методы исследований. При решении поставленных задач использована теория волоконной и геометрической оптики, теория рассеяния излучения дисперсными средами, теоретическая фотометрия, теория измерений, теория погрешностей

Кроме тою, для исследования волоконно-оптического преобразователя использовалось математическое моделирование с использованием специально разработанной программы Основные теоретические положения подтверждены результатами экспериментального исследования

Научная новизна результатов работы

1 Предложен метод определения влагосодержания на основе чередами и приема иекогеронтного излучения сквозь светлый нефтепродукт Дчя реализации данного метода предложено использовать некогерентные волоконно-оптические преобразователи

2 Разработана математическая модель волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов, позволяющая сформулировать рекомендации по выбору конструктивных параметров преобразователя

3 Разработан алгоритм функционирования интеллектуального устройства контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов

4 Получены результаты экспериментального исследования волоконно-оптического преобразователя контроля BJiai осодержания, доказывающие его работоспособность и адекватность разработанной магематческой модели

5 Предложен метод компенсации влияния неинформативных факторов при контроле влагосодержания

Практическую значимость имеют

1 Разработанный волоконно-оптический преобразователь контроля влагосодержания, обеспечивающий оперативное определение влагосодержания и обладающий простотой конструкции и высокой искро-взрывобезопасностью

2 Требования и рекомендации по разработке конструкции и принципиальных схем интеллектуального модуля обработки данных

3 Методика эксплуатации предложенного устройства

4 Технические требования к поточному устройству контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов

Внедрение. Работа получила заключение о полезности от департамента развития малого предпринимательства г Москвы и от предприятий нефтеперерабатывающей отрасли

Апробация работы. Основные вопросы диссертации докладывались и обсуждались на XVI НТК с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления», Судак, 2004, МНТК "Информационные технологии в науке, технике и образовании", Москва, 2005, 7-ой МНТК «Оптико-электропные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации», 2005, Курск, ежегодной НТК студентов аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, Москва, 2005-2007, 9-ой IIK МГТУ «СТАПКИН» и «Учебно-научного центра математического моделирования МГТУ «СТАПКИН» - ИММ РАН» по математическому моделированию и информатике, Москва, 2006, ежегодной международной конференции молодых ученых, студентов и специалистов «Инновационные технологии в проектировании», Пенза, 2006

На защиту выносятся.

1 Сгруктура некогерентного волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов

2 Математическая модель предложенного преобразователя

3 Основные результаты моделирования

4 Структура и алгоритм функционирования интеллектуального устройства контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав основною текста, заключения, списка литературы из 104 наименовании, шести приложений Общий объем 167 страниц В работе имеются 39 иллюстраций и 3 таблицы

Публикации. Основные положения, выводы и практические результаты изложены в 11 печатных работах, в том числе I статья, 8 тезисов докладов На оригинальные технические решения получено 2 патента на полезную модель (опубликованы в официальном бюллетене «Изобретения Полезные модели», рекомендованном ВАК)

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выполненной научной работы, охарактеризовано состояние дел в этой области, сформулированы цель и задачи исследования, приведены научные резулыаты, выносимые на защиту, указана их научная новизна и практическая ценность

В первой главе проведена систематизация информации, касающейся существующих методов определения влагосодержания светлых нефтепродуктов Предложена классификация данных методов согласно принципу действия, по оперативности получения данных о влагосодержании, по степени автоматизации определения влагосодержания Наибольшей пригодностью и перспективностью применения в устройствах поточного и оперативного контроля влагосодержания обладают методы, основанные на различных зондирующих излучениях, в первую очередь, оптических, радиоволновых и акустических Наиболее приемлемыми преобразователями с точки зрения соотношения «стоимость/качество измерений» являются фотометрические методы

Предложен метод определения влагосодержания на основе передачи и приема пекотерентного излучения сквозь светлый нефтепродукт Предложено использовать волоконно-оптические преобразователи для построения анализатора влаюсодержания Одним из важнейших требований, предъявляемых к этим устройствам, является искро-взрывобезопасность Волоконно-оптические преобразователи (ВОП) фактически не способны генерировать электрическую дугу, искры, которые могут вызвать взрыв опасной смеси нефтепродукта (паров нефтепродукта) и воздуха как во время нормального функционирования, так и при аварийных ситуациях Используя ВОП, в большинстве случаев удается вынести все электрооборудование и линии передачи данных во взрывобезопасную зону Кроме того, ВОП имеет устойчивость к электромагнитным помехам Помимо этого, диэлектрические материалы, в частности кварц, обладают повышенной коррозийной стойкостью по сравнению с большинством металлов

Рассмотрены принципы построения волоконно-оптических преобразователей и предложена структура волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов

Предложенный ВОГ1 состоит из двух волоконно-оптических световодов, закрепленных в стенках почого непрозрачного металлического сосуда, источника излучения, оптически связанного с одним из световодов (передающий световод), и фотоприемника, оптически связанного с другим световодом (приемный световод) Оптическое волокно внутри сосуда имеет разрыв (рабочее пространство), и модуляция излучения осуществляется в рабочем пространстве преобразователя вне оптическою волокна Практически пригодными для использования в условиях накопления осаждений на торцах световодов являются источники с красным и инфракрасным излучением Причем слой осаждений является наиболее прозрачным в ближней ИК-области с длиной волны порядка 900нМ

Принцип действия предложенного ВОП состоит в следующем (рис 1) поток излучения от источника излучения попадает в передающий световод, из которого выходит в рабочее пространство (сосуд), заполненное светлым нефтепродуктом, где претерпевает апертур!юс расширение, и часть потока излучения попадает в приемный световод и принимается фотоприемником

Приемный световод ^ |

■ \ ■ ■,

Кзппяеодь» ^ , \ !

С - И1/ / Осетии \ I / /

\ 1,' I * ' ' /

/

Передающий^ | световод ' „'>

Рисунок 1 - Распространение излечения в рабочем пространстве Вода и нефтепродукт являются слабо смешиваемыми жидкостями При перемешивании нефтепродукта и воды (в потоке нефтепродукта, при тряске емкости с нефтепродуктом), образуется эмульсия, каждая капля воды эмульсии по форме представляет собой шар

С оптической точки зрения каждая капля представляет собой сферическую микролинзу, и вследствие большой разницы между коэффициентами преломления воды и нефтепродукта происходит значительное преломление потока излучения, попавшею на каплю воды Таким образом, интенсивность излучения в телесном углу, в который вписан шар (капля воды), резко снижается из-за преломления (рис 1 - зона 1) и наоборот, интенсивность излучения увеличивается в телесном углу, образованном преломленным излучением (рис 1—зона 2)

Так как возможно многократное преломление на каплях воды, то для недопущения появления интерференционной каргины на торце приемного световода, а также для снижения требований по точности установки световодов необходимо использовать некогерептное излучение При наличии одной или нескольких капель воды в области анертурного расширения изменяется суммарный поток излучения, попадающим в приемный световод По величине потока излучения, попавшего в приемный световод и зафиксированного фотоприемником, возможно определить уровень влагосодержания При уменьшении капель до ЮмкМ и ниже образуется мелкодисперсная эмульсия и светлый нефтепродукт становится полностью мутным При уменьшении капель до 0,1мкМ и ниже, образуется коллоидная смесь, и светлый нефтепродукт обнаруживает оптические свойства истинных растворов В зависимости от концентрации воды изменяется показатель преломления колчоидной смеси и, следовательно, изменяется угол анертурного расширения потока излучения

Таким образом, на основе предложенного волоконно-оптического преобразователя возможно создание ие только оперативного, но и поточного устройства контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов, при учете различных явлений течения светлого нефтепродукта по трубе

Во второй главе построена математическая модель ВОП контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов Математическую основу ВОП составляет модель функции преобразования, которая может быть представлена зависимостью тока фотоприемника 1ФП от множества параметров внешних факторов Ток фотоприемника определяется по следующей формуле

1*в=Вг»Фг, (1) где 8ФП - интегральная чувствительность фотоприемника, Фг - по го к излучения, попадающий на фотоприемник

Рассмотрим оптическую систему ВОП с точки зрения распространения потока излучения (рис 2) Весь оптический тракт ВОП можно разделить на 5 участков

рабочее 2 пространство

4

Фотоприемник

передающим световод

Ф,

Рисунок 2 - Оптический тракт ВОП контроля вчагоеодержания 01 - полный поток излучения, формируемый источником излучения, Фс — поток излучения, попадающим в передающий световод, Ф0 - поток излучения, выходящий из передающего световода в рабочее пространство, Ф7 - поток излучения, прошедший рабочее пространство и попадающий в приемный свето-

8

вод, Фр - поток излучения, выходящий из приемного световода, Ф/. - поток излучения, попадающий на фотоприемник

Преобразуем формулу (1) следующим образом

/ =Ф =Ф *k*k*k*k*k,*SF, где

® L 0L Фс Ф0 Фт Фр F ¿12 3 4 5?

i, = Фс — коэффициент ввода излучения,

кг =Ф0/ФС - коэффициент светопропускания передающего световода,

= 'Г = Фт /Ф„ - функция пропускания, зависящая от множества внешних факторов (влагосодержание, температура, показатель преломления нефтепродукта и пр) и внутренних факторов (геометрические и оптические параметры световодов, спектральная характеристика источника излучения), kt = Фр /Фт - коэффициент светопропускания приемного световода, ks = Фр /Фр - коэффициент приема излучения

Параметры ки к2 к4 к5, SF являются постоянными величинами при неизменных внешних воздействиях, поэтому можно устранить их влияние путем первоначальной калибровки Так как Ф1 *kl*k2*k)*k5*SF = const, то функция преобразования может оцениваться по поведению функции пропускания Т

Рассмотрены элементы ВОП источники излучения, световоды, фотопри-емникп Проанализированы их достоинства и недостатки с точки зрения применимости в предложенном ВОП контроля влагосодержания

Обоснован выбор светодиодов (СИД) в качестве источников некогерентного излучения и указаны их основные характеристики Произведен расчет потока излучения, формируемого светодиодом Фь и потока излучения, введенного в передающий световод Фс

л + 1 nL SL и+1

где /0— интенсивность излучения в направлении нормали, п — показатель степени в угловой зависимости, 5> - площадь излучающей поверхности, к, — коэффициент упаковки волокон жгута, вкр- предельный угол ввода излучения в световод, и£ — показатель преломления материала СИД, п0,— показатель преломления окружающей среды, Id — константа, зависящая от тока накачки СИД

Обоснован выбор в качестве световодов ВОП цилиндрических стеклянных многомодовых оптоволоконных жгутов в защитной оболочке Произведен расчет потока излучения на выходе передающего световода Ф0

SL J0 cosy'

Объемные потери, вызванные поглощением, характеризуются величиной exp(-AX/cos<?'), /,(0')1г(0) - потери гга отражение Френеля от обоих торцов световода, /У1"1 - потери при многократном отражении излучения внутри световода,

Р(0Г) - угловое распределение интенсивности излучения СИД, А - коэффициент нормировки, рассогласование между излучающей поверхностью свето-

диода и торцом передающего световода Бе

Диаграмма направленности излучения передающего световода /(#,)

где I—свето! гропускание торца передающего световода.

Поток излучения попавший в приемный световод, равен

Фр = ЪгФТ *к ¡ф)*ф)*^М::^-)*Рпт*<1в * ахО'

Обоснован выбор фотодиодов в качестве приемников излучения и указаны их основные характеристики

5с пс

где С — среднее усиление, 2 — квантовая эффективность, Лд — номинальная длина волны источника излучения (СИД), /г — постоянная Планка, ФР — поток излучения, падающий на фотоприемник, /„ — темновой ток, 8Г - площадь фотоприемной поверхности

Проанализированы оптические свойства светлого нефтепродукта с точки зрения дисперсной системы

Для коллоидной смеси существует зависимость показателя преломления п от концентрации воды

=-л*Ыа*(С*а, + (1-С)*аг), п2+ 2 3 \ I У ' г»

где а/ и а2 - поляризуемость молекуч воды и светлого нефтепродукта, V- объем смеси, Иа - число Авогадро, С - концентрации воды,

Поток излучения, прошедший через коллоидную смесь и попавший на торец приемного световода, равен

5,5, К

где Я — расстояние между торцами световодов, и - площади торцов передающего и приемного световодов, £0 - яркость в направлении нормали

Для мелкодисперсной эмульсии прошедшее через среду излучение связано с концентрацией воды выражением / = /0 * е''сч ,

где 10 I - интенсивности падающего потока и прошедшего через слой среды соответственно, с - удельная экстинкция — параметр, показывающий ослабление света на единичной толщине зондируемого слоя, Ь - толщина зондируемого слоя

Поток излучения, прошедший через эмульсию, равен

5; 5, "

Грубодисперсную эмульсию можно представить как систему сферических микротинз Поток излучения, преломленный на одной капле воды, равен р}*ФЗ+рг*Ф2+ р*Ф\ = Фт,

где Р1, р2, р3 - доля (в %) от потока излучения зоны 1, 2 и 3 (рис 1) соответственно, приходящаяся на торец приемного световода, Ф1, Ф2, ФЗ — поток излучения в зонах 1, 2, 3 соответственно

Таким образом, предложена математическая модель ВОП контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов, позволяющая сформулировать рекомендации по выбору конструктивных параметров преобразователя, характеристик источника излучения и фотоприемника

В третьей главе производится моделирование предложенного ВОП, исходя из функций преобразования, полученных во второй главе При моделировании была определена зависимость потока излучения, попадающего в фотоприемник, в зависимости от следующих факторов

- концентрация С воды в светлом нефтепродукте,

- расстояние Н между торцами приемного и передающего световодов,

- площадь Б торца приемкою световода

При моделировании были заданы следующие параметры торцы световодов находятся на одной оси друг напротив друга Светлый нефтепродукт - бензин, показатель преломления 1,384 Вода - показатель преломления 1,206

—

3

Рисунок 3 - Зависимость потока излучения на фотоприемнике от концентрации воды в коллоидной смеси (слева) и эмульсии(справа) Расстояние между световодами 1-10мм, 2-30мм, 3—50 мм

По результатам моделирования сделаны следующие выводы 1) Оценка диапазона измерений для коллоидной смеси составляет 0,005-100%, для эмульсии 0,0005% - 0.1%

2) Следует применять малые размеры сосудов. При увеличении расстояния между торцами световодов снижается поток излучения, попадающий в фотоприемник, снижается верхняя граница диапазона измерений (для эмульсии) и чувствительно сть.

3) увеличение площади торца приемного световода приводит к увеличению потока излучения, попадающего в фотоприем ник, и в конечном счете к увеличению чувствительности. Однако необходимо учитывать увеличение стоимости световода при увеличения площади сечения.

Для проверки адекватности математической .модели был разработан экспериментальный стенд, программа и методика экспериментального исследования. Экспериментальный стенд состоит из оптического блока, электронного блока и осциллоскопа, построенного на базе персонального компьютера типа ТВМ РС.

Оптический блок (рис, 4) представляет собой макет волоконно-оптического преобразователя контроля илаго соде ржания светлых нефтепродуктов: алюминиевый сосуд I, диаметром 8см и объемом 351 см', с плотно закрывающейся крышкой 2. В боковых сгенках сосуда I по диаметру герметично вмонтированы две алюминиевые трубки 4 и 5 одна из которых (5) может перемещаться в горизонтальной плоскости относительно дна цилиндра сооснс неподвижной грубке 4, С помощью герметика в трубки вклеены оптоволоконные жгуты световодов 6 и 7 (площадь торца 7 мм ), Свободные концы жгутов световодов вклеены б трубки 8 и 9. предназначенные для стыковки с фотоприемником и СИД электронного блока. Крышка 2 имеет отверстие, в которое вмонтирован патрубок 3 для введения жидкости а сосуд 1.

Рисунок 4 - Эскиз и фото экспериментального стенда волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов

В оптический блок были последовательно введены коллоидные смеси и эмульсии с различным дозированным содержанием воды.

10 20 30 40 50 fiO 70 00 90 100 Щ. "о 0 02 0,04 <106 0 08 0,1 <S>

Рисунок 5 - Зависимость напряжения фотоприемника электронного блока от концентрации воды в коллоидной смеси (слева) и эмульсии (справа) Расстояние между торцами световодов 1 - 30 мм, 2-50 мм Проведенные экспериментальные исследования достаточны для проверки адекватности разработанной модели ВОП Адекватность модели подтвердилась при сравнении результатов моделирования и экспериментального исследования

Проанализированы источники погрешности предложенного ВОП Рассмотрено влияние погрешности каждого элемента волоконно-оптического тракта ВОП на общую погрешность Приращение тока фотоприемника, вызванное приращениями А0L, &Sr!,n &k¡, ЛА,, ДГ, М,, М, при неизменном уровне влагосодержания С, представляет собой погрешность

ф" дФL L дк, ' дк2 г ат дк4 4 дк5 ' dSF F

IIoi решность, вызванная приращением функции пропускания Т, является методической погрешностью

А_ ат А эт, ат „ ат А ат А ат А

А Т = —AXj-í--Дх2н--Ах3+—Дх,н--Ддг5+ +•—Дх„,

3xi дх2 ñc3 S*4 8хп

где хi - загрязнение торцов световодов, х2 - мутность, х3 - давление/плотность, .г.* - 'i емпература, x¡ - дисперсность частиц

В четвертой главе разрабатывается прототип анализатора влагосодержания светлых нефтепродуктов Рассмотрены основные пути повышения эффективности системы контроля влагосодержания, построенной на основе предложенного ВОП Предложен способ компенсации влияния неинформативных факторов (в частности, загрязнения торцов световодов) путем введения избыточных измерительных каналов При этом функции преобразования избыточных измерительных каналов должны различаться Основные характеристики ВОП, изменение которых приводит к изменению функции преобразования

- расстояние между торцами приемного и передающего световодов,

- взаимное расположение световодов,

- площадь торцов световодов,

- апертура световодов

- частота излучения источника

Приведена методика расчета расстояний между торцами приемного и передающего световодов Концентрация воды в эмульсии при двух измерительных каналах определяется из соотношения

С_ "2 "01

Ц-Ь, '

где ¿1V [<2 - расстояние между торцами световодов, О/ и и2- выходные сигналы фотоприемников, и01 и - выходной сигнал, соответствующий нулевой концентрации воды

Концентрация воды в коллоидной смеси определяется из соотношения-

с_и1*иа-и1*ит

иг*а,-и*а2 '

где а/ и а, — коэффициенты, характеризующие чувствительность ВОП.

Добиться независимости результатов от дисперсности частиц воды возможно, если ввести дополнительные измерительные каналы, расположенные под различными углами к базовому измерительному каналу

Дополнительные каналы попарно работают вместе с базовым При этом достигается независимость от степени загрязненности торцов передающих (т1, т3) и приемных световодов (т:, т^)

где ии9,иБв- напряжения фотоприемников базового и измерительного каналов, принимающих рассеянное излучение под углом в, Vип,Vкп- напряжения фотоприемников базового и измерительного каналов, принимающих прошедшее излучение По величине Х(О) различных комбинаций пар каналов можно сделать вывод о среднем размере частиц воды

Предложен способ компенсации временной и температурной нестабильности характеристик СИД и фотоприемников, путем введения контрольного фотодиода в каждый измерительный канал

Сформулированы рекомендации для проектирования конструкции предложенного ВОП

Устройство оперативного контроля (анализатор) влагосодержания светлых нефтепродуктов состоит из предложенного ВОП и интеллектуального модуля обработки данных (ИМ)

Предложена структурная схема устройства контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов с компенсацией влияния не информативных факторов, путем введения избыточных измерительных каналов (рис 6)

Рисунок б - Структурная схем а устройства контроля в лагос одержан ля светлых нефтепродуктов. Устройство контроля влагосодержания состоит из волоконно-оптической системы, содержащей 2 или более BÛ17 контроля светлых нефтепродуктов, с различными функциями преобразования, АЦП с количеством каналов, равным количеству ВОН, микроконтроллера, производящего сбор данных, необходимые вычисления и осуществляющего управление всеми узлами устройства, интерфейсного блока, формирующего интерфейсы для связи с АСУ, системой сбора данных или оператором и РПЗУ для хранения грапуировочных данных ДЛЯ данного типа светлого нефтепродукта. Техническая новизна данного решения подтверждена двумя патентами на полезную модель.

Разработан алгоритм функционирования интеллектуалы)ого модуля обработки данных. В функции интеллектуального модуля обработки данных входят:

- статистическая обработка данных: осреднение значений множества измерений, вычисление дисперсии, отбраковка промахов;

- отслеживание и прогнозирование состояния измерительных каналов;

- адаптивная настройка измерительных каналов в соответствии с изменяющимися внешними условиями;

- автоматическая компенсация температурной нестабильности характеристик элементов ВОП;

- автоматический выбор методики определения влагосолсржания в соответствии с состоянием смеси (эмульсия, коллоидная смесь),

- сбор, хранение и передача уровня влагосоде ржания в систему сбора данных:

- контроль влагосодержания другого типа светлого нефтепродукта без изменения ЕЮП, после соответствующей градуировки На рис 7 приведен алгоритм режима обработки данных ИМ Однако ИМ может работать еще в четырех режимах

1) инициализация интеллектуального модуля обработки данных

2) режим обмена данными

3) режим программирования

4) режим настройки

данных

Создать соответствующее сообщение и исключить из обработки каналы признанные

1 Да

Установка

излучения

Рисунок 7 - Алгоритм получения и обработки данных от ВОП шпеллектуаль-

ным модулем

Сформулированы технические требования к оперативному и поточному устройству контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов, исходя из требований ГОСТ и технических характеристик оборудования подобного класса

Принято решение построить ИМ на блочно-модульной архитектуре Достоинствами данной архитектуры являются расширяемость, гибкость, простота ремонта и модернизации

На основе разработанного алгоритма сформулированы технические требования к интеллектуальному модулю обработки, разработаны его этектриче-ская функциональная и принципиальная схемы, выбрана элементная база, сформулированы рекомендации и требования для проектирования печатного узла и конструкции модуля

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной рабо гы

1 Проведен анализ и создана классификация методов определения влаго-содерясания светлых нефтепродуктов Показана целесообразность использования оперативных и поточных устройств контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов Показана перспективность применения в устройствах поточного и оперативного контроля влагосодержания методов, основанных на различных зондирующих излучениях, в частности оптического излучения Показано, что использование волоконно-оптических преобразователей в устройствах оперативного и поточного контроля влагосодержания является предпочтительным по причине искро-взрывобезопасности, низкой стоимости и простоты конструкции

2 Для решения задачи определения влагосодержания светлых нефтепродуктов предложено использовать некогерентные волоконно-оптические преобразователи, работающие в ближней ИК - области излучения В основе метода определения вла1 осодержания лежит передача и прием некогерентпого излучения сквозь светлый нефтепродукт

3 Проведен анализ оптических свойств смеси светлого нефтепродукта и воды с точки зрения дисперсной системы

Разработана математическая модеть волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания и построены функции преобразования для различных состояний смеси нефтепродукта и воды Это позвотило разработать рекомендации по выбору конструктивных параметров преобразователя

Проведен анализ фотоприемников, источников излучения и световодов Обосновал выбор фотодиодов и светодиодов в качестве элементов преобразователя В качестве световодов выбран однократно расщепленный жгут, содержащий стеклянные или кварцевые многомодовые оптические волокна Проведено моделирование ВОП контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов Построены зависимости сигнала ВОП от концентрации воды в бензине и конструктивных характеристик преобразователя Проведена оценка диапазона измерений ВОП Установлены основные источники погрешности ВОП и показано, что они не являются критическими

4 Определены основные функции интеллектуального модуля обработки данных и разработан алгоритм его функционирования

5 Разработан экспериментальный стенд и маке1 ВОП кошроля влагосодержания светлых нефтепродуктов Разработана методика эксперимент и про-

ведено экспериментальное исследование макета ВОП Проведена оценка адекватности модели ВОП с целью последующей алгоритмизации

6 Рассмотрены основные пути повышения эффективности контроля вла-госодержания Для устранения влияния неинформативных факторов, в частности загрязнения торцов световодов ВОП, предложено использовать принцип многоканальное™ Рассмотрены способы создания измерительных каналов с различными функциями преобразования Приведена методика выбора расстояний между торцами световодов, позволяющая повысить эффективность контроля влагосодержания многоканальным анализатором влагосодержания Предложен метод снижения влияния дисперсности частиц воды на результат измерения

7 Разработаны рекомендации для проектирования конструкции предложенного ВОП

8 Разработаны структурная, функциональная и принципиальная схемы интеллектуального модуля обработки данных Предложен способ компенсации временной и температурной нестабильности характеристик СИД и фотоприемников Сформулированы рекомендации и требования по эксплуатации, выбору элементной базы, разработке печатного узла и конструкции интеллектуального модуля, исходя из требований ГОСТ и технических характеристик оборудования подобного класса Техническая новизна данного решения подтверждена двумя патентами

9 Указанные технические решения являются основой для разработки и практического применения интеллектуального устройства оперативного контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов на предприятиях нефтегазовой отрасли

Основные результаты опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК, и других изданиях:

1 Некогерентный волоконно-оптическии датчик влагосодержания жидких сред /Бойков А ГО //Тезисы докладов НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ M МИЭМ, 2005, с 256-257

2 Анализ возможности применения волоконно-оптических датчиков для сбора данных во взрывоопасных средах/Бойков А Ю, Зак Е А Н Сборник трудов МНТК "Информационные технологии в науке, технике и образовании" том 3 ГАПИ и ГНИИ ИТ Г "Информика", Москва, 2005, с 98-103

3 Разработка устройства определения влагосодержания светлых нефтепродуктов с избыточными измерительными каналами/Бойков А Ю, Зак Е А //Сборник материалов 7 международной НТК «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации» Курск гос техн ун-т Курск, 2005, с 66-69

4 Структурная схема и модель некогерентного волоконно-оптического датчика влагосодержания светлых нефтепродуктов/Бойков А Ю , Зак С А // Сенсор, 2005, №4, с 26-32

5 Экспериментальное исследование волоконно-оптического преобразователя плагосодержания светлых нефтепродуктов /Бойков Л Ю , Зак Е А , Кудрявцев А А //Тезисы докладов НТК студентов, аспирантов и молодых спепиа-аистов МИЭМ M МИЭМ, 2006, с 253-254

6 Интеллектуализация устройств контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов на основе некогерентного волоконно-оптического преобразователя /Ьойков А Ю , Здк Е А //Сборник докладов 9 ПК МГТУ «СТАНКИН» и «Учебно-научного цен фа математического моделирования МГТУ «СТАНКИН» - ИММ РАН» по математическому моделированию и информатике M «ЯНУС-К», ИЦ ГОУ МГТУ лСтанкин», 2006, с84-87

7 Принцип построения системы активного контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов и газообразных продуктов на основе волоконно-оптических преобразователей/Бойков А 10 , Зак Е А //Труды международного симпозиума «Надежность и качество» в 2-х томах Том 1 Пенза Изд-во Пенз. гос ун-та, 2006, с 362-363

8 Патент на по тезную модель №56631 РФ, МКП G01N 22/04 Устройство определения влагосодержания светлых нефтепродуктов/Бойков А Ю , Зак ЕА// Заявка №2006110373/22, 31 03 2006, опубл 10 09 2006, Официальный бюллетень «Изобретения Полезные модели» №25, с 859

9 Патентна полезную модель№58710 РФ, MKTI G01N 22/04 Устройство определения влагосодержания светлых нефтепродуктов с избыточным измерительным каналом/Бойков А Ю , Зак Е А // Заявка №2006110372/22, 31 03 2006, опубл 27 11 2006 Официальный бюллетень «Изобретения Полезные модели» №33, с 542

10 Модель волоконно-оптического преобразователя состава прозрачных сред /Бойков А Ю // Материалы 16 НТК с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» M МГИЭМ, 2004, с 176

11 Теоретическое исследование волоконно-оптического преобразователя влагосодержания светлых нефтепродуктов /Бойков А Ю // Тезисы докладов НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ M МИЭМ, 2007, с 317-318

Подписано в печать 19 04 2007 Формат 60x84/16 Бумага типографская № 2 Печать - ризография Уел печ л 1,3 Тираж 100 экз Заказ 933

Московский государственный институт электроники и математики 109028, Москва, Б Трехсвятительский пер , 3/12

Центр оперативной полиграфии (095) 916-88-04, 916-89-25

Перечень использованных сокращений.

Введение.

Глава 1. Методы и средства определения влагосодержания светлых нефтепродуктов.

1.1. Классификация анализаторов влагосодержания светлых нефтепродуктов.

1.2. Обзор методов определения влагосодержания светлых нефтепродуктов.

1.3. Анализ средств для определения влагосодержания светлых нефтепродуктов.

1.3.1. Лабораторные анализаторы влагосодержания.

1.3.2. Оперативные и поточные анализаторы влагосодержания.

1.4. Анализ целесообразности применения волоконно-оптических преобразователей для определения влагосодержания.

1.5. Устройство и принцип действия волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания.

1.6. Выводы.

Глава 2. Математическая модель волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов.

2.1. Обобщенная математическая модель волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания.

2.2. Обоснование выбора источника излучения волоконно-оптического преобразователя и особенности ввода излучения в световод.

2.3. Обоснование выбора фотоприемника волоконно-оптического преобразователя и особенности приема излучения из световода.

2.4. Обоснование выбора световодов и особенности расчета светопропускания передающим и приемным световодами.

2.5. Анализ оптических свойств дисперсных систем.

2.6. Построение функции преобразования волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания для различных типов смесей.

2.6.1. Коллоидная смесь.

2.6.2. Мелкодисперсная эмульсия.

2.6.3. Грубодисперсная эмульсия.

2.6.4. Факторы, влияющие на функцию преобразования.

2.7. Выводы.

Глава 3. Моделирование и экспериментальное исследование волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов.

3.1. Моделирование волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов.

3.1.1 Коллоидная смесь.

3.1.2 Эмульсия.

3.2. Разработка программы и методики эксперимента.

3.2.1. Разработка экспериментального стенда.

3.2.2. Разработка методики эксперимента.

3.3. Экспериментальное исследование.

3.4. Источники погрешности волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов.

3.5. Выводы.

Глава 4. Разработка прототипа устройства контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов.

4.1. Разработка конструкции волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов.

4.1.1. Основные пути повышения эффективности контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов.

4.1.2. Методика расчета расстояний между торцами приемного и передающего световодов.

4.1.3. Метод снижения влияния дисперсности частиц воды.

4.1.4. Рекомендации для проектирования конструкции волоконнооптического преобразователя контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов.

4.2. Структурная схема и принцип действия анализатора влагосодержания светлых нефтепродуктов на основе волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания.

4.3. Разработка интеллектуального модуля обработки данных.

4.3.1. Анализ способов компенсации температурной и временной нестабильности характеристик светодиодов и фотодиодов.

4.3.2. Разработка алгоритма функционирования интеллектуального модуля обработки данных.

4.3.3. Условия эксплуатации и технические требования к устройству контроля влагосодержания.

4.3.4. Разработка функциональной и принципиальной схем интеллектуального модуля обработки данных.

4.3.5. Разработка рекомендаций для проектирования конструкции интеллектуального модуля обработки данных.

4.3.5. Технические характеристики прототипа анализатора влагосодержания светлых нефтепродуктов.

4.3.6. Рекомендации и методика эксплуатации анализатора влагосодержания.

4.4. Выводы.

Одним из важнейших показателей качества светлых нефтепродуктов, в частности, бензина является его влагосодержание, определяющее его стоимость и эксплуатационные свойства. Под светлыми нефтепродуктами понимаются жидкая продукция нефтегазовой отрасли, прозрачная для оптического излучения, например бензин, керосин, дизельное топливо. В работе описан метод определения влагосодержания светлых нефтепродуктов на примере бензина.

В процессе переработки, транспортировки и хранения светлых нефтепродуктов в их состав неизбежно попадают нежелательные примеси и включения, к которым относится вода. Это может быть обусловлено как спецификой технологических процессов, так и может носить случайный или преднамеренный характер. В ходе транспортировки и хранения неизбежно происходит конденсация паров воды в надтопливном пространстве баков и резервуаров, в поплавковой камере карбюратора и других элементах системы питания двигателя.

Наличие воды в светлых нефтепродуктах ухудшает их эксплуатационные свойства и неизбежно приводит к экономическим потерям [32]. Попадая в бензин, вода снижает его теплотворную способность, вызывает закупорку распыляющих форсунок двигателей, затрудняется запуск двигателей. Вода, содержащаяся в бензине, при низких температурах вымерзает и выделяется в виде мелких кристаллов или хлопьев, которые засоряют фильтры, жиклеры и нарушают работу двигателей, что может послужить причиной аварии. Вода в бензине ускоряет процесс коррозии металлических деталей системы питания двигателей.

Требования к содержанию воды и способ ее определения регламентируются ГОСТ [72-76] и ТУ для каждого типа светлого нефтепродукта. Определение влагосодержания светлых нефтепродуктов, в частности бензина, требуется для оценки их качества, для расчета необходимого количества химического реагента, связывающего воду, а также при создании водоэмульсионных топлив.

По ГОСТ [71-76] в светлых нефтепродуктах не допускается наличие воды. По ГОСТ [81] следами воды считается концентрация менее 0,006% или бОмг/л. Поэтому целесообразно применять пороговые устройства, сигнализирующие о превышении концентрации воды сверх допустимого уровня 0,006%. При обнаружении превышения необходимо либо отфильтровать воду, либо добавить связующий химический реагент (например этилцеллозольв [65]).

Существует ряд методов и устройств для определения влагосодержания светлых нефтепродуктов. Все методы предусматривают определение влагосодержания в лабораторных условиях в силу сложившейся практики и наличию нормативной базы на лабораторные исследования. Однако лабораторные исследования требуют отбора пробы, применения сложного дорогостоящего оборудования, средств взрывозащиты и зачастую довольно длительны. К тому же отобранная проба за время доставки в лабораторию и в процессе анализа изменяет свои свойства вследствие изменения температурного режима, давления, контакта с атмосферой, не говоря уже о злонамеренных действиях человека. Поэтому целесообразно применять оперативные контрольно-измерительные устройства, позволяющие проводить измерения в непосредственной близости от места отбора пробы или работать непосредственно на потоке светлого нефтепродукта. При этом остро встает вопрос искро-взрывобезопасности. В настоящее время контроль влагосодержания на топливораздаточных станциях либо вовсе отсутствует, либо производится отбор пробы с ее последующей доставкой в лабораторию для анализа.

В существующей литературе не описаны оперативные анализаторы влагосодержания светлых нефтепродуктов, обладающие малой стоимостью, простотой конструкции и удовлетворяющие требованиям искро-взрывобезопасности. Поэтому разработка искро-взрывобезопасных устройств оперативного контроля влагосодержания является актуальной задачей.

Целью данной работы является разработка метода и алгоритма функционирования интеллектуального устройства контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов, отличающегося низкой стоимостью, простотой конструкции, а также удовлетворяющего требованиям искро-взрывобезопасности.

Для достижения этой цели поставлены и решены следующие задачи:

1. Провести анализ существующих методов и средств контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов.

2. Разработать метод определения влагосодержания светлых нефтепродуктов на основе волоконно-оптического преобразователя.

3. Разработать математическую модель волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов и осуществить моделирование сигнала преобразователя в зависимости от его конструктивных характеристик и свойств светлого нефтепродукта.

4. Разработать алгоритм функционирования интеллектуального модуля обработки данных, полученных от волоконно-оптического преобразователя.

5. Разработать экспериментальный стенд волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов, провести экспериментальное исследование и сравнить результаты моделирования и экспериментального исследования.

6. Разработать метод компенсации влияния неинформативных факторов, в частности, загрязнения торцов световодов при контроле влагосодержания.

7. Разработать рекомендации по проектированию конструкции волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов.

8. Разработать структурную и принципиальную схемы прототипа интеллектуального модуля обработки данных, полученных от волоконно-оптического преобразователя.

Методы исследований. При решении поставленных задач использована теория волоконной и геометрической оптики, теория рассеяния излучения дисперсными средами, теоретическая фотометрия, теория измерений, теория погрешностей.

Кроме того, для исследования волоконно-оптического преобразователя использовалось математическое моделирование с использованием специально разработанной программы. Основные теоретические положения подтверждены результатами экспериментального исследования.

Научная новизна результатов работы:

1. Предложен метод определения влагосодержания на основе передачи и приема некогерентного излучения сквозь светлый нефтепродукт. Для реализации данного метода предложено использовать некогерентные волоконно-оптические преобразователи.

2. Разработана математическая модель волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов, позволяющая сформулировать рекомендации по выбору конструктивных параметров преобразователя.

3. Разработан алгоритм функционирования интеллектуального устройства контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов.

4. Получены результаты экспериментального исследования волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания, доказывающие его работоспособность и адекватность разработанной математической модели.

5. Предложен метод компенсации влияния неинформативных факторов при контроле влагосодержания.

Практическую значимость имеют:

1. Разработанный волоконно-оптический преобразователь контроля влагосодержания, обеспечивающий оперативное определение влагосодержания и обладающий простотой конструкции и высокой искро-взрывобезопасностью.

2. Требования и рекомендации по разработке конструкции и принципиальных схем интеллектуального модуля обработки данных.

3. Методика эксплуатации предложенного устройства.

4. Технические требования к поточному устройству контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов.

Внедрение. Работа получила заключение о полезности от департамента развития малого предпринимательства г. Москвы и от предприятий нефтеперерабатывающей отрасли.

Апробация работы. Основные вопросы диссертации докладывались и обсуждались на XVI НТК с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления», Судак, 2004; МНТК "Информационные технологии в науке, технике и образовании", Москва, 2005; 7-ой МНТК «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации», 2005, Курск; ежегодной НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, Москва, 2005-2007; 9-ой НК МГТУ «СТАНКИН» и «Учебно-научного центра математического моделирования МГТУ «СТАНКИН» - ИММ РАН» по математическому моделированию и информатике, Москва, 2006; ежегодной международной конференции молодых ученых, студентов и специалистов «Инновационные технологии в проектировании», Пенза, 2006.

На защиту выносятся.

1. Структура некогерентного волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов.

2. Математическая модель предложенного преобразователя.

3. Основные результаты моделирования.

4. Структура и алгоритм функционирования интеллектуального устройства контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения, списка литературы из 104 наименований, шести приложений. Общий объем 167 страниц. В работе имеются 39 иллюстраций и 3 таблицы.

4.4. Выводы.

1. Рассмотрены основные пути повышения эффективности контроля влагосодержания. Для устранения влияния неинформативных факторов, в частности, загрязнения торцов световодов ВОП, предложено использовать принцип многоканальности при этом измерительные каналы должны быть ассиметричны.

2. Рассмотрены способы создания асимметричных измерительных каналов. Определено, что наиболее целесообразно добиться асимметричности измерительных каналов, изменяя расстояние между торцами световодов в рабочем пространстве. Приведена методика выбора расстояний между торцами световодов. Предложен метод снижения влияния дисперсности частиц воды на результат измерения. Разработаны рекомендации для проектирования конструкции ВОП.

3. Разработана структура устройства контроля влагосодержания с избыточным измерительным каналом.

4. Сформулированы технические требования к оперативному и поточному анализатору влагосодержания светлых нефтепродуктов.

5. Предложен способ компенсации временной и температурной нестабильности характеристик СИД и фотоприемников.

6. Разработан алгоритм функционирования интеллектуального модуля обработки данных.

7. На основе разработанного алгоритма сформулированы технические требования к интеллектуальному модулю обработки, разработаны его электрическая функциональная и принципиальная схемы, выбрана элементная база, сформулированы рекомендации и требования для проектирования печатного узла и конструкции модуля.

8. Сформулированы технические требования и характеристики устройства контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов и разработана методика эксплуатации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленный материал является основой для создания интеллектуального устройства контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов, отличающегося низкой стоимостью, простотой конструкции, а также удовлетворяющего требованиям взрыво-пожаробезопасности. В основе метода определения влагосодержания лежит передача и прием некогерентного излучения сквозь светлый нефтепродукт. Предложено использовать волоконно-оптические преобразователи для определения влагосодержания светлых нефтепродуктов. Предложен метод компенсации влияния неинформативных факторов, в частности, загрязнения торцов световодов. Обработка данных от волоконно — оптического преобразователя осуществляется интеллектуальным микропроцессорным модулем.

На основании проведенных исследований получены следующие основные результаты работы:

1. Проведен анализ и создана классификация методов определения влагосодержания светлых нефтепродуктов. Показана целесообразность использования оперативных и поточных устройств контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов. Показана перспективность применения в устройствах поточного и оперативного контроля влагосодержания методов, основанных на различных зондирующих излучениях, в частности оптического излучения. Показано, что использование волоконно-оптических преобразователей в устройствах оперативного и поточного контроля влагосодержания является предпочтительным по причине искро-взрывобезопасности, низкой стоимости и простоты конструкции.

2. Для решения задачи определения влагосодержания светлых нефтепродуктов предложено использовать некогерентные волоконно-оптические преобразователи, работающие в ближней РЖ - области излучения. В основе метода определения влагосодержания лежит передача и прием некогерентного излучения сквозь светлый нефтепродукт.

3. Проведен анализ оптических свойств смеси светлого нефтепродукта и воды с точки зрения дисперсной системы.

Разработана математическая модель волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания и построены функции преобразования для различных состояний смеси нефтепродукта и воды. Это позволило разработать рекомендации по выбору конструктивных параметров преобразователя.

Проведен анализ фотоприемников, источников излучения и световодов. Обоснован выбор фотодиодов и светодиодов в качестве элементов преобразователя. В качестве световодов выбран однократно расщепленный жгут, содержащий стеклянные или кварцевые многомодовые оптические волокна. Проведено моделирование ВОП контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов. Построены зависимости сигнала ВОП от концентрации воды в бензине и конструктивных характеристик преобразователя. Проведена оценка диапазона измерений ВОП. Установлены основные источники погрешности ВОП и показано, что они не являются критическими. 4. Разработан алгоритм функционирования интеллектуального модуля обработки данных. В функции интеллектуального модуля обработки данных входят:

- статистическая обработка данных: осреднение значений множества отсчетов, вычисление дисперсии, отбраковка промахов;

- отслеживание и прогнозирование состояния измерительных каналов;

- адаптивная настройка измерительных каналов в соответствии с изменяющимися внешними условиями;

- автоматическая компенсация температурной нестабильности характеристик элементов ВОП;

- автоматический выбор методики определения влагосодержания в соответствии с состоянием смеси (эмульсия, коллоидная смесь);

- сбор, хранение и передача данных влагосодержания в систему сбора данных; определение влагосодержания другого типа светлого нефтепродукта без изменения ВОП, после соответствующей градуировки.

5. Разработан экспериментальный стенд и макет ВОП. Разработана методика эксперимента и проведено экспериментальное исследование макета ВОП. Проведена оценка адекватности модели ВОП с целью последующей алгоритмизации.

6. Рассмотрены основные пути повышения эффективности контроля влагосодержания. Для устранения влияния неинформативных факторов, в частности загрязнения торцов световодов ВОП, предложено использовать принцип многоканальное™. Рассмотрены способы создания измерительных каналов с различными функциями преобразования. Приведена методика выбора расстояний между торцами световодов, позволяющая повысить эффективность контроля влагосодержания многоканальным анализатором влагосодержания. Предложен метод снижения влияния дисперсности частиц воды на результат измерения.

7. Разработаны рекомендации для проектирования конструкции предложенного ВОП.

8. Разработаны структурная, функциональная и принципиальная схемы интеллектуального модуля обработки данных. Предложен способ компенсации временной и температурной нестабильности характеристик СИД и фотоприемников. Сформулированы рекомендации и требования по эксплуатации, выбору элементной базы, разработке печатного узла и конструкции интеллектуального модуля, исходя из требований ГОСТ и технических характеристик оборудования подобного класса. Техническая новизна данного решения подтверждена двумя патентами.

9. Указанные технические решения являются основой для разработки и практического применения интеллектуального устройства оперативного контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов на предприятиях нефтегазовой отрасли.

1. Архипов Д.В., Беленький Б.Г. Анализ тенденций развития инструментальных методов разделения за 1952 1993 гг. // Журнал аналитической химии. 1995г №8, с.806-817

2. Барноски М.К. Основы волоконно-оптической связи/ пер. с англ./ под ред. Е.М. Дианова-М.: Советское радио, 1980г., с. 83

3. Беляков B.JI. Автоматизация промысловой подготовки нефти и воды -М.: Недра, 1988г., с. 204

4. Беляков B.JI. Автоматический контроль параметров нефтяных эмульсий. М.: Недра, 1992, с. 204

5. Бережинский Л.И., Валах М.Я., Лисица М.П. Волоконная оптика -Харьковская книжная типография «Коммунист», 1968г., с. 77-85

6. Бойков А.Ю. Некогерентный волоконно-оптический датчик влагосодержания жидких сред // Тезисы докладов НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ. М.:МИЭМ, 2005, с.256-257

7. Бойков А.Ю., Зак Е.А. Структурная схема и модель некогерентного волоконно-оптического датчика влагосодержания светлых нефтепродуктов // Сенсор, 2005, №4, с.26-32.

8. Бойков А.Ю., Зак Е.А., Кудрявцев А.А. Экспериментальное исследование волоконно-оптического преобразователя влагосодержания светлых нефтепродуктов // Тезисы докладов НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ. М.:МИЭМ, 2006, с.253-254

9. МГТУ «СТАНКИН» ИММ РАН» по математическому моделированию и информатике. М.: «ЯНУС-К», ИЦ ГОУ МГТУ «Станкин», 2006, с84-87.

10. Бойков А.Ю. Модель волоконно-оптического преобразователя состава прозрачных сред // Материалы 16 НТК с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления». М.: МГИЭМ, 2004, с. 176

11. Бойков А.Ю. Теоретическое исследование волоконно-оптического преобразователя влагосодержания светлых нефтепродуктов // Тезисы докладов НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ. М.:МИЭМ, 2007, с.317-318

12. Большаков Г. Ф., Тимофеев В. Ф., Сибарова И. И. Экспресс-методы определения загрязненности нефтепродуктов-JI.: Химия, 1977г.,с. 167

13. Браго Е.Н., Демьянов А.А. Использование сверхвысоких частот для измерения содержания компонентов в водонефтяных и газожидкостных потоках М.: ВНИИОЭНГ, 1989г. 36с.

14. Бродин В.Б., Калинин А.В. Системы на микроконтроллерах и БИС программируемой логики -М.: Изд-во ЭКОМ, 2002г., с. 152-154

15. Бутусов М.М. Волоконная оптика и приборостроение Л.: Машиностроение, 1987г., с. 82-84

16. Ваня Я. Анализаторы газов и жидкостей/ под. ред. О.С. Арутюнова -М.: Энергия, 1970г., с. 12-14

17. Вейнберг В.Б., Саттаров Д.К. Пропускание света прозрачными световодами // Оптико-механическая промышленность, 1963, №2, с. 19-24

18. Вукс Ф. Электрические и оптические свойства молекул и конденсированных сред Л.: Издат-во Ленинградского ун-та, 1984г., с. 46-47

19. Демидова Панферова P.M., Малиновский В.Н., Попов B.C. Электрические измерения - М.: Энергоиздат, 1982г., с. 24-26

20. Дитчберн Р. Физическая оптика М.: Наука, 1965г., с. 398-401

21. Долгов В.В., Ованесов Е.Н., Щетникович К.А. Фотометрия в лабораторной практике СПб.: Витал диагностике СПб, 2004 г., с. 101-108, 37-38

22. Жданкин В. Некоторые вопросы обеспечения взрывобезопасности оборудования// Современные технологии автоматизации, 1998, №2, с. 98-106

23. Жданкин В. Вид взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь//Современные технологии автоматизации, 1999, №2, с. 72-83

24. Зак Е.А. Волоконно-оптические преобразователи с внешней модуляцией -М.: Энергоатомиздат, 1989г., с. 19-21, 82-83

25. Зенин В.И., Зоря Е.И., Никитин О.В., Прохоров А.Д. Ресурсосберегающий сервис нефтепродуктов М.: Изд-во Нефть и газ РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2004г., с. 273-274

26. Золотарев В.М., Морозов В.Н., Смирнова Е.В. Оптические постоянные природных и технических сред JI.: Химия, 1984г., с. 54

27. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайнонеоднородных средах М.: Мир, 1981г., с. 280

28. Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Радайкин B.C. Источники и приемники излучения М.: Машиностроение, 1982г., с. 222

29. Кайдалов С.А. Фоточувствительные приборы и их применение -Изд. Радио и связь, 1995г., с. 8-17

30. Капани Н. Волоконная оптика Изд. Мир, 1969г., с. 27

31. Клейтон В. Эмульсии, их теория и практическое применение / Пер. с англ. под ред. П.А. Ребиндера. М.: Изд-во иностр. Лит-ры, 1950г., с. 540

32. Козлов М.Г. Метрология и стандартизация: Учебник -М., СПб.: Изд-во «Петербургский ин-т печати», 2001г., гл. 5.4

33. Конюхов Н.Е., Марков П.И., Плют А.А., Оптоэлектронные контрольно-измерительные устройства М.: Электроатомиздат, 1985г., с. 48

34. Корсунский М.И. Оптика, строение атома, атомное ядро» М.: Наука, 1964г., с. 107-108

35. Кругер М.Я., Кругер Я.М., Кулагин В.В., Левинзон A.M., Панов В.А., Погарев Г.В. Справочник конструктора оптико-механических приборов Изд. Машиностроение, Ленинград, 1967г., с. 62

36. Кузелин М.О., Кнышев Д.А., Зотов В.Ю. Современные семейства ПЛИС фирмы Xilinx. Справочное пособие. М.: Горячая линия - Телеком, 2004г., с. 9-15

37. Кулебакин B.C. Теория инвариантности автоматических регулируемых и управляемых систем // Труды I Международного Конгресса IF АС. М.: Изд-во АН СССР, 1961г, с. 447-455

38. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: учебное пособие. Т.6 Гидродинамика. М: Наука, 1986г., с. 137

39. Логинов В.И. Обезвоживание и обессоливание нефтей. М.: Химия, 1979г.-с.216

40. Любашин А.Н. Первое знакомство: краткий обзор промышленных сетей по материалам конференции FieldComms 95 / Мир компьютерной автоматизации, 1996, №1

41. Любашин А.Н. Промышленные сети / Мир компьютерной автоматизации, 1999, №1

42. Матвеев B.C. Перепелкин К.Е. Газовые эмульсии Л.: Химия, 1979 г., с.200

43. Мухитдинов М., Мусаев Э.С. Светоизлучающие диоды и их применение М.: Радио и связь, 1988г., с. 8-16

44. Острейковский В.А. Теория надежности: Учеб. для вузов М.: Высш. шк., 2003г. - с. 463

45. Петров Б.Н., Викторов В.А., Лункин Е.В., Совлуков А.С. Принцип инвариантности в измерительной технике М.: Наука, 1976г., с. 246

46. Руденко А. Бомба под нефтяных магнатов // «Завтра», Москва, 15.05.2001 http://zavtra.rU/cgi/veil/data/zavtra/Q 1/3 89/53 .html

47. Савчук В.П. Обработка результатов измерений. Физическая лаборатория Одесса: ОНПУ, 2002г., с. 10-12

48. Салов Г.В., Тихомиров Ю.Ф., Яковлев E.J1. Погрешности контрольно-измерительных устройств М.: Техника, 1975г., с. 19-29,48-50

49. Сапожников А.С. Теоретическая фотометрия М.: Энергия, 1977г., с. 57-59

50. Свистунов Б. JI. Разработка и исследование инвариантных преобразователей параметров электрических цепей в унифицированные сигналы: Автореф. дисс. на соиск. уч. степ, к.т.н. Пенза, 1978г. - с. 20

51. Стекольников Ю.И. Живучесть систем СПб.: Политехника, 2002г.,с. 155

52. Тарасов JT.B., Тарасова А.Н. Беседы о преломлении света/под ред. В.А. Фабриканта -М: Наука, 1982, с. 147-148

53. Тидекен Р. Волоконная оптика и ее применение Изд. Мир, 1975г., с. 34-37

54. Тишер Ф. Техника измерений на сверхвысоких частотах М.: Физматгиз, 1963г.

55. Фетисов B.C. Фотометрические полевые средства измерений концентрации жидких дисперсных систем Уфа: УГАТУ, 2005г., с. 10-15

56. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии (Поверхностные явления и дисперсные системы): Учебник для вузов. М.: Химия, 1982г., с. 400

57. Цыренова С.Б., Чебунина Е.И., Балдынова Ф.П. Руководство к решению примеров и задач по коллоидной химии: Учебное пособие. Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2000г., с. 73

58. Шевелько П.С., Акиндеев А.Е., Брага В.Г., Константинов В.Д., Суханов С.С., Тихомиров Ю.П. Справочник авиационного техника М.: Воениздат, 1974, с.490.

59. Шигапов А.Б., Ярхамов Ш.Д. Теоретические основы нефелометрии дисперсных сред Казан, гос. энерг. ун-т., 2003г. - с. 94

60. Шифрин К.С. Введение в оптику океана JL: Гидрометеоиздат, 1983г., с. 278

61. Элион Г., Элион X. Волоконная оптика в системах связи Изд. Мир, 1981г., с. 95-101,65

62. Яковлев В. Основы оптоволоконной технологии//Современные технологии автоматизации, 2002, №4, с. 74-81

63. Ялунин М.Д. Экспресс метод оценки влагосодержания нефтяного сырья// Тезисы 31 НТК по результатам работы профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов СевКавГТУ, 2000г.

64. ГОСТ 305-82 «Топливо дизельное. Технические условия».

65. ГОСТ 21046-86 «Нефтепродукты отработанные. Общие технические условия».

66. ГОСТ 1012-72 «Бензины авиационные. Технические условия».

67. ГОСТ 10227-86 «Топлива для реактивных двигателей. Технические условия».

68. ГОСТ 10541-78 «Масла моторные универсальные и для автомобильных карбюраторных двигателей. Технические условия».

69. ГОСТ 2084-77 «Бензины автомобильные. Технические условия».

70. ГОСТ Р 51946-2002 «Нефтепродукты и битуминозные материалы. Метод определения воды дистилляцией»

71. ГОСТ 18995.2-73 «Продукты химические жидкие. Метод определения показателя преломления»

72. ГОСТ 15150-69 «Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов».

73. ГОСТ 14254 «Степени защиты, обеспечиваемые оболочками»

74. ГОСТ 2477 «Нефть и нефтепродукты. Метод определения содержания воды».

75. ГОСТ 3900 85 «Нефть и нефтепродукты. Методы определения плотности»

76. ГОСТ 14870-77 «Продукты химические. Методы определения воды»

77. ГОСТ 2667-82 «Нефтепродукты светлые. Метод определения цвета»

78. ГОСТ 25950-83 «Топливо для реактивных двигателей с антистатической присадкой. Метод определения удельной электрической проводимости»

79. ГОСТ 13005-67 «Интерферометры для определения концентрации жидкостей и газов. Методы и средства поверки»

80. ГОСТ 8.258-77 «Поляриметры и сахариметры. Методика поверки»

81. ГОСТ 22372-77 «Материалы диэлектрические. Методы определения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь в диапазоне часто от 100 до 5МГц».

82. ГОСТ 51069-97 «Нефть и нефтепродукты. Метод определения плотности, относительной плотности и плотности в градусах API ареометром».

83. ГОСТ 29024-91 «Анализаторы жидкости турбидиметрические и нефелометрические. Общие технические требования и методы испытаний».

84. Бесконтактный ультразвуковой измеритель плотности жидкости // Рекламный проспект фирмы НПК "РИПС" (Россия) http://rips.narod.ru/plotnost.htm

85. Прибор для определения содержания влаги в твердых и жидких материалах «ВАД-40М» // Рекламный проспект фирмы НПФ "Микроаналитические системы" (Россия)- http://www.mas-spb.narod.ru/

86. Спектральный экспресс-анализатор нефтепродуктов Спектролаб Ц120// Рекламный проспект радиофизического факультета Нижегородского государственного университета http://rf.unn.ru/rus/chairs/k4/diolasirsp/irsp.htm

87. Электронное оборудование фирмы FMA Могег ( по материалам фирмы) // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности, 1996, № 2.

88. Этикетка на микросхему K9F5608U0D http://www.samsung.com/products/semiconductor/NANDFlash/SLC SmallBlock/ 256Mbit/K9F5608U0D/K9F5608U0D.htm

89. Fussell Е. Shedding Light on Industrial Fiber Optics// ISA, 01.06.2003

90. Johnson M., Stacker D. A non-fouling optical interface for environmental measurements // Measurement Science &. Technology, 1998, № 9, p.399-408

91. Potter R.J., Donath E., Tynan R. Light-colleting properties of a perfect circular optical fiber // J. Opt. Soc. Of America, 1963, v.53, №2, p.256-260

92. Potter R.J. Transmission properties of optical fibres // J. Opt. Soc. Of America, 1961, v.51 №10, p.1079-1089

93. Webster John G. Measurement, Instrumentation, and Sensors Handbook CRC Press, 2000, p. 72

94. ASTM D4007-02(2006) Standard Test Method for Water and Sediment in Crude Oil by the Centrifuge Method (Laboratory Procedure)

95. On-line Turbidity and Solid Matter Measurement // Рекламный проспект фирмы WTW (Германия), 2003 // http://www. wtw. com.

96. OptiQuant Suspended Solids and Turbidity Analyzer // Рекламный проспект компании HACH (США), 2001 // http://www. hack com.

97. Turbidity Sensor TurbiMax WCUS31// Рекламный проспект компании Endress+Hauser (Германия) // http://www. endress. com