УДК 004.021
АЛГОРИТМ ИЗМЕРЕНИЙ СПЕКТРАЛЬНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ПОГЛОЩЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ ОДНОКАНАЛЬНОЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ
THE MEASUREMENTS ALGORITHM OF THE SPECTRAL ABSORPTION COEFFICIENTS OF SINGLE-CHANNEL FIBER OPTIC SPECTROMETER
SYSTEM PROCESS FLUIDS
Соловьев Владимир Александрович
д-р техн. наук профессор Е-mail: v.soloviev@bk.ru
Щербакова Анна Алексеевна
аспирант
Е-mail: anutka7790@mail.ru
Пензенский государственный университет, г. Пенза
Аннотация: Предложен алгоритм калибровки и измерений спектральных коэффициентов поглощения технологических жидкостей одноканальной волоконно-оптической спектрометрической системой с помощью промышленной проточной кюветы. Кювета имеет три режима измерения: режим измерения темновых токов, режим измерения анализируемой жидкости и режим сравнения.
Ключевые слова: калибровка, промышленная проточная кювета, оптическое зеркало, поворотный привод, волоконно-оптический кабель, темновой ток, спектральный коэффициент поглощения.
Solov'ev Vladimir A.
D. Sc. (Tech.), Professor Е-mail: v.soloviev@bk.ru
Shcherbakova Anna A.
Postgraduate
Е-mail: anutka7790@mail.ru
Penza State University, Penza city
Abstract: The authors suggest the calibration and measurements algorithm of the spectral absorption coefficients of single-channel fiber optic spectrometer system process fluids by means process flow cell. The authors developed flow cell with 3 measurement mode: the dark currents measurement mode, the analyzed fluid measurement mode and compare mode.
Keywords: calibration, optical mirror, a rotary motor, optical fiber, dark current, spectral absorption coefficient.
ВВЕДЕНИЕ
Современные нефтехимические предприятия, имеющие высокую производительность (10 млн т в год), производят большой ассортимент продукции — около 300 наименований. При производстве товарных бензинов марок АИ-92, АИ-95, АИ-98, получаемых в результате смешения нескольких компонентов, необходимо проводить периодический анализ всех технологических потоков. От быстродействия и точности системы анализа зависит не только качество производимой продукции, но и возникающие в процессе производства экономические потери [1]. Со-
здание современных поточных систем контроля на основе методов ИК-спектроскопии позволит в режиме реального времени измерять спектральные коэффициенты поглощения и по ним идентифицировать компоненты, определять компонентный состав и октановое число бензинов.
Существующая современная лабораторная аппаратура ИК-спектроскопии обеспечивает высокую фотометрическую точность измерений, в том числе за счет наличия сравнительного канала измерения. Кювета в промышленной спектрометрической системе с целью уменьшения времени транспортного
запаздывания должна быть расположена в непосредственной близости к технологической линии. Реализовать сравнительный канал, когда измерительная кювета находится достаточно далеко от спектрофотометра, в промышленных условиях сложно.
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ
СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКАЯ
СИСТЕМА
В статье рассматривается од-ноканальная волоконно-оптическая спектрометрическая система с промышленной проточной кюветой, в которой предусмотрены три режима: измерения, сравнения и темновых токов. Подобная система уста-
ВОК
Неподвижное зеркало входное
Объектив входной
(Р'1-
~1ГТ11Т1Т/ ТЭ О ■
Источник ИК-излучения
во- , ^
адаптер, ^ Поворотный привод
Технологический трубопровод с анализируемым компонентом
Тестовый компонент
/гест
Защитное стекло кюветы
Поворотное зеркало входное
Неподвижное зеркало выходное
Объектив выходной
ИК-
□=
Модуль ввода/вывод
Поворотное зеркало выходное
^ 1 адаптер Поворотный привод
Я8-485
спектрометр ПК
ШБ
Возвратный трубопровод
Рис. 1. Одноканальная волоконно-оптическая спектрометрическая система с промышленной проточной кюветой (режим "измерение")
навливается на каждый технологический поток с у'-ым компонентом.
На рис. 1 приведена волоконно-оптическая спектрометрическая система с промышленной проточной кюветой. Причем кювета снабжена поворотными и неподвижными зеркалами, позволяющими реали-зовывать различные режимы измерения. Положения поворотных зеркал, показанные на рис. 1, соответствуют режиму "измерение", когда излучение проходит через кювету с жидкостью.
Излучение от источника ИК-излучения по волоконно-оптическому кабелю ВОК направляется в промышленную проточную кювету. Волоконно-оптический кабель соединяется с кюветой при помощи волоконно-оптического ВО-адапте-ра, содержащего объектив, в фокусе которого находится торцевая часть сердцевины волоконно-оптического кабеля. Выходное излучение из кюветы при
помощи волоконно-оптического адаптера и волоконно-оптического кабеля попадает в ИК-спектрометр [4], выход которого через и8В-интерфейс соединен с персональным компьютером ПК, управляющим через модуль ввода/вывода поворотными приводами зеркал и открытием клапанов.
Когда кювета заполнена анализируемой жидкостью и при положениях подвижных зеркал в режиме "измерение", показанных на рис. 1, цифровые сигналы N^1,-), поступающие со спектрометра на различных длинах волн, можно описать следующей зависимостью:
ад,-) = Фо(^даг.)хи(^) х
х Тв(Х/)хки(Х1-) + N^1,-), (1)
где Фо(Х,-) — поток излучения, вошедший в систему; К(1) — коэффициент передачи у-го оптического тракта на 1-ой длине волны, определяемый спектральной чувствительностью спектрометра; хи(1г-) — спектральный коэффициент пропус-
кания анализируемой жидкости; хв(1г-) — спектральный коэффициент пропускания оптических элементов системы (оптическое волокно, волоконно-оптические адаптеры и т. д.); хки(1г-) — спектральный коэффициент пропускания защитных стекол кюветы, учитывающий их возможные технологические загрязнения; N^(1,) — темновые токи спектрометра на 1-ой длине волны.
В режиме "сравнение" подвижные зеркала кюветы устанавливаются ПК в положения, как показано на рис. 2, при этом излучение проходит, минуя кювету с жидкостью, и попадает в спектрометр.
Цифровые сигналы N,(1,-) в режиме "сравнение" представим в следующем виде:
N0(1,-) = Фо(1/)К(1г.)Хв(1г-)Хкс(1/) + + ^г(1г-), (2)
где хкс(1г) — спектральный коэффициент пропускания зеркал в режиме "сравнение".
На рис. 2 показано положение зеркал, соответствующее режиму "сравнение".
На рис. 3 показано положение зеркал, соответствующее режиму измерения темновых токов спектрометра. В этом режиме ПК через модуль ввода/вывода поворачивает выходное
поворотное зеркало на угол 135° и предотвращает попадание излучения в спектрометр. Цифровые сигналы N^1/), снимаемые с выхода спектрометра, будут определяться только тем-новыми токами элементов фотоприемной линейки спектрометра.
Разделив соотношение (1) на (2), получим:
—( 1 ,-) - — ( 1 ,-) =
) - МТ(Ц)
_Фо(1/) *(1/ )Ти(1/)Тв (1/)Тки (1/)_
Фо (1/) *(1,- )тв (1/)ТкС(1/)
= т и ( 1 г)тки(1г) ткс (1/0 .
(3)
Технологический трубопровод с анализируемым компонентом
Неподвижное зеркало входное
Объектив входной |
Источник ВО- 1 • ИК-излучения адаптер [
Поворотный привод
Тестовый компонент
^ест
Неподвижное зеркало выходное
Объектив выходной
ИК-
Модуль ввода/вывод
1 адаптер Поворотный привод
К5-485
спектрометр ПК
ШБ
Возвратный трубопровод
Рис. 2. Одноканальная волоконно-оптическая спектрометрическая система с промышленной проточной кюветой (режим "сравнение")
ВОК
Неподвижное зеркало входное
Объектив входной
(си1-
чник ' "
Источник ИК-излучения
ВО- , р,
адаптер ( и
Поворотный привод
Технологический трубопровод с анализируемым компонентом
Защитное стекло кюветы
Поворотное зеркало входное
Тестовый компонент
_^ест
Неподвижное зеркало выходное
ИК-
Модуль ввода/вывод
Объектив выходной
ВОК
Поворотное зеркало выходное
1 адаптер Поворотный привод
Я8-485
спектрометр ПК
ШБ
Возвратный трубопровод
Рис. 3. Одноканальная волоконно-оптическая спектрометрическая система с промышленной проточной кюветой (режим "измерение темновых токов")
В соотношении (3) нам неизвестны величины хки(1г), хкс(1г), которые можно определить калибровкой системы. Для этого, заполнив кювету тестовым компонентом с известным коэффициентом хтест, определим вели-
_ ткиС1/)
чину Хк(11) = (3) равна:
Чи^ _
ткс (1/)
, которая из
1
ткс(1/) Ттест (1/)
/ N^(1/) - ЛТт(1,.)
(4)
N¡(1/) - ^т(1г-) Подставив (4) в (3), получим:
ти(1/) = _Ни (1/) - Щ (1/) 1
N (1/) - Щ (1/) Хк(1г.)
. (5)
мы с промышленной проточной кюветой начинается с калибровки системы, которая включает три режима: "измерение темно-вых токов", "сравнение" и "измерение" тестового компонента с известными спектральными коэффициентами пропускания. Алгоритм процесса калибровки волоконно-оптической спектрометрической системы представлен на рис. 4.
В режиме "измерение тем-новых токов" ПК через модуль ввода/вывода устанавливает зеркала кюветы в положение, представленном на рис. 3. Цифро-
вые сигналы Л?г(1г), снимаемые с выхода спектрометра на всех длинах волн, вводятся в ПК и запоминаются. Опрос темновых токов можно производить достаточно редко (раз в один-два часа), так как они изменяются незначительно.
В режиме "сравнение" ПК через модуль ввода/вывода устанавливает поворотные зеркала в положения, показанные на рис. 2, и со спектрометра снимаются сигналы N-(1,-), соответствующие соотношению (2).
В режиме "измерение" ПК через модуль ввода/вывода ус-
По спектральным коэффициентам пропускания хи(1г) рассчитываются соответствующие им спектральные коэффициенты поглощения по формуле:
ад = -1вхи(1г-)/х, (6)
где £(1,) — коэффициент поглощения на 1-ой длине волны, Ь — длина оптического пути кюветы [4].
Цифровые сигналы с каждого из 512 элементов фотоприемной линейки представляют 16-разрядный код [5]. Время опроса цифровых сигналов зависит от времени интегрирования аналогового сигнала с каждого элемента фотоприемной линейки и составляет не более 1 с.
Обмен информацией между спектрометром и ПК осуществляется по и8В-интерфейсу.
КАЛИБРОВКА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Работа волоконно-оптической спектрометрической систе-
Рис. 4. Алгоритм калибровки волоконно-оптической
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.