научная статья по теме АЛГОРИТМ ИЗМЕРЕНИЙ СПЕКТРАЛЬНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ПОГЛОЩЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ ОДНОКАНАЛЬНОЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ Энергетика

Текст научной статьи на тему «АЛГОРИТМ ИЗМЕРЕНИЙ СПЕКТРАЛЬНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ПОГЛОЩЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ ОДНОКАНАЛЬНОЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ»

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Энергетика»