Введение к работе
Актуальность проблемы. Методы и приборы спектрофотометрии с каждым годом получают все большее,распространение в контроле состава и структуры веществ и материалов, системах управления технологическими процессами и диагностики экологической обстановки.
Традиционно применяемые спэктрофотометрические методы пропускания обеспечивают исследования свойств веществ в объеме, но не эффективны d случаях технологического контроля сильно-поглощащих и дисперсных объектов. Возникает проблема неудовлетворительной достоверности поточных измерений, обусловленной агрегатной неустойчивость» дисперсных систем, различием свойств в объеме и поверхностном слое,недостаточной проработкой вопросов взаимодействия оптических элементов с контролируемой средой. Решение этой проблемы открывает перспективу получения на технологических потоках результатов, адекватных лабораторным.
Возможности спектрофотометрических методов могут быть расширены, если удастся преодолеть трудности, возникающие при подготовке пробы сильнопоглощающих, дисперсных и твердофазных веществ и материалов; учесть влияние приповерхностных слоев объектов, выявить их представительность по отношению к объему.
Актуальны два направления исследования свойств поверхности: изучение поверхностных и приповерхностніпс слоев материалов как отображения процессов взаимодейстпия со средой, определение объемных свойств веществ и материалов с коррекцией влияния по- верхностных слоев. Учет свойств поперхности и ".процессов взаимодействия границ-объектов и оптических материалов приводит к
дополнительны* ресурсам повышения достоверности измерений и устранения аппаратурной избыточности.
6 обеспечение этих задач были начаты'работы по развитие методов и разработке приборов, обеспечивающих технологический контроль сильнопоглощагацих, дисперсных и твердофазных объектов, в том числе характеризующихся неоднородностью поверхностных слоев. Большой вклад в это направление внесен работами Т.Хиршфельда, Н.Харрика, В.М.Золотарева, в которых созданы научно-методические основы спектроскопии нарушенного полного внутреннего отражения, обеспечивающие возможность проведения количественных исследований оптических и физико-химических свойств жидких и твердых объектов в объеме и на поверхности.
Работа непосредственно направлена на преодоление принципиальных трудностей спектрофотометрического контроля многофазных технологических и природных сред за счет эффективного использования достижений смежных отраслей науки - оптики и спектроскопии, физики твердого тела, физической химии. Достижение успеха в решении поставленных задач позволяет разработать методы и создать аппаратуру, расширяющую функциональные возможности и круг потребителей спектрофотометрической аппаратуры, решить актуальную проблему достоверности технологических измерений.
Цель работы и задачи исследований. Основной целью работы являлось создание научно-методических основ спектрофотометрии многофазных сред, обеспечивающих технологические измерения силънопоглощапцих, дисперсных и твердофазных объектов в объеме и поверхностном слое, разработка на этой основе методов и средств контроля веществ и материалов и реализации результатов в промышленности при создании, освоении и внедрении приборов.
- б -
характеристики которых по ряду параметров превыше»» существующие аналоги.
В соответствии о поставленной цельп сформулированы задачи исследований и разработок.
-
Исследование метрологических характеристик устройств контроля в условиях сильного поглощения, наличия дисперсной фазы; адсорбции твердой фазы, воды, углеводородов на оптических материалах.
-
Исследование физико-химических процессов, протекающих ' в первичных измерительных преобразователях при взаимодействии
с технологической средой.
-
Развитие теоретической базы для оптической диагностики дисперсных и твердофазных объектов в объеме и поверхностней слое с вкспериментплъной проверкой основных соотношений.
-
Разработка новой методологии и подходя к проектированию устройств технологического контроля дисперсных сред на основе учета роли граничных слоев оптических материалов и объектов.
-
Разработка метода и технического обеспечения норазруша-ющей оптической диагностики веществ и материалов в объеме и поверхностном слое с учетом градиентного изменения свойств поверхностного СЛОЯ.
-
Определение объемных и поверхностных свойств нефтяных дисперсных и твердофазных систем по спектрам внутреннего отражения и пропускания.
-
Специализация измерительных преобразователей путем сочетания структурных, физико-химических и конструктивных способов уменьшения влияния дестабилизирующих факторов.
-б -
8. Разработка методического и метрологического обеспечения и внедрение устройств контроля многофазных сред в новой сфере диагностики промышленных объектов и экологической обстановки.
Научная новизна. Впервые выполнена разработка широкого комплекса исследований, методических разработок и научно обоснованных технических и технологических решений, обеспечивающих повышение эффективности спектрофотометрических методов и приборов в традиционной сфере и освоение новой сферы - контроля сильнопоглощащих, дисперсных и твердофазных объектов:
-
Спектральными методами изучены процессы адсобрции воды, углеводородов и частиц кристаллов на полированной поверхности оптических стекол, развиты методические приемы, позволяющие проводить исследования свойств оптических материалов в поверх-, костном слое и объеме на основе модели, достаточно корректно отрааащей свойства переходного приповерхностного слоя.
-
Обнаружен и интерпретирован эффект уменьшения интенсивности адсорбции частиц ионных кристаллов на поверхности оптических стекол в соответствии со спектральной характеристикой фотопроводимости кристаллов.
-
Цредлокено и обосновано использование термопластичного стекла в качестве новой элементной базы спектрофотометров -элементов НПВО для контроля объектов с неплосцой границей и термопластичной иммерсии для контроля дисперсных твердофазных объектов по пропусканию.
4.' Предложена и разработана методика проектирования анализаторов технологических потоков, содержащих взвешенные частицы, в соответствии с которой последовательность набора модулей и воздействий на состояние контролируемой среды определяется
физико-химическими характеристиками приповерхностных слоев оптических элементов и взвешенных частиц.
-
Проведен теоретический анализ метрологических характеристик анализаторов нефтесодержащих дисперсных сред на осново спектроме—эии НПВО и на этой основе определены условия получения заданных значений точности.
-
Предложена и обоснована методика улучшения метрологических характеристик анализаторов дисперсных сред путем относительных измерений коэффициента отражения в спектрах НПВО на двух глубинах проникновения излучения.
-
Предложены и реализованы методы спектральной идентификации природных и технических объектов на основе впервые определенных диапазонов изменения оптических постоянных нефтей и товарных нефтепродуктов с учетом "старения" оптических характеристик под влиянием технологических и природных факторов.
На защиту выносятся:
-
Методы оптической диагностики сильнопоглощаюцих, дисперсных и твердофазных технологических сред и природных объектов, позволяющие проводить контроль оптических свойств в объеме и поверхностном слое.
-
Результаты исследований процессов адсорбции воды, углеводородов и твердофазных частиц на поверхности оптических элементов; методические приемы, которые позволяют проводить на серийной спектральной аппаратуре, дополненной приставками НПВО, исследования свойств веществ и оптических материалов в поверхностном слое и объеме при правильно выбранной оптической модели, достаточно корректно отражающей градиентное изменение свойств переходного поверхностного слоя.
-
Результаты исследования оптических свойств нефтесодор-жащих дисперсных сред, которые обеспечивают улучшение метрологических характеристик анализаторов, основанных ня методе НПВО, путем учета смещения спектральных полос, свойств граничных слоев нефти и различий состояния воды в крупнодисперсных и мелкодисперсных нефтяных эмульсйх.
-
Методы спектральной идентификации технических и природных объектов по определенным значениям оптических постоянных о учетом их изменения под влиянием технологических и природных факторов.
-
Технологические решения по процессу формирования элементов НПВО и таблеток на основе термопластичной иммерсии, которые обеспечили возможность измерений с фотометрической погрешностью порядка О,5-І % отн. при устойчивости положения спектральных полос по шкале волновых чисел не хуже I см .
-
Методология проектирования устройств контроля технологических потоков, содержащих взвешенные твердофазные примеси, основанная на исследовании физико-химических характеристик оптических элементов и частиц примесей в объеме и поверхностном слое и реализуемая путем оптимизации последовательности набора модулей и воздействий на состояние контролируемой среды.
-
Способы и устройства уменьшения влияния дестабилизируюсь: факторов, основанные на сочетании структурных, физико-химических и-конструктивных подходов.
-
Новые методы контроля важнейших процессов - контроля перемещения водонефтяного контакта, процесса последовательной перекачки по магистральным нефтепродуктопроводам, идентификации углеводородных загрязнений моря.
9. Способи улучшения метрологических характеристик аппа
ратуры технологического контроля на основа реализации новых
технических реоений вопросов подготовки пробы для пирокого кру
га объектов.
10. эзультаги разработок и внедрения первичных измери
тельных преобразователей, аналитических приборов п систем тех
нологического контроля.
Практическая ценность. Проведенные исследования, разработанные ыетоды и приборы обогащают арсенал средств технологичэо-кого контроля н диагностика окологической обстановки. Разработки ориентированы на потребителей нефтяной, кефтехкыичзской про-мыяяекности, предприятия нефтопродуктообеспачения и топливопот-робляпщие отрасля. Одновременно разработанные ыетоды и приборы иогут найти применение в других отраеяях прсии-аланнос-га а в практике научных исследований.
Содерведиеся в диссертации методики исследования,теорети-чэскив основы построения приборов, конкротныэ технические и технологические реиенил ыогут быть использованы при проектировании а изготовлении аналитических приборов.
Результаты робот по исследование оптических характеристик природных объектов были использованы коллективами, раэрабатыва-щкми вопроси контроля углеводородных загрязнений морской среды.
Отдельные результаты была переданы Государственному оптическому институту' им.СИ.Вавилова, ЦКВ "Фотон" (Казань), ГОЮ "Хшавтсыатнка", МНТК Твое" (Москва), Ленинградскоцу отделенно института океанологии АН СССР, НПО космических исследований природных ресурсов (Баку).
Ряд разделов диссертации выполнен в рамках тем, проводи-» мых по постановлению СМ СССР № 850 от 16.И.1971г.; СМ РСФСР № 620 от 22.11.1971г. "Направление работ по повышению технического уровня отрасли нефтеснабкения"; совместному приказу Мин-прибора и Госкомнефтепродукта СССР № 2Г7/86 от 17.05.1966г. "Об организации производства и поставке систем управления и средств автоматизации для предприятий Госкомнефтепродукта СССР в І986-І990ГГ.; целевой комплексной программе совместных работ Минприбора и Госкомнефтепродукта по развитию автоматизации объектов нефтепродуктообеспечения на период 1988-1995гг. от 28.01.1988г.; комплексной программе работ по развитию автоматизации нефтяного производства на период І988-І995гг., утверівден-ной Минприбороы и Миннефтепромом 7 октября 1987г.; П.З. Исследование и разработка новых физических методов и принципов построения датчиков для контроля технологических параметров.
Реализация результатов исследований. Разработанные научно-методические основы построения приборов, методы контроля и технические решения использованы в двух направлениях.
Первое направление - совместное с оптико-механическими и приборостроительными предприятиями проектирование, изготовление, проведение государственных и мекведомственных приёмочных испытаний, освоение серийного производства.
Наиболее важные разработки освоены: абсорбционный фотометр ИФО-453 и рефрактометрический детектор РАЖ-453- на Казанском оптико-механическом заводе; приставки к спектрофотометрам НПВО-2 и МНПБО-2 - в Ленинградском оптико-механическом объединении; преобразователи для трубопроводного транспорта ФА-І, ФА-2, АО-1, рефлектометр АС-І - в Азербайджанском НПО "Нефтегазавтомат".
- II -
Второе направление - внедрение отдельных устройств и систем контроля на важных технологических объектах: устройств спектральной идентификации "Компаунд") и влагомеров нефтепродуктов "Аква" на предприятиях транспорта и хранения нефтепродуктов дл). уменьшения потерь и повышения оперативности; методов и приборов контроля положения водо-нефтяного контакта для совершенствования процесса добычи на морских месторождениях и продления срока эксплуатации скважин; преобразователей для твердофазных и дисперсных природных объектов - для повышения эффективности геохимических поисков нефти и газа; анализаторов микроконцентраций воды типа "Аквабен" - для АСУ ТП нефтехимической промышленности.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на УШ Международном конгрессе по измерительной технике и приборостроению (Москва, 1979г.); Международном симпозиуме "Метрологическое обеспечение средств измерений по охране окружающей среды" (Ленинград, 1981); Советско-английском семинаре по автоматизированный системам управления нефтегазодобычей, нефте- и газопроводам, Сумгаит; симпозиуме по применению молекулярной спектроскопии для контроля химических производств (Дзержинск, 1967); I и П Всесоюзном совещании по спектрофотометрии (Ленинград, 1972; Москва, 1977); Всесоюзном совещании "Новые методы исследования нефтей" (Грозный, 1975); Всесоюзном совещании "Применение спектроскопии нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) в народном хозяйстве" (Сумгаит, 1976); на семинаре ВДНХ "Новые спектральные приборы и их применение в промышленности и научных исследованиях (Москва, 1977)', У Всесоюзной школе-семинаре "Применение оптической спектроскопии в адсорбции и катализе"
(Иркутск, 1978); конференции по применению геохимических и гидрохимических исследований при разведке и разработке залежей нефти и газа (Баку, 1980); Всесоюзной школе-семинаре по геохимическим методам нефти и газа (Ашхабад, 1986).
На УІ Всесоюзной конференции по автоматическому контролю (Новосибирск, 1964); Всесоюзном совещании по аналитическому приборостроению (Тбилиси, 1968, 1971, 1975, 1980, 1986); Всесоюзной конференции по метрологии и технике точных измерений (Свердловск, .1968; Тбилиси, 1977); Всесоюзной конференции по опыту разработки и внедрения систем управления в нефтяной и нефтехимической промышленности (Сумгаит, 1970, 1973, 1977, 1980, 1935, 1990)', Всесоюзной конференции по совершенствованию методов определения влагосодеркания (Киев, 1970); Всесоюзной конференции "Измерительно-информационные системы" (Иваново-Франковск, 1973; Баку, 1977); Всесоюзной конференции "Эксплуатационные свойства авиационных топлив, смазочных материалов и специальных жидкостей (Киев, 1975, 1981); Всесоюзном совещании по влагомет-рии (Минск, 1978); Всесоюзном семинаре "Автоматизация, телемеханизация и метрологическое обеспечение объектов нефтепродукто-обеспечения (Ровно, 1985; Сумгаит 1989).
Публикации. По результатам' выполненных исследований опубликовано 72 работ ы,в том числе книга, 12 авторских свидетельств на изобретения и 2 патента.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений.
- із-
